电学实验中的电路设计

中图分类号：G42 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2012）12-0136-02

实验中的电路设计是考查实验知识和实验能力的综合应用能力题，有利于激发学生发散性思维、开发学生智力和提高学生的综合科学素质。这部分内容是高中物理实验的重点和难点，也是高考的热点内容。本文结合具体实例谈谈处理这类问题的几点做法。

1.明确实验的目的，对所学知识进行广泛的联系。首先，对于电路设计题目，要明确是测定什么物理量，探索什么物理规律等，这是实验目的，也是电路设计的基本出发点。目的明确后，再应用所学物理知识进行广泛联系，看看被测物理量、探索的物理规律，在所学内容中与那些物理现象、物理规律有直接或间接的联系，并通过物理现象、物理规律及定理表现出来。

2.选择方案，简便精确。一个实验电路设计可能有多种方案，应如何选择主要有三个原则：①简便性原则：即所选方案原理简单、操作简便，各物理量必须易测量。②可行性原则：即对所选方案操作时必须安全可靠，实验器材必须易置备。③精确性原则：即在选择方案时，必须对各种可能方案进行简单误差分析，尽可能选择精确度高、能多次测量的方案。对于上述三个原则通常要综合考虑。

3.依据方案，选定实验器材，设计出实验电路的原理图。实验方案选定后，应考虑该方案需要哪些装置、测量工具，被测物理量与哪些量之间有直接定量关系，这些物理量分别用什么仪器来测量。从而确定整个实验需要哪些器材，根据器材及测量物理量的关系设计出电路原理图。以下用三个实例来说明如何进行电路设计。

例1. 从下表中选出适当的实验器材，设计一电路来测量电流A1 的电阻r1，要求方法简捷，有尽可能高的测量精度，并能测得多组数据。

（1）画出电路图

（2）若选测量数据中的一组来计算r1，则所用表达式为r1=_________。

分析与解答：这是一个比较全面考察学生实验能力的电学设计题。

①器材的选择：由于E=1.5V比电压表V的量程10V小很多，若用电压表V读数误差比较大，故电压表V不能选择。根据实验要求和所给的器材以及被测电流表A1内阻r1电路的特点应选择除电压表V外所有器材。

②电流表连接：电流表A1和A2有两种连接方式，当A1和A2串联进入电路时，电路中最大电流Imax=E/（r1+r2）=1.5（40+750）1≈1.8mA

对A2来说大大超过其量程，则应采用A1和A2并联方式连入电路。这时电路中最大电流Imax=1.5/40≈37mA都超过了A1量程，必须选用电阻R1串联分压。

③滑动变阻器R2连接：变阻器R2采用哪种联接方式，由于R2全电阻为50Ω，而A1和A2并联后与R1串联的总电阻最大值约为140Ω，与R2的阻值相当。若用串联限流联接，A1和A2两端电压变化范围小，不能进行多次测量，故必须采用分压联接方式。

④电路原理图如图1所示。且r1= I2r2/ I1，其中I1，I2电流表A1，A2的读数。

例2.如图2所示：P是一根表面均匀地镀有很薄的发热电阻膜的长陶瓷管（其长度L=50CM左右，直径D为10CM左右），镀膜材料的电阻率ρ已知、管的两边有导箍 MN。

现给你米尺，电压表V，电流表A，电源ε，滑动变阻器R，电键S和若干导线。请设计一个测定膜层厚度的实验方法，并画出测量电路图和写出计算膜层厚度公式。

分析与解答：这是利用所学过的物理知识巧测

很薄物件的厚度，是一道理论联系实际的好题。学生可以根据所学的实验知识和掌握的相关知识即欧姆定律进行测量。

根据欧姆定律：R=U/I=ρL/S…………①

我们可以把这根管型空心导体的环形截面等效成一个矩形截面，其长为环的圆周长：πD。由于膜很薄，d ≈0，故πD与平均圆周长π（D-d/2）相差甚微。

因此它的截面积S=πDd……………②

由① ②联立解得 d=LρI/πDU

由上式可知：实验中应测量L、D、U、I等物理量可以由所给实验仪器进行直接测量，测量电路如图3所示。

例3.测量某未知阻值电阻Rx的值。已知Rx约为5Ω左右，另有导线若干，各器材数目均只有一个。下表给出可供选择器材。请画出你所设计的实验原理图，并标明所选器材的规格或代号。

分析解答：本题是一道比较全面地考查电学设计实验题、涉及设计方案较多。

方案一：应用伏―安法测电阻，如图4。

选择R2还是选R1要从实验安全方面的考虑。R2与G表，可改装出3伏左右的伏特表；R1与G表只能改装出0.3伏左右伏特表，这样小的伏特表既不能安全实验，也不能进行精确测量。安培表外接而不内接，是处于对实验结果精确程度的考虑，因为改装后的伏特表内阻远大于Rx，这样测量系统误差较小。选A1表不选A2表，是处于精确读数的考虑。A1、A2诚然都能满足安全要求，但小量程表读数相对误差要小得多，显然这是精确原则的应用、R3作为控制线路的主元件，其控制电压方便与否，与R3、Rx值相对大小有关。当两电阻相近时，为了线路简单、经济，控制电路宜用限流器式，这是主要出于实验操作是否方便的考虑。

方案二：应用全电路欧姆定律测电阻。如图5。

原理：先将Rx短路，调R1，先测得 I1再测得I2由全电路欧姆定律得：

ε =I1（r+R1+RA）…………...①

ε=I2（r+R2+Rx+RA）……………②

由①、②可求Rx。

讨论：为何用R1不用R2显然考虑了测量方便，因为R1调节时能用到0.1欧变化，对电流调整是有利的。图5与图4比较，主要考虑了节省器材原则，这可说是经济原则的应用。

还有几种设计方案，在此不再赘述。

从上述三个实例分析可知：电路实验设计题其设计思路、方法一般都来源于教材，要求用学过的物理知识、原理、实验思路、方法设计出合理的方案。因此在教学中或者复习过程中要特别注意对所学过电学实验问题的多种方法、远离的优劣、电路联接式的选择方法以及有关的实验注意事项进行归纳总结。从中体会多种方法的优劣，养成发散性思维的好习惯，才能比较顺利完成实验设计问题。

总之，选择电学实验设计方案，通俗点说其实就是要求安全，误差小，仪器少，耗电小的原则。注意大方向：限流电路注意大电阻作粗调，小电阻作微调。分压电路则相反，小电阻作粗调，大电阻作微调。并注意分清电流表内外接问题，各仪表量程等，注意总结和提升学过的实验，才能做到思路清晰，沉着应战。