高中电学中电路设计和仪器选择论文

高中电学中的电路设计和仪器选择

摘要：电学是高中物理的重要组成部分，电学中的电路设计和仪器选择是电学的核心内容，以高二物理教材“描绘小灯泡的伏安特性曲线”、“测金属丝的电阻率”、“测电源电动势和内阻”等几个学生实验为例，让学生融会贯通学会高中电学电路的设计和实验仪器的选择。

关键词：电路设计仪器选择

电学是高中物理的重要组成部分，电学中的电路设计和仪器选择是电学的核心内容，如何让学生掌握电路的设计和仪器的选择是电学教学的关键。以高二物理教材“描绘小灯泡的伏安特性曲线”、“测金属丝的电阻率”、“测电源电动势和内阻”等几个学生实验为例，这些实验都有许多相似之处和不同之别，学生只要掌握了电路设计和仪器选择的原理和方法，其它问题就迎刃而解了。

一、电路设计原理

以上实验都是利用滑动变阻器改变电路中的电流，用电流表和电压表测量电路中小灯泡、金属丝、变阻器的电流和电压，然后用作图法和计算法分别去描绘小灯泡的伏安特性曲线、计算出金属丝的电阻率和电源电动势和内阻。滑动变阻器、电流表和电压表在电路中有不同的接法。

（一）滑动变阻器电路的选择

1.限流电路（如上图左）

当移动滑动变阻器滑片时，可以改变电路中的电阻，从而控制用

电器的电流和电压。设电源电压为e，用电器（小灯泡、金属丝、变阻器）的电阻、电流、电压分别为r、i、u，滑动变阻器的全值电阻为r0，

1）当滑动变阻器滑片p滑到右端时，用电器上的u、i均为最大，其最大值分别为e、e/r

2）当滑动变阻器滑片p滑到左端时，用电器上的u、i均为最小，其最小值分别为er/（r+r0）、 e/（r+r0）

综上所述，限流电路的电流和电压调节范围分别为

u： er/（r+r0）——e

i： e/（r+r0）——e/r

由上式可知，限流电路的电流和电压调节范围与滑动变阻器的全值电阻r0有关，在e、r一定的情况下，r0越大，电流和电压调节范围越大；当r0比r小得多时，电流和电压调节范围都很小。

2.分压电路（如上图右）

1）当滑动变阻器滑片p滑到右端时，用电器上的u、i均为最大，其最大值分别为e、e/r

2）当滑动变阻器滑片p滑到左端时，用电器上的u、i均为最小，其最小值分别为0、0

综上所述，限流电路的电流和电压调节范围分别为

u： 0——e

i： 0——e/r

由上式可知，限流电路的调节范围均与滑动变阻器的全值电阻r0

无关。

3.两种电路的比较

1）两种电路都可以控制用电器上的电流和电压，两种电路的电流和电压调节范围的上限相同（u、i的上限均为e、e/r），而下限不同，限流电路的电流和电压调节下限为er/（r+r0）和e/（r+r0），而分压电路的电流和电压调节下限均为0，所以分压电路的电流和电压调节范围都大于限流电路的调节范围。

2）限流电路简单，通过电源的电流小，使用同一滑动变阻器和同一用电器时，限流电路消耗的电能小于分压电路消耗的电能。3）当r比小r0得多时，限流电路的电流和电压调节范围分别近似为0-e和0-e/r，两种电路的电流和电压调节范围差别不大。4）当r比大r0得多时，限流电路的电流和电压调节范围的上限和下限相差不大，即调节范围很小；但分压电路的调节范围仍然较大。

4.两种电路的选择

1）当用电器电阻r比滑动变阻器的全值电阻r0小或差不多，且实验要求的电压变化范围不太大时，一般选择限流电路

2）当用电器电阻r远大于滑动变阻器的全值电阻r0，且实验要求的电压变化范围较大时，一般选择分压电路

3）若采用限流电路，电路中的最小电流仍然超过用电器的额定电流时，必须选择分压电路

4）实验要求电压或电流从零开始连续变化时，必须选择分压电

路

5）当两种电路都能满足实验要求时，从能耗考虑，应优先选用限流电路

（二）电流表、电压表测量电路的选择

r

电流表、电压表测量电路有电流表外接法（如上图左）和电流表内接法（如上图右），由于电流表和电压表内阻的影响，两种电路的测量值和真实值之间存在误差。设电压表内阻为rv，电流表内阻为ra，待测电阻真实值为r，测量值为rn

1.电流表外接法的相对误差：测量值 rn =u/i=rrv/（r+rv）相对误差 n =（r-rn）/r

=r/（r+rv）

≈r/ rv

2.电流表内接法的相对误差：测量值 rn =u/i=r+ra

相对误差 n =（r-rn）/r

= ra/r

3.两种电路的误差比较：为了测量精确，减小实验误差，

1）当（r/ rv）〉（ra/r）时应选择电流表内接法电路；

2）当（r/ rv）〈（ra/r）时应选择电流表外接法电路。

二、实验电路选择

1. 在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，因为小灯泡在实验范围内的电阻较小，所以采用电流表外接法，为使小灯泡上的电

压能在较大范围内调节，变阻器采用分压电路，实验电路如下图左。

2. 在“测金属丝的电阻率”，实验中，因为金属丝的电阻值较小，所以采用电流表外接法。由于电路对电流和电压的调节范围要求不大，变阻器在电路中采用限流电路，实验电路如下图中。

3. 对于“测电源电动势和内阻”的实验，由于电池的内阻比电压表内阻小得多，与电流表内阻差不多，所以采用电流表内接法。而且利用滑动变阻器改变电路中的电流，滑动变阻器在电路中采用限流电路，实验电路如下图右

参考文献：

[1]廖伯琴主编，普通高中课程标准试验教科书--物理（选修

3-1），山东科学技术出版社出版