探究高中电学实验电路的设计

王晟晔

摘要：高中物理是高中生学习的难点与重点，而物理学习的过程中，电路设计是我们必须掌握的知识点，也是学习必须具备的实验技能，其重点和难点是选择线路连接所需的设备与方式，并把这一知识在实际生活中应用。

关键词：高中物理；电路设计；实验仪器

高中物理的电路设计，是运用伏安法测试线路中的电阻，以及电源的动势，测试内阻，再根据测量到的数据，画出电路曲线。过程中，必须选择合适的电路设备，科学设计电路，并要求我们遵循相应的原则，设计电路，完成高中物理实验。

一、高中电学实验电路设计应遵循的原则

1、明确目标。在正式进行物理实验前，首先我们应明确物理实验的目的，并了解实验或题目给出的信息，分析实验有哪些电学规律，确定实验进行的目标。而明确实验目标的同时，需以实验的前提条件，了解实验最终的目的。

2、合理设计方案。一般来说，不管是进行课上实验还是考题，选择实验方式都应注意以下几点：首先，安全性。从众多方案中选择某一个方案时，必须考虑该方案是否会对实际操作者带来生命威胁，影响身体健康；其次，科学性，设计方案的内容必须符合物理理论，若与物理理论不符，极有可能出现相反的实验结果；再次，缩小误差，实验仪器的选择可在某种程度上决定实验结果误差的大小，所以，我们选择实验设备时，应选择合适的材料，以减小误差；接着需考虑方便性，实验方案应便于操作，过程简单，中途操作人员可及时搜集数据，观察实验进度，保证数据的真实、准确；最后，可操作性，整个电路的设计，必须考虑的一点是，器材是否具有可操作性，以及可操作性的高低，比如滑动变阻器的选择，需要考虑它阻值的大小与额定电流，以满足这两个条件为前提，再考虑其是否方便携带[1]。

二、电路设计实验器材的选择

对于器材的选择，必须以相应的原则为标准，以控制最后实验结果的误差。即所有实验设施的选择都必须以缩小实验误差为前提，从而让电流表内的电流达到最大，确定每个设备的量程，确保仪器上的指针在某种范围内有偏转，整体偏幅超过三分之一。同时，器材的选择也需根据实验的真正要求，选择仪器。比如我们高中的物理实验，该实验中是用仪器测量金属的电阻，我们可以使用的仪器有电流表、电池组、电压表，滑动变阻器、导线和开关，其中，电流表与电压表各有不同的电压和电阻，由此，提出的问题是，为尽量缩小实验误差，我们需选择哪几个仪器？

由此，对于仪器设备的选择，我们可以总结出以下几点：选择设备时，应符合实验要求，了解实验的前提条件，以条件为基础综合分析，进而选择最合适的仪器，最终达到缩小实验结果的误差。其需遵循以下原则和步骤。

原则：可行性，满足实验的客观条件，符合预期的学习目标，把仪器的量程、电流控制在设定范围内；准确性，选择精度较高的测量工具，但也要根据实验内容，选择合适的精度即可，从而完成预设的目标，比如电表，要求它的真实读数超过量程的一半；操作性，实际操作中，必须把便于调节作为前提。

步骤：从众多器材中找到适用的器材，画出电路建议设计图，在滑动变阻器为最小值时，估算出最大值，随后，确定电流表与电压表的量程，但两者的量程必须在电表的量程内，表针的偏转范围较大[2]。

三、高中电学实验的电路设计

通过对上述两点的分析，我们可以明确电路设计应遵循的原则，以及如何选择仪器设备，并以此为前提，分析了电路设计的步骤。

1、学习目标。在学习的过程中，我们需要了解电路由哪几个部分组成，以及每部分在电路的中的作用；分析电压表、电路表产生的内阻可让电路有哪些变化，根据实验提出的要求，选择相应的设备；充分了解各个原理，设计电路。

2、过程与方法。课上，我们通过电子白板的学习，用自己的思维，完成电路设计，并不断进行尝试，修改设计方案，多次修正，从多个方面分析问题。如此，我们可提高自身的知识运用能力，用其解答生活中遇到的问题，做到学以致用，加深对知识的理解，同时，我们设计电路时，也可以在原有方式的基础上不断创新，培养自己的创新思维，把自己学习到的知识迁移。另外，我们有时也会用小组的方式合作设计，当小组内的一人对另一人的想法提出质疑时，整个小组都会表达自己的看法，最终找到最佳方案，设计电路。

3、電路连接方式。我们从测量、控制两方面为出发点，完成电路设计，在实验的过程中，也会根据老师对自己的指导，纠正错误，在多个思路的的碰撞中，找到新的设计方法。

（1）外接法和内接法。我们可以选择的电路连接方式有两种，一种是外接法，另一种是内接法，两种方法的简易电路图为：

这两种电路的设计方式都有一定的误差，故选择其中一种电路连接方法连接时，都需要根据电压、电流的数值，选择其中一种，而如果电力、电压的数值是准确的，整个操作没有误差，两种连接方式都可以使用，但如果数值是不确定的，需以实际情况为前提，综合分析，选择误差最小的连接方式。其选择情况如下：

首先，如果已知的数值是电表估算出阻值，且电阻阻值为RX，伏特和安培表产生的内阻分别是RV、RA，前者小于后者，可用外接法连接，如果情况相反，可用内接法连接[3]。

其次，如果电阻的阻值无法确定，可先用试触法测量，即把电压表接入电路，左侧连接a图中左侧的点，右侧第一次连接安培表前面的点，第二次连接安培表后面的一个点，记录电压表的数值，如果阻值的变化较大，即为大电阻，可用内接法连接，若变化较小，说明电阻较小，可用外接法连接。本段中提高的电阻大小，是其相对变化。

这两种接法在实际问题应用时，可以快速解题。比如，已知电路中的电压恒定，当测量设备接入安培表前面的一点时，电压为10V，电流为0.2A，接入安培表后的一点时，电压为12V，电流是0.15A，设备接入电路时，用哪种接法可以让结果更加准确。其答题过程是：△I=0.05A，△U为2V，而后用△I除以I，得到的结果是0.25，用△U除以U，得到的结果是0.5，0.25小于0.5，故电压变化较为明显，但因为某个条件，用外接法连接后得到的结果会更加准确。endprint

（2）限流式与分压式。限流式和分压式是针对滑动变阻器的设计来说。为让电路原有的电压发生变化，我们可用把滑动变阻器加入到电路中，与电路相连，从而控制电路变化。其中，限流式分布是把所有设备都用一根导线连接，把需要测定的电阻、电源、滑动电阻器用串联的方式连接，而分压式则是用导线连接电源与滑动变阻器，让其变成一个闭合电路，与原有的电路用并联的方式连接。

选择哪种方式作为连接的方法，是由某些特定的情况决定。我根据自己日常学习积累的知识，总结出以下几点：首先，如果实验提出的的要求是，电路中的电压和电流开始值为0，需用分压接法连接；其次，如果实验需要的电压、电流是多组不同的数据，也可以使用分压接法；再次，若滑动变阻器的数值经过测量后，在电阻器内的电阻一半范围内，可用分压接法，如果用限流式接法，会增加调节的难度；接着，限流电路接通后，电路产生的最小电流或者是电压，超过电路可承受的范围，并大于量程，需及时调整电路的连接方式，用分压式连接。最后，如果两种连接方法都可以使用，可以把限流式作为首选，其原因是，这种连接方法更加省电。

其应用的例子为：电路中的电阻是RX，阻值最小是100Ω，最大为200Ω，额定功率是0.25W，如何用伏安法测出其准确的电阻值。其使用的器材包括电流表、电压表和变阻器，完成电路设计。

其中，安培表是用A表示，电压表为V，变阻器是R，三者有各自的量程与电流值，且电路中三者均为两个。A1的量程是50mA，电阻为100Ω，A2对应的量程和电阻为1A、20Ω；V1的量程和电阻是5V与10Ω，V2的量程是15V，电压是30kΩ；R1电阻最小为0，最大是20Ω，R2的最小电阻依然为0，但最大电阻从20Ω变为10Ω。使用的是9V的电源及数量不等的导线。

其解答过程是Ie≈0.05A，转化后变成50mA，故使用的电流表是A1，使用的电压表是V1。而滑动变阻器的电阻应靠近RX，范围放在10Ω以内，如果过大，可能增加调节的难度。随后，我們设计电路图时，因为电流、电压都是准确的数值，故能够做到缩小误差，可以使用外接与内接两者两种方法，并用分压式接入滑动变阻器。

结语：电学实验电路的设计，可考查我们学习能力的高低，同时也是高考考试的重点，虽然这类问题对于我们来说有一定的难度，但只要我们积极接受老师的引导，明确电路设计的方法与原则，即可掌握学习的重点和难点，选择合适的仪器，以提高自身知识的实际应用能力，做到学以致用。

参考文献

[1] 刘立轩.高中物理电学中电路与器材的选择分析[J].中外企业家，2015，36：224.

[2] 林明华.高中电学实验电路设计与器材选择的两个视角[J]. 教学与管理，2016，04：55-57.

[3] 杨军.探究双控电路在生活中的实用案例[J].中国商界（上半月），2009，04：157+153.endprint