复习电学实验仪器的常规使用和迁移利用
陈艳娇++黄忠仙
摘 要：本文结合简单的例题对电学实验中基本仪器的常规使用和迁移利用进行归纳总结，以期在电路设计中能巧妙转换实验仪器的功能和角色，并起到举一反三、触类旁通之功效。
关键词：电路设计；电学仪器；常规使用；迁移利用
高考中出现的电学实验试题题型种类繁多，题目新颖多变。然而，试题都还只是源于教材，当然也高于教材。高考考查基础实验知识、基本实验技能、基本实验方法总体上是不变的，所以我们不能死记硬背、照搬课本实验电路图。我们只有真正理解各实验仪器、实验原理和实验方法，归纳总结电学实验的基本模型，才能达到灵活运用学过的实验理论、实验方法和实验仪器去处理实验相关问题的能力。
基本仪器是完成实验的要件，它的常规使用是实验考核的基础内容。近几年设计型实验是高考实验题的热点，而掌握这些基本仪器的迁移利用又是设计实验的基础。本文将结合简单的例题对电学实验中基本仪器的常规使用和迁移利用进行归纳总结。
1 电源
电学实验中绝大多数用的是直流电源，电源在实验电路中起供电作用。电源的选择应根据用电器的需要，一般考虑用电器所需的电压和允许电流等。在不超过待测器材所允许的最大电压值的情况下，为了能做到多组测量，选择电动势较大的电源。在相同电动势情况下，为了能获得稳定的电压，选择内电阻较小的电源（测电源内阻除外）。
2 定值电阻
定值电阻并联在电路中能起分流作用，串联在电路中能起分压作用。定值电阻迁移利用的掌握对提高解答设计性实验题的能力是至关重要的。定值电阻主要有以下几个迁移利用：
（1）作保护电阻（即保护电路）
若电路中待测元件（测量电路）两端允许的最大电压比电源电动势小的较多，则测量电路不能直接接在电源（供电电路）两端，需要在测量电路或干路上串一个适当阻值的定值电阻作为保护电阻或限流电阻。
例：如图1所示，两个电流表量程为0.6A，内阻均小于1Ω，则两电表两端最大允许加的电压为1.2V。若提供的电源的电动势为6V。则需串一个电阻作为保护电阻：如图2所示（定值电阻与测量电路串联）或如图3所示（定值电阻串在干路上）。
（2）使两表量程匹配（搭配合理）
在电学实验中，为减小误差往往需要多组测量且要求电表的读数尽量大（如超过1/3的满偏）。为了满足实验的要求两表的量程要匹配——两表最好能同时达到满偏。
例：如图4所示，如果当电流表满偏了，而此时电压表才偏转满偏的1/3或更小。如果要多次测量只能把电流变小，但这样会使电压表的偏转更小，即电压表读数的相对误差较大，这种情况认为两个电表不匹配，解决方法：
①如果电流表内阻已知，可以用定值电阻把电流表扩量程，如图5所示。
②用定值电阻与电流表串联扩大分压，如图6所示。
（3）测电表内阻作为比較电阻
例：待测电流表A1内阻约为5Ω，量程300mA。给一个A2电流表内阻约为1Ω，量程600mA。没有或没有与待测电流表A1匹配的电压表。如图7所示，选5Ω的定值电阻与电流表A1并联，通过两并联支路的电流比与电阻成反比，即可求电流表A1的内阻。这种作用也可理解为定值电阻当电压表。
例：如图8所示，测电压表V1内阻：定值电阻与之串联作比较电阻，根据两表读数U1和U2，则有■=■，可求电压表V1的内阻。
作为比较电阻的定值电阻的阻值应与待测元件的阻值相差不大（在同一量级），否则实验误差很大，或实验无实际操作性。如图8所示，设定值电阻为10Ω，而电压表V1内阻约10kΩ，那么定值电阻获得实际电压值可能仅在电压表读数的误差位上，则由于读数等误差甚至电压表V1的读数略大于电压表V2的读数！
（4）与理想电表并联（或串联）替代电流表（或电压表）
例：如图9所示，定值电阻R与理想电压表并联部分可以作为电流表；如图10所示，定值电阻R与理想电流表串联部分可以作为电压表。
3 电阻箱
（1）电阻箱的常规使用
和其它仪器一样，使用电阻箱时要特别注意通过电阻的电流不能超过允许的最大数值。电阻箱开始应处于阻值最大状态，另外调节电阻箱无论从小阻值调到大阻值还是从大阻值调到小阻值都要先让电阻变大再变小，这样可以有效防止短路。若原先接入电路的阻值为80580.2Ω要把它值变为9580.2Ω，应该先调到89580.2Ω，再调为9580.2Ω。而不是先把万位的8调到0，这样电阻值就突然变小为580.2Ω！
（2）电阻箱的迁移应用
电阻箱是阻值可以改变的定值电阻，所以它具有定值电阻的所有迁移作用。同时由于阻值可变，在等效替代法测电阻中电阻箱起替代待测电阻的作用。如图11和图12所示，利用单刀双掷开关可以实现电阻箱替代待测电流表（或其它待测元件），若电路的电流或电压效果相同（电流表A和电压表V读数不变），则待测电流表的内阻等于接入电路中电阻箱的阻值。
4 滑动变阻器
滑动变阻器电阻连续可调，但其阻值不能精确可读，因此滑动变阻器不能当作已知电阻使用。它在电路主要是起控制电路作用。
（1）滑动变阻器的基本接法及选择
①限流接法 如图13所示，滑动变阻器部分串联接入电路，实物连接：金属棒两端和线圈两端的接线各取一个串联到电路（如图15中有AC、AD、BD、BC这四种接法，也就是所谓“一上一下”。）实验开始前，应将滑动变阻器的滑片滑到最左端，即开始时使负载部分电路两端的电压最小。
限流接法负载电阻两端的电压和电流不能从0开始变化。滑动变阻器阻值比负载电阻大得越多，负载电阻获得电压范围越小，但电压变化越均匀；为兼顾两者限流接法要选用最大阻值略大于负载电阻（约2—5倍）。
②分压电路 如图14所示，滑动变阻器全部接入电路（部分在支路，部分在干路）。实物连接：线圈两端的接线柱（如图15中的A和B）全部接入干路，金属棒两端和线圈两端的接线柱各取一个接负载电路（如图15中负载电路接在AC间，AD间，BD间或BC间）。实验前，应将滑动变阻器的滑片滑到如图所示的最左端，即使负载部分电压最小。
分压接法负载部分电压和电流可以从0开始变化；负载电阻获得电压范围与滑动变阻器的阻值无关，但滑动变阻器的阻值越小，负载电阻的电压变化越均匀。分压接法一般最大阻值小于负载电阻（约0.2—0.5倍）。
不论哪种接法，首先应该考虑滑动变阻器的额定电流，流过它的实际电流不能超过规定电流！
（3）必须使用分压式接法的三种情况 [1，2 ]
●题目中明确要求待测电阻两端的电压（或电流）从零开始连续可调，必须用分压接法；
●待测电阻Rx与变阻器R相比过大，限流接法测量范围过小，无法做到多组测量，必须用分压接法；
●若用限流式接法，电路中的最小电流仍大于某个串在电路中的用电器（如电流表）的额定电流（或最大量程），则必须用分压式接法。
例：如图16所示为描绘某电学元件的伏安特性曲线的电路图，定值电阻R用于限流；电源电动势E为12V，内阻不计。
（1）实验时有两个滑动变阻器可供选择：
a. 阻值0到200Ω，额定电流0.3A
b. 阻值0到20Ω，额定电流0.5A
本实验应选的滑动变阻器是 （填“a”或“b”）（本例题由2007年江苏高考物理卷第12题改编）
解析：从滑动变阻器的阻值上看，阻值为0到20Ω的变阻器调节过程中，待测元件两端的电压变化更均匀。但通过该滑动变阻器的电流可达到I=■=■=0.6（A），超过它的额定电流，滑动变阻器可能烧毁！所以滑动变阻器应选a。
5 电表
（1）常规使用 [3 ]
电表是电学实验中主要的测量仪器，要了解电表的量程、精度、使用注意事项和读数方法。
实验时要根据实验的具体情况选择适当量程的电表。对于电压表和电流表，如果选择的量程太小，电表超量程使用会损坏仪器；若选用量程比实际的测量值大太多（超过3倍），测量结果的相对误差就比较大，选择的量程最好在表安全工作情况下有较大的偏转（至少达到满偏的1/3）。而使用多用电表测电阻时，选择的档位应使示数在电表的中值附近更为精确。
電表的精度（即仪器的最小分度值）影响测量结果的有效数字的位数。电表的读数原则：最小刻度是10分度，估读到最小刻度的下一位；最小刻度不是10分度读到最小刻度位，根据仪器的最小分度可以分别采用1/2、1/5的估读方法。
如图17所示是电压表的刻度盘。若使用的是该表的0-3V量程，该量程最小刻度是0.1V，是10分度的，因此要向下估读一位，读1.15V（由于最后一位是估读的，有偶然误差，读成1.14V-1.17V之间都算正确）。若使用0-3V量程时，若指针恰好指在2上，则读数为2.00V。若是0-15V量程，最小刻度为0.5V，按1/5的估读方法，所以读5.7V（5.6V -5.8V之间都算正确）。
如图18所示是电流表的刻度盘。若使用的0-3A量程，电流表读数为1.88A；若使用的0-0.6A量程，最小刻度为0.2A，按1/2的估读方法，所以读0.37A。
（2）电表的迁移利用 [4 ]
电表实质是会“说话”的电阻。它能“自报”流过自身的电流或加在自身两端的电压。因此，要注意到其自身电阻对电路的影响；另外，如电流表内阻是已知的，根据欧姆定律可以求得加在电流表两端的电压，此时电流表也就相当电压表；同理，若电压表内阻是已知的，电压表也就相当电流表。即内阻已知的电表角色可以互用。利用这一特点，测电阻的伏安法可拓展为伏伏法和安安法等。如图19和图20所示，用已知内阻的电压表V1当电流表测未知电阻和电压表V2的内阻；如图21和图22所示，用已知内阻的电流表A1当电压表测未知电阻和电流表A2的内阻。
已知内阻的电表还可以与定值电阻配合改变量程（参见定值电阻部分）。
近几年的高考中，实验命题不再局限于课本，出现了一些利用教学大纲所列的实验的原理、方法、器材重新组合的实验考题来考查迁移能力。因此，掌握好物理实验仪器的常规使用和迁移应用，才可能进而应用学过的原理和方法去创新设计实验，处理与实验相关的问题。
参考文献：
[1]沈晶，丁剑波.分压式电路中滑动变阻器的选择[J].物理教学探讨，2010（1）：47-48.
[2]李琴，吴彬彬.分压式接法中滑动变阻器选择的误区[J].物理通报，2014（3）：88-89.
[3]方青松.培养高中生物理实验数据处理能力的研究[D].广州：2012，华南师范大学.
[4]陆光华.2012年江苏高考电学实验复习策略的思考[J].中学物理（高中版），2012，30（6）：44-45.
摘 要：本文结合简单的例题对电学实验中基本仪器的常规使用和迁移利用进行归纳总结，以期在电路设计中能巧妙转换实验仪器的功能和角色，并起到举一反三、触类旁通之功效。
关键词：电路设计；电学仪器；常规使用；迁移利用
高考中出现的电学实验试题题型种类繁多，题目新颖多变。然而，试题都还只是源于教材，当然也高于教材。高考考查基础实验知识、基本实验技能、基本实验方法总体上是不变的，所以我们不能死记硬背、照搬课本实验电路图。我们只有真正理解各实验仪器、实验原理和实验方法，归纳总结电学实验的基本模型，才能达到灵活运用学过的实验理论、实验方法和实验仪器去处理实验相关问题的能力。
基本仪器是完成实验的要件，它的常规使用是实验考核的基础内容。近几年设计型实验是高考实验题的热点，而掌握这些基本仪器的迁移利用又是设计实验的基础。本文将结合简单的例题对电学实验中基本仪器的常规使用和迁移利用进行归纳总结。
1 电源
电学实验中绝大多数用的是直流电源，电源在实验电路中起供电作用。电源的选择应根据用电器的需要，一般考虑用电器所需的电压和允许电流等。在不超过待测器材所允许的最大电压值的情况下，为了能做到多组测量，选择电动势较大的电源。在相同电动势情况下，为了能获得稳定的电压，选择内电阻较小的电源（测电源内阻除外）。
2 定值电阻
定值电阻并联在电路中能起分流作用，串联在电路中能起分压作用。定值电阻迁移利用的掌握对提高解答设计性实验题的能力是至关重要的。定值电阻主要有以下几个迁移利用：
（1）作保护电阻（即保护电路）
若电路中待测元件（测量电路）两端允许的最大电压比电源电动势小的较多，则测量电路不能直接接在电源（供电电路）两端，需要在测量电路或干路上串一个适当阻值的定值电阻作为保护电阻或限流电阻。
例：如图1所示，两个电流表量程为0.6A，内阻均小于1Ω，则两电表两端最大允许加的电压为1.2V。若提供的电源的电动势为6V。则需串一个电阻作为保护电阻：如图2所示（定值电阻与测量电路串联）或如图3所示（定值电阻串在干路上）。
（2）使两表量程匹配（搭配合理）
在电学实验中，为减小误差往往需要多组测量且要求电表的读数尽量大（如超过1/3的满偏）。为了满足实验的要求两表的量程要匹配——两表最好能同时达到满偏。
例：如图4所示，如果当电流表满偏了，而此时电压表才偏转满偏的1/3或更小。如果要多次测量只能把电流变小，但这样会使电压表的偏转更小，即电压表读数的相对误差较大，这种情况认为两个电表不匹配，解决方法：
①如果电流表内阻已知，可以用定值电阻把电流表扩量程，如图5所示。
②用定值电阻与电流表串联扩大分压，如图6所示。
（3）测电表内阻作为比較电阻
例：待测电流表A1内阻约为5Ω，量程300mA。给一个A2电流表内阻约为1Ω，量程600mA。没有或没有与待测电流表A1匹配的电压表。如图7所示，选5Ω的定值电阻与电流表A1并联，通过两并联支路的电流比与电阻成反比，即可求电流表A1的内阻。这种作用也可理解为定值电阻当电压表。
例：如图8所示，测电压表V1内阻：定值电阻与之串联作比较电阻，根据两表读数U1和U2，则有■=■，可求电压表V1的内阻。
作为比较电阻的定值电阻的阻值应与待测元件的阻值相差不大（在同一量级），否则实验误差很大，或实验无实际操作性。如图8所示，设定值电阻为10Ω，而电压表V1内阻约10kΩ，那么定值电阻获得实际电压值可能仅在电压表读数的误差位上，则由于读数等误差甚至电压表V1的读数略大于电压表V2的读数！
（4）与理想电表并联（或串联）替代电流表（或电压表）
例：如图9所示，定值电阻R与理想电压表并联部分可以作为电流表；如图10所示，定值电阻R与理想电流表串联部分可以作为电压表。
3 电阻箱
（1）电阻箱的常规使用
和其它仪器一样，使用电阻箱时要特别注意通过电阻的电流不能超过允许的最大数值。电阻箱开始应处于阻值最大状态，另外调节电阻箱无论从小阻值调到大阻值还是从大阻值调到小阻值都要先让电阻变大再变小，这样可以有效防止短路。若原先接入电路的阻值为80580.2Ω要把它值变为9580.2Ω，应该先调到89580.2Ω，再调为9580.2Ω。而不是先把万位的8调到0，这样电阻值就突然变小为580.2Ω！
（2）电阻箱的迁移应用
电阻箱是阻值可以改变的定值电阻，所以它具有定值电阻的所有迁移作用。同时由于阻值可变，在等效替代法测电阻中电阻箱起替代待测电阻的作用。如图11和图12所示，利用单刀双掷开关可以实现电阻箱替代待测电流表（或其它待测元件），若电路的电流或电压效果相同（电流表A和电压表V读数不变），则待测电流表的内阻等于接入电路中电阻箱的阻值。
4 滑动变阻器
滑动变阻器电阻连续可调，但其阻值不能精确可读，因此滑动变阻器不能当作已知电阻使用。它在电路主要是起控制电路作用。
（1）滑动变阻器的基本接法及选择
①限流接法 如图13所示，滑动变阻器部分串联接入电路，实物连接：金属棒两端和线圈两端的接线各取一个串联到电路（如图15中有AC、AD、BD、BC这四种接法，也就是所谓“一上一下”。）实验开始前，应将滑动变阻器的滑片滑到最左端，即开始时使负载部分电路两端的电压最小。
限流接法负载电阻两端的电压和电流不能从0开始变化。滑动变阻器阻值比负载电阻大得越多，负载电阻获得电压范围越小，但电压变化越均匀；为兼顾两者限流接法要选用最大阻值略大于负载电阻（约2—5倍）。
②分压电路 如图14所示，滑动变阻器全部接入电路（部分在支路，部分在干路）。实物连接：线圈两端的接线柱（如图15中的A和B）全部接入干路，金属棒两端和线圈两端的接线柱各取一个接负载电路（如图15中负载电路接在AC间，AD间，BD间或BC间）。实验前，应将滑动变阻器的滑片滑到如图所示的最左端，即使负载部分电压最小。
分压接法负载部分电压和电流可以从0开始变化；负载电阻获得电压范围与滑动变阻器的阻值无关，但滑动变阻器的阻值越小，负载电阻的电压变化越均匀。分压接法一般最大阻值小于负载电阻（约0.2—0.5倍）。
不论哪种接法，首先应该考虑滑动变阻器的额定电流，流过它的实际电流不能超过规定电流！
（3）必须使用分压式接法的三种情况 [1，2 ]
●题目中明确要求待测电阻两端的电压（或电流）从零开始连续可调，必须用分压接法；
●待测电阻Rx与变阻器R相比过大，限流接法测量范围过小，无法做到多组测量，必须用分压接法；
●若用限流式接法，电路中的最小电流仍大于某个串在电路中的用电器（如电流表）的额定电流（或最大量程），则必须用分压式接法。
例：如图16所示为描绘某电学元件的伏安特性曲线的电路图，定值电阻R用于限流；电源电动势E为12V，内阻不计。
（1）实验时有两个滑动变阻器可供选择：
a. 阻值0到200Ω，额定电流0.3A
b. 阻值0到20Ω，额定电流0.5A
本实验应选的滑动变阻器是 （填“a”或“b”）（本例题由2007年江苏高考物理卷第12题改编）
解析：从滑动变阻器的阻值上看，阻值为0到20Ω的变阻器调节过程中，待测元件两端的电压变化更均匀。但通过该滑动变阻器的电流可达到I=■=■=0.6（A），超过它的额定电流，滑动变阻器可能烧毁！所以滑动变阻器应选a。
5 电表
（1）常规使用 [3 ]
电表是电学实验中主要的测量仪器，要了解电表的量程、精度、使用注意事项和读数方法。
实验时要根据实验的具体情况选择适当量程的电表。对于电压表和电流表，如果选择的量程太小，电表超量程使用会损坏仪器；若选用量程比实际的测量值大太多（超过3倍），测量结果的相对误差就比较大，选择的量程最好在表安全工作情况下有较大的偏转（至少达到满偏的1/3）。而使用多用电表测电阻时，选择的档位应使示数在电表的中值附近更为精确。
電表的精度（即仪器的最小分度值）影响测量结果的有效数字的位数。电表的读数原则：最小刻度是10分度，估读到最小刻度的下一位；最小刻度不是10分度读到最小刻度位，根据仪器的最小分度可以分别采用1/2、1/5的估读方法。
如图17所示是电压表的刻度盘。若使用的是该表的0-3V量程，该量程最小刻度是0.1V，是10分度的，因此要向下估读一位，读1.15V（由于最后一位是估读的，有偶然误差，读成1.14V-1.17V之间都算正确）。若使用0-3V量程时，若指针恰好指在2上，则读数为2.00V。若是0-15V量程，最小刻度为0.5V，按1/5的估读方法，所以读5.7V（5.6V -5.8V之间都算正确）。
如图18所示是电流表的刻度盘。若使用的0-3A量程，电流表读数为1.88A；若使用的0-0.6A量程，最小刻度为0.2A，按1/2的估读方法，所以读0.37A。
（2）电表的迁移利用 [4 ]
电表实质是会“说话”的电阻。它能“自报”流过自身的电流或加在自身两端的电压。因此，要注意到其自身电阻对电路的影响；另外，如电流表内阻是已知的，根据欧姆定律可以求得加在电流表两端的电压，此时电流表也就相当电压表；同理，若电压表内阻是已知的，电压表也就相当电流表。即内阻已知的电表角色可以互用。利用这一特点，测电阻的伏安法可拓展为伏伏法和安安法等。如图19和图20所示，用已知内阻的电压表V1当电流表测未知电阻和电压表V2的内阻；如图21和图22所示，用已知内阻的电流表A1当电压表测未知电阻和电流表A2的内阻。
已知内阻的电表还可以与定值电阻配合改变量程（参见定值电阻部分）。
近几年的高考中，实验命题不再局限于课本，出现了一些利用教学大纲所列的实验的原理、方法、器材重新组合的实验考题来考查迁移能力。因此，掌握好物理实验仪器的常规使用和迁移应用，才可能进而应用学过的原理和方法去创新设计实验，处理与实验相关的问题。
参考文献：
[1]沈晶，丁剑波.分压式电路中滑动变阻器的选择[J].物理教学探讨，2010（1）：47-48.
[2]李琴，吴彬彬.分压式接法中滑动变阻器选择的误区[J].物理通报，2014（3）：88-89.
[3]方青松.培养高中生物理实验数据处理能力的研究[D].广州：2012，华南师范大学.
[4]陆光华.2012年江苏高考电学实验复习策略的思考[J].中学物理（高中版），2012，30（6）：44-45.
