建立功能电路观点解决电路实验问题お

田鹏

高中电学实验问题形式多样，变化灵活，是学习的难点所在.学生在做电学实验题时往往不能理解实验原理，不会画实验电路图，无法根据实验条件进行计算以完成实验目的，在教学中发现这类题目学生得分率极低.针对这种情况，本文从电路模型的建立和对功能电路的识别出发，给出一种解决电路实验问题的思路.

1功能电路

按照功能划分电路，是电子线路的观点，将此观点运用于高中电路的学习，有助于搞清楚电路各部分的作用，实践证明，这种观点和方法是卓有成效的.高中阶段按照功能电路的观点来看，电路可分为四种或四部分，分别是供电电路，测量电路，保护电路和校对电路，其中主要的是供电电路和测量电路.

1.1供电电路

顾名思义，供电电路负责给电路供电，一般包括电源和滑动变阻器两个元件.供电电路有三种方式：

第一种是初中学过的、拿电源直接给用电器供电；

第二种就是高中学过的分压式供电电路，如图1所示；

第三种就是限流式供电电路，如图2所示.

关于供电电路是选择分压式还是限流式已有多篇文章分析过，本文不再赘述，只用16字简单总结一下：零起必分，滑小必分，滑大可限，烧表必分.

1.2测量电路

顾名思义，测量电路负责对电路中的相关量进行测量，因为高中物理中的电学测量工具只有电压表和电流表及万用电表，故而测量电路这部分主要就是伏安电路.由于电表本身有内阻，方法上又分为外接法和内接法，外接法适合测量小电阻，测量值小于真实值，内接法适合测量大电阻，测量值大于真实值，可简单总结为“外小内大”.需要注意的是，测量电路它具有的就是测量功能，故而电路中相关量的测量与计算只看这部分电路即可，不需去管供电电路.

1.3保护电路

保护电路实际上就是一个电阻，它负责保护测量电路.一般是在供电电路和测量电路对接的时候接保护电路即可.

1.4校对电路

这种电路主要是在把电表改装后需要与标准表进行校对，校对不仅仅是把改装表和标准表连在一起就行了，我们需要给它提供一个完整的电路，这个电路就叫校对电路.

有了功能电路的思想后，我们再看电学实验主要测什么.

2三个测量

高中电学实验归纳起来就是三个测量：测电阻，测电表，测电源.

测电阻就是测量电阻的阻值，测电表就是测非理想电表的内阻，测电源就是测电源电动势和内电阻.那么这些量的测量各有几种方法？

2.1测电阻

测电阻可归纳为以下几种方法： ①欧姆表法；②电阻的决定式；③伏安法；④比例法；⑤等效替代法.

其中等效替代法不仅是高中物理任何一个实验都可以用的方法，更是一个用途广泛、道理简单、使用方便的方法，应该引起我们的高度重视.

2.2测电表（的内电阻）

测电表可归纳为以下几种方法：①欧姆表法；②伏安法；③比例法（半偏法）；④等效替代法.

由于测电表的内电阻本质上仍然是测电阻，故而测量方法与测电阻的方法基本一致.但是电表本身能够自报读数，在知道电表内阻的情况下可以伏安互换，一表三用，就又衍生出了许多测量方法，但仍然体现了测电阻的共性方法.

2.3测电源（的电动势和内电阻）

测电源可归纳为以下几种方法：①两表一电阻；②一表两定阻；③理想电表法.

该实验从原理上来讲就是闭合电路欧姆定律，需要关注测量电路，对闭合电路欧姆定律变形得出符合图象的函数表达式，结合图象由斜率和截距等来求电动势和内阻.

3举例说明

例1实验室备有以下器材：

待测电阻Rx；

不能看作理想表的电流表A；

不能看作理想表的电压表V；

滑动变阻器R1；

电阻箱R（最大阻值大于待测电阻的估计值）；

低压直流电源，导线、开关若干.

（1）利用所提供的器材，设计一个测量R的实验方案，要求避免由于电压表和电流表不能看作理想表对实验造成的误差.画电路图.

（2）简述实验原理、实验步骤.

解析首先明确实验目的就是测电阻，但题目中给的是非理想表，而且要避免由于非理想表引起的误差，那么在测电阻的五个方法里面筛选，欧姆表法和电阻的决定式法不能用，伏安法必须考虑电表的内阻，也不能用，剩下的就是[TP1GW113.TIF，Y#]比例法和等效替代法，很显然，等效替代法是最简单的，因此从方法上选择等效替代法.

接好的电路如图3.

在等效替代法中，被测物和替代物不能同时接入电路中，因此我们用了两个开关加以控制.要让它完成实验必须要有供电，我们用了一个限流的电源.

主要的实验步骤就是：（1）闭合总开关S3，然后闭合S1，使被测电阻Rx接入电路，读出电流表的读数；（为了读数方便，我们可以调节滑动变阻器得到一个比较方便的读数，其实这个地方的电流表只起一个记录的作用） （2）断开S1，闭合S2，使电阻箱接入电路，调节电阻箱，使电流表的示数重复出现，这时电阻箱的示数就是待测电阻的阻值.

我们完成一个实验，首先要知道它测什么，知道这个测量有几种方法，再根据已给出的器材就能够决定我们用什么方法，就能够画出相应的电路图.

例2从下表中选出适当的实验器材，设计一个电路来测量电流表A1的内阻.要求方法简洁，有尽可能高的测量精度，并能测得多组数据.

（1）画出电路图，标明所用器材代号；

（2）若选测量数据中的一组来计算，则所用的表达式是什么？各符号的物理意义是什么？

[HT6][WB]器材：[WB]规格：

[DW]电流表A1（待测物）[DW]量程10 mA，内阻r1待测（约40 Ω）

[DW]电流表A2[DW]量程500 μA，内阻r2=750 Ω

[DW]电压表V [DW]量程10 V，内阻r3=10 kΩ

[DW]电阻R1[DW]阻值约为100 Ω做保护电阻用

[DW]滑动变阻器R2[DW]总电阻约为50 Ω

[DW]电池E[DW]电动势1.5 V，内阻很小

[DW]电键S

[DW]导线若干

解析首先明确实验目的是测电表内阻，那么思考改用什么测量方法呢？由测电表的四种方法，很多同学容易想到伏安法，那么我们画出伏安法的测量电路这一部分，一般有三种画法： 我们比较三种做法，第一种（见图4），原理正确，但被测物是电表，可以自报读数，只需要再测出表A1的电压即可，这里多用了一块电表，不符合“方法简单”的要求；第二种（见图5），比第一种简单，但根据已知条件电压表的量程是10 V，电源的电动势是1.5 V，即使将电源直接接到电压表上，表针的摆动幅度也只有1.5/10格，无法达到比较高的测量精度，这个缺点在第一种图中也同样存在；第三种（见图6），因电表A2的内阻已知，所以可以把它当电压表来用，即伏安互换，互换之后的量程是否满足要求呢？根据已知条件A1的满偏电流10 mA，内电阻约为40 Ω，那么这个表的满偏电压是0.4 V.A2的满偏电流500 μA，内电阻750 Ω，那么这个表的满偏电压0.375 V，量程相近，满足题目要求.

由于被测量的表达式只由测量电路决定，与其它电路无关，所以画出测量电路后，被测物理量的表达式自然出现，

下面我们看该电路的其它部分：

在图7中使用的是限流式的供电电路，用分压式可以吗？当然可以.用电源直接供电呢？不行，因为它不能满足题目测量多组数据的要求.

另外，保护电路就是一个电阻（见图8），在测量电路和供电电路对接的时候加上这个保护电阻即可，教学中发现，很多学生不能识别定值电阻的用途，不知道它是做保护电路使用，故而出现了许多不应该出现的问题.

例3如图9所示，图中E为直流电源，R为已知电阻，V为理想电压表，其量程略大于电源电动势，S1和S2是开关，现要利用图中电路测量电源的电动势E和内阻r，试写出主要实验步骤及结果的表达式.

解析实验目的是测电源电动势和内电阻，题中给了一个理想电压表，并且量程大于电源电动势，筛选测电源的方法，可以用理想电压表直测.把S1断开，S2闭合，则电压表的读数U1就是电源电动势.

内电阻怎么测呢？再闭合S1，此时外电路闭合，电压表测的就是路端电压而不是电动势了，电压表读数记为U2，然后根据闭合电路欧姆定律即可求出内电阻.得E=U1，r=[SX（]U1-U2[]U2[SX）]R.

以上三个例题较典型的说明了用功能电路的观点解决电路实验问题的基本思路，教学中要缓慢渗透，通过典型例题使学生建立起阅读电路的基本思路，进而把电路划分成各功能部分，明确各部分的作用，才能较好的解决电路实验问题.