一种改进惠斯通电桥和交流电桥实验教学效果的简单方法

秦正波

(安徽师范大学 物理与电子信息学院,安徽 芜湖 241002)

物理学是一门以实验为基础的科学，在电学实验中惠斯通电桥和交流电桥实验是两个典型的基础物理实验。其中惠斯通电桥可用来测量中高阻值电阻，其测量范围通常为10～106欧姆，该方法具有测量精度高，稳定性能好和操作简便等优点，在电阻、电容、电感、长度、温度、液位和压力等方面应用广泛[1-5]。在大学物理实验中一般采用自组惠斯通电桥测电阻，让学生系统地进行原理学习、电路设计和实验研究，被列为最重要的基础性电学实验。

前人主要集中在电桥灵敏度的提高和误差分析等方面进行了研究[6-8]，对实验电路本身的组建过程的教学效果鲜有讨论，导致学生缺乏对实际电路的结构理解和动手组建电路的能力的培养。本文本着以培养学生电路的实际操作能力和电路设计方法为目标，通过引入电路设计中的两点小技巧，让学生熟知电路结构并快速准确组建电路，以进行后续的实验研究。教学实践证明，学生组建电路主动性大大提高，建立电路的时间大大缩短，准确率大大提高(几乎100%)。本教学实验主要使用的方法有：电路模块化，线色标识法和类比法，本实验中所用方法可推广到类似的实验教学中。

1 原 理

惠斯通电桥原理如图1所示。

图1 惠斯通电桥

R1、R2、Rs和Rx构成该电桥的四个桥臂，E为电源，在线路B、D之间接入灵敏检流计G，用于指示电桥平衡。设定好R1和R2阻值，调节Rs使B、D之间电位相等，则检流计G示数为0(即IG=0)，此时电桥达到平衡，满足以下电压电流条件：

UAB=UAD；UBC=UDC；Ix=Is；I1=I2

因此有：

IxRx=I1R1；IxRs=I1R2

上述两式相除得到电桥平衡条件：

将上式改写为

通常调节比例系数k值和Rs值使电桥平衡，即可根据上式求出待测电阻Rx。

2 组建电路

基于对原理的理解，在课堂中规定时间内完成自组惠斯通电桥测电阻实验，电路组建方法尤其重要。通过仔细分析电路结构，让学生有意识地学会电路分层并准确快速组建好电路。具体教学方案如下：类似于复杂电路的模块化设计方法，我们可将该电路及类似桥式电路拆分为三个独立的模块：(1)电源模块I；(2)电桥模块Ⅱ和(3)电桥平衡检测模块Ⅲ。对每个独立的电路模块学生几乎都能100%准确完成，组建各独立模块示意图如图2(a)～(c)所示。

图2 惠斯通电桥模块化示意图

接下来的电路连接问题大都出现在线路A、B、C和D的寻找和识别方面，如何准确地把模块I和III接入模块Ⅱ中，不少学生由于错误辨别这A、B、C和D这四个线路常常导致连接错误。为了更加快捷便利地识别各模块，我们采用线色标识的方法将电路中各个关键点标识。例如图2(a)所示，电源模块用绿色线连接标识，图2(b)中电桥2对对角桥臂电阻各用一对红色线和一对蓝色线连接标识，图2(c)中检流计两端用一对黑色线连接标识。

图3 实际电路连接示意图

接下来仔细观察图2(b)电路连接线颜色可知，电源模块I只需连接电桥模块Ⅱ上的一对蓝色线，无须仔细辨认A点和C点。同理，检流计即检测模块Ⅲ连接电桥模块Ⅱ上的一对红色线(无须辨认B点和D点)。完整电路连接示意图如图3所示。通过引入电路模块分层法和线色标识法，实践证明每一个学生皆能准确理解实际的电路结构并能快速准确地建好该类桥式电路，5 min内组建电路准确性几乎达100%，为课堂的进一步教学研究和探索性实验节约了大部分的时间，更为重要的是提高了学生的实际动手能力，探索实验研究的主动性，积极性，利于树立学生对实验能力的自信心。

3 拓 展

对于交流电桥，以典型的电容电桥和电感电桥为例，采用电路模块化分层法和线色标识法，具体的建议电路的结构图如图4(a)～(b)所示。其中可调桥臂R2和C2或者R2和L2可认为是一个模块，图中虚线框所标记，该模块内部单独用另外一根颜色的线连接(图中黄色线所示)，不易跟外部线混淆导致连接错误。其他模块化分层和线色标识方法与惠斯通电桥连接线路一致。

(a) 电容电桥

(b) 电感电桥图4 电容电桥和电感电桥电路连接示意图

4 结 语

在惠斯通电桥和交流电桥实验过程中，通过引入复杂电路的模块化设计方法和线色标识方法，让学生清楚地理解实际的电路结构并快速准确组建电路，教学效果显著。更为重要的是加深了学生对电路结构原理的理解和认识，提高了他们对实际电路的操作能力，对学生综合素质的培养具有非常重要的作用。