电学实验基础知识

电学实验的电路设计
在中学电学实验中，如用伏安法测电阻，测电源的电动势和内阻，测某一用电器的伏安特性曲线，都存在如何选择电学实验仪器，合理地设计电路。

如何使学生学会电路设计和顺利进行实验，应从下面几方面考虑。

一、实验仪器的选择
根据新课标要求，电学仪器的选择主要是：电表、滑动变阻器、电源等仪器。

（1）电表的选择原则是：不使电表受损和尽量减少误差。

首先保证流过电流表的电流和加在电压表的电压均不超过使用量程，然后考虑电压表、电流表在使用时，指针有较大偏转（一般取满偏度的2/3左右）。

（2）滑动变阻器选择原则：考虑被测对象要求的电流或电压变化范围，并且方便、节能。

注意流过滑动变阻器的电流不超过它的额定值。

对高阻值的变阻器，如果滑动头稍有移动，电流、电压变化很大的，不宜采用，应选用阻值小的变阻器。

1．安全性: 指选用的实验器件要能保证实验的正常进行。

如线路中的限流电阻必须满足要求，确保电流不能超过允许值；通过安培表的电流或加在伏特表上的电压均不能超过它们的使用量程；通过电源、滑动变阻器的电流不能超过额定值。

所有的器件都必须符合实验要求。

2. 精确性: 是指选用的实验器件要考虑尽可能减小实验误差。

如果实验原理不考虑电源和安培表的内阻及伏特表的分流作用时，就必须选用内阻小的电源和安培表及内阻大的伏特表；安培表、伏特表在使用时，要用尽可能使指针接近满刻度的量程，因为这样可以减小读数的误差；使用欧姆表时宜选用使指针尽可能指在中间刻度附近的倍率档位。

3．方便性：选用滑动变阻器时应考虑对外供电电压的变化范围既能满足实验要求，又便于调节，滑动变阻器调节时应用到大部分电阻线，否则不便于操作，对高阻值的变阻器，如果滑动头稍有移动，使电流电压有很大变化的，不宜采用,此时应选用阻值较小的变阻器。

例1 有一电阻R x ，其阻值大约在40Ω-50Ω之间，需进一步测定其阻值，现有下列器材：
电池组ε（电动势为12V ，内阻约0.5Ω） 电压表V （量程0-3-15V ，内阻20K Ω）
电流表A 1（0-50mA ，内阻20Ω） 电流表A 2（0-300mA ，内阻4Ω） 电流表A 3（0-1A ，内阻0.1Ω） 滑动变阻器R 1（0-100Ω，额定电流1A ）
滑动变阻器R 2（0-1700Ω，额定电流0.3A ）
开关K 及导线若干，实验电路如图1所示，实验中要求多测几组电流、电压值。

在实验中电流表
图1
应选 ，电压表的量程应选 ，滑动变阻器应选 。

解析：电源电动势为12V ，考虑耗电少，
加在被测电阻两端电压可达12V ，故电压表量程应选取0-15V 。

估算被测电阻可达到最大电流值，假设选电流表A 1，则
A
R R I A X m 20.01
≈+≈
ε
，超过了A 1的量程；假设选电流表A 2，则
A R R I A X m 27.02
≈+≈
'ε
，未超过A 2的量程，又从电流表读数精确度来考虑，
应选电流表A 2。

对滑动变阻器的选择，因为滑动变阻器R 1和R 2的额定电流都大于0.27A ，从节电、方便，满足测多组电流、电压值的要求，选用阻值较小的变阻器R 1。

二、测量电路的选择
电压表和电流表连入电路有两种方法：一种是外接法（电流表外接电路）；另一种是内接法（电流表内接电路）。

不管采用哪种接法，由于电表内阻的影响，计算值都有误差，为了减少误差，常用如下方法选择电路。

1．一般方法：①被测量电阻的阻值较小时宜用外接法， ②被测量电阻的阻值较大时宜用内接法。

2．临界值计算法：当内、外接法相对误差相等时，有
V
X X X
A R R R R R +=
，即
V A X R R R =
（R A ＜＜R V ）为临界值。

①A X R R >>或A X X V R R R R <或V A X R R R >：宜用内接法 ②A X R R <<或A
X X
V R R R R >或V A X R R R <
：宜用外接法
③
A
X X
V R R R R =或V A X R R R =
：内外接法均可，此时要结合其它条件进行选用。

3．试触法：当R X 、R A 、R V 、均不知的情况下，可用试接法选择电路。

如图2
所示，将单刀双掷开关K 分别接触a 、b 点，设接触a 、b 点时， ①U U I I ∆>∆ ：宜用内接法 ②U U I I ∆<∆：宜用外接法
③
U
U I I ∆=∆：内外接法均可，此时要结合其它条件进行选用。

例2 有一小灯泡上标有“3V 、0.6W ”，现要用伏安法测量这个灯泡的I-U 图
图2
线，可选用仪器有：电流表（0-0.3A ，内阻约1Ω）；电压表（0-3V ，内阻约20K Ω）；滑动变阻器（0-50Ω，额定电流2A ）；电源（直流9V ）；开关一只、
导线若干，为使实验误差尽量小，请 画出合理电路图。

解析：由于电压表内阻远大于灯泡的
最大阻值，故选用电流表外接法，电路图如图3
三、供电电路的选择
供电电路一般由电源和滑动变阻器按一定的连接方式组成，滑动变阻器在供电电路中有两种连接方式：如图4为限流式：如图5为分压式，限流式可省一个耗电支路，具有节省电能、电路连接简单的优点，分压电路具有较大的电压可调范围。

1．滑动变阻器必须采用分压法的三种情况
(1)要求某部分电路的电压或电流从零开始连续变化
(2)如果实验所提供的电压表、电流表的量程或电阻元件允许的最大电流(或电压)较小，当采用限流法时，无论怎样调节，电路中的实际电压(或电流)都会超过电表的量程或电阻元件允许的最大电压(或电流)
(3)滑动变阻器的阻值远小于被测电阻或电路中串联的其他电阻的阻值。

2．一般方法：①滑动变阻器阻值较大时宜用限流接法，
②滑动变阻器阻值较小时宜用分压接法。

3．选择原则：设滑动变阻器的全电阻为R ，被测电阻的阻值为R X ①0
1X
R R <
：分压接法
②X R R 10>：限流接法
③
X X R R R 1010
<<：分压、限流接法均可，优先采用限流电路。

例3 有一电阻R x （阻值约5Ω，额定功率1w ），需测定其阻值，现有下列器材：
电池组ε（电动势为6V ，内阻约0.5Ω） 电压表V 1（量程0-3V ，内阻3K Ω） 电压表V 2（量程0-15V ，内阻15K Ω） 电流表A 1（0-0.6A ，内阻0.2Ω）
图5
图4
图3
电流表A 2（0-3A ，内阻0.05Ω）
滑动变阻器R 1（0-10Ω，额定电流1A ） 滑动变阻器R 2（0-1700Ω，额定电流1A ）
开关K 及导线若干，实验中要求多测几组电流、电压值。

（1）在实验中电压表、电流表应选 ，滑动变阻器应选 。

（2）画出实验电路图。

解析：先考虑测量电阻的方法，从题中给出的仪器，考虑用伏安法测电阻，（学生可讨论替代法、半偏法等等）
（1）确定了伏安法之后，考虑电压表、电流表的选择，
2.2≈=
x PR U 额V ， A R P I x
45.0≈=
额
电流表、电压表的量程应大于且接近被测电阻的额定值，所以电流表选A 1，电压表选V 1。

（2）测量电路确定：临界电阻的阻值R=V A R R =24.5Ω，因为R X ＜R ，采用电流表外接法。

（3）供电电路确定
先考虑限流接法，假设用滑动变阻器R 2，此时电流变化范围的最大值约0.45A ，据此估算变阻器所需电阻值范围约9-60Ω，而变阻器总阻值为1700Ω，变阻器的
有效调节长度太小，滑动头稍在移动， 电流变化很大，不方便调节和测量多组 数据。

选用滑动变阻器R 1，若用限流接
法，则电流变化约0.4-0.45A,没有满足测量多组数据
故采用分压式接法。

电路图如图6所示
随堂练习：有一个小灯泡标有“6V 0.6W”的字样，现在要用伏安法测量这个灯泡的I —U 图线，下列器材可供选用： A 、电压表（0~5V ，内阻10KΩ） B 、电压表（0~10V ，内阻20KΩ） C 、电流表（0~0.3A ，内阻1Ω） D 、电流表（0~0.6A ，内阻0.4Ω） E 、滑动变阻器（30Ω，2A ）
F 、学生电源（直流9V ），还有开关和导线
（1）实验中选用电压表应选_________，电流表应选__________，（用序号字母表示）
（2）为使实验误差尽可能减小，画出实验电路图。

图6
[解析]：
1、电流表、电压表的选择
由小灯泡的标识可知其额定电压为6V，额定电流为，在额
定电压下的电阻R=60Ω。

为了在实验中安全测量，小灯泡两端所加电压不能超过6V，（通过小灯泡的电流不能超过0.1A），要测I—U图线，测量数据中应包含额定电压值。

因此电压表应选择B，电流表应选择C。

2、电流表内外接法的选择
计算，大于灯泡的最大阻值60Ω，因此选用
电流表外接法。

3、控制电路的选择
本问题若采用限流电路，电路中的最小电流为：
I min等于小灯泡额定电流，变阻器P无法对电流进行调节，故必须采用分压电路。

实验图如图所示
综合上述，掌握新课标中所要求测电阻、测电源电动势的方法、原理，熟练掌握以上仪器和电路选择原则，就可以根据题目的要求设计出合理电路。