高中物理电学实验器材和电路的选择分析

吕少永

摘 要：电学实验是高中物理教学的重要环节，主要包括实验器材选择和实验电路选择两个部分。依据安全、适用、方便、准确的基本原则，合理选择实验器材和电路。在明确实验目的的基础上，按照实验方案和实验步骤完成具体的物理电学实验。

关键词：高中物理 电学实验 器材 电路 选择

电学实验在高考中的占比不断增加，这就要求教师应更加有针对性地展开电学实验教学。电学实验的基本要求就是保证器材的安全，在器材安全的基础上可供选择的实验器材有很多。教师应根据实际教学要求，选择合理的实验器材和电路，这也是电学实验的重点。

一、基本原则

1.安全原则

安全原则是电学实验的基本原则之一。安全原则就是在电学实验的进行中，要确保实验器材的安全，避免出现器材损坏及电路烧毁等问题。在电学实验教学中，常见的安全问题主要包括电流表烧毁、电压表烧毁、接线柱接反、读数超量程等。这些安全问题不仅会造成实验结果的不准确，还会导致器材的损坏，甚至危及实验人员的人身安全。因此，在电学实验教学过程中，教师要明确强调安全原则，确保学生执行到位。

2.适用原则

适用原则就是选择的器材或电路应确保实验的顺利进行，避免出现读数超量程等问题。适用原则主要体现于器材选择和电路选择。

3.方便原则

方便原则的出发点就是方便实验的顺利进行，即在安全原则和适用原则的基础上，合理选取实验器材和线路，尽量简化实验连线图。方便原则主要体现在滑动变阻器、限流电路和分压电路的选择上。

4.准确原则

准确原则就是电学实验的数据和结果应当尽量保持精准，最大程度地降低实验误差。在物理电学实验中，准确原则也是其他类型实验的基本要求之一。准确原则主要涉及实验器材选择的准确性和实验线路选择的准确性两个部分。一般情况下，为了确保实验的准确性，可以根据电学实验给出的已知条件，对电流、电压等进行粗略估算，再根据估算结果选择适当的实验器材和电路。

二、电学实验器材选择

1.电源

电源是高中物理电学实验的关键器材，电源选择是否合理直接关系到实验的成功与否。电源选择要根据实验的实际要求而定，如果实验要求交流电源，那么就应该选择交流电源;如果实验要求直流电源，那么就应该选择直流电源。此外，还应根据实验电路的用电需求，选择大小合适的电源（如6V或12V等）。在高中物理的常见实验中，打点计时器一般使用低压交流电源，电火花计时器一般使用50Hz交流电源，描绘等势线的实验一般使用6V直流电源，测量内电阻或电动势一般使用干电池。

2.电压表和电流表

在高中物理电学实验中，电流表和电压表是最常见的两类实验器材，选择相应的仪表时应注意电压表和电流表的最大满偏值是多少，电流流经的方向怎样。不论是选择电压表还是电流表，通常都要按照下面的三个基本原则进行。

（1）电源参数。电源参数是选择电压表和电流表的一个重要参考对象，根据电源参数，基本上可以确定电压表或电流表的量程范围。如在测电源内阻时，一般选用干电池做实验电源，此时选择一个3V电压表就能满足工作需求了。

（2）最大电流。在实验电路中，根据接入的实验器材、电路器材和电路连接方式就可以初步确定电路电流的最大值，再依据该最大值就可以选择适当的电流表了，选择的电流表量程只需适当大于最大电流即可。

（3）额定电流或电压。在某些电学实验中，实验器材具有一定的额定值，如额定电流、额定电压以及额定功率等。对于这些具有额定参数的器材，就可以根据其额定值选择对应的电压表或电流表。

3.滑动变阻器

电压和电流在实验中的确切变化范围，是选择滑动变阻器的关键参考因素。首先，要选择符合电压和电流变化范围的滑动变阻器;其次，要考虑实验的安全性。由于滑动变阻器阻值可变，且滑片没有明确的阻值标定，在操作中容易出现阻值调节范围超出预定的情况，可能导致仪表器材出现毁损。最后，滑动变阻器的使用应该满足准确性的要求，即滑动变阻器在实验线路中的接法应该根据电学实验的实际需求来确定，避免滑动变阻器因接入方法不合理而导致实验结果出现较大误差。

三、电路选择

1.分压电路

分压电路是高中物理电学实验的一种常见电路，主要使用的实验器材包括电源、滑动电阻、定值电阻、电压表、电流表和开关。分压电路可以对电源两端的电压进行分别承担，即滑动变阻器承担一部分电压，定值电阻承担一部分电压。分压电路的总电压产生了分流，进而降低了定值电阻的电压损失，对提升实验精度具有积极作用。在实验中，分压电路往往串联着滑动电阻和定值电阻，电压表加在定值电阻两侧，电流表和定值电阻进行串联。具体接入法如图1所示。

图1  分压电路实验接线示意图

根据图1所示，a，b两端可以对定值电阻进行供电，通过滑动变阻器滑片实现电压调节。使用分压接法时，定值电阻的阻值通常较大，滑动变阻器可以在有效范围内对其进行调节。分压电路的特点如下：

（1）通过滑动电阻和定值电阻的电流是相同的，即定值电阻电流、滑动电阻电流、电流表电流及电源电流都是一致的。

（2）各电阻的电压和等于总电压。

（3）各电阻之和等于总电阻。

2.限流电路

限流电路和分压电路在功能上具有明显的区别，其对电路的电流进行了限制，通过调节滑动变阻器，可以实现定值电阻电流的变化。由于两种电路的器材使用一致，所以区别就在于变阻器的具体接法上。在限流电路中，滑动变阻器和定值电阻是并联的，通过调节滑动变阻器的接入阻值，可以实现定值电阻电路中电流的改变，限流电路的常规接入法如图2所示。

图2  限流电路实验接线示意图

由图2可知，限流电路和分压电路的明显区别就是滑动变阻器的接法。根据限流电路的接法，定值电阻的阻值较小，滑动变阻器首先处于最大阻值处，通过逐步调节使其达到合理状态。

限流电路和分压电路设计的基本思想存在着明显区别，效用也存在较大差异。分压电路有更强的调节能力，而限流电路则有更小的电能损耗。在不同的实验环境中，这两种电路都可以发挥其显著效用，要根据实际情况进行合理选择。

3.基本实验流程

实验流程在电学实验展开之前就应该进行全面的设计。

首先，明确实验目的。实验目的是指引教学活动的关键因素，在展开电学实验前，就要明确实验目的。如“小灯泡伏安特性曲线”的实验目的就是掌握小灯泡的伏安特性，明确伏安关系。

其次，设计实验方案。设计实验方案是保证实验顺利进行的重要工作。设计实验方案时应该遵循三个基本原则：

（1）实验方案的设计要确保可行性，即通过现有实验器材能够完成实验内容。

（2）进行方案设计时，应对实验操作器材的选择方法和标准作出规定。对于部分难度较大的实验，可以直接罗列出所需的实验器材。

3.优化实验设计方案，简化电路设计和器材的使用，降低实验操作难度。

最后，操作实验。实验操作过程可以分为三个步骤：一是挑选器材，二是连接电路，三是测量数据。学生如果能认真执行这三个基本步骤，就可以高效地完成电学实验。

四、结束语

高中电学实验主要涉及器材和电路两个方面的内容。不论是器材选择还是电路选择，都应该遵循从安全、适用、方便、准确的基本原则，根据具体实验、需要确定实验器材和电路，按照基本实验流程展开实验。电学实验只有依据一定的原则和规范，才能保证高中物理电学实验教学的高效。

参考文献

[1]王光毅.高中物理电学实验器材和电路的选择[J].物理教学探讨，2010（8）.

[2]薛录军.高中物理电学实验器材和实验电路的选择[J].成功（教育），2007（9）.