如何恰当地选择电学实验器材

　　合理地选择实验器材和实验装置（在本讲中主要讨论实验电路）是完成实验的前提．实验器材和实验装置选择适当，不仅可以保证实验的顺利进行，而且可能使实验操作更便利，实验误差更小．正确地选择实验器材与实验装置，概括起来说，必须遵循以下几个原则
　　
　　一、安全性原则
　　
　　所谓安全性原则，就是在实验中，不产生由于器件或装置选择不当使仪器发生损坏等不良后果。这一原则对电学实验十分重要。主要体现在电表（电压表、电流表）的量程的选择以及通过滑动变阻器（或其它电学器件），电源的最大电流不超过其额定电流等等。
　　
　　【例1】为了测定一段金属丝的电阻（阻值大约为10Ω），主要备选仪器如下：
　　
　　（A）电动势是6V的直流电源
　　
　　（B）量程是0～600mA、内阻为2Ω的电流表
　　
　　（C）量程是0～100mA、内阻为15Ω的电流表
　　
　　（D）量程是0～3V、内阻为3kΩ的电压表
　　
　　（E）量程是0～15V、内阻为15kΩ的电压表
　　
　　（F）阻值为0～10Ω、额定电流为1.0A的滑动变阻器
　　
　　①电流表应选用②电压表应选用。（用代号表示）
　　
　　解：首先必须估算出电路中可能的最大电流值及电路两端的最大电压值，当滑动变阻器接入电路的电阻为零时，电路中电流最大．根据闭合电路欧姆定律可得：Imax≈ε/R＝0.6A。故应选电流表B。同理，当电路中电流达到最大时，电阻两端的电压也为最大，其值可能达6V，故伏特表应选E．
　　
　　二、适用性原则
　　
　　所谓适用性原则，就是选择的仪器必须适用可行。能保证实验正常地顺利地进行，应使实验的测量范围符合实验要求．
　　
　　【例2】有一改装的安培表A1需要与一个标准安培表A2进行核对，采用如图所示电路，其中ε为直流电源（三节蓄电池串联而成），R0为一定值电阻，R为一可变电阻，S为电键．实验中已有的器件及仪器的规格如下
　　
　　（A）固定电阻（阻值8Ω，额定电流2A）
　　
　　（B）固定电阻（阻值15Ω，额定电流2A）
　　
　　（C）滑动变阻器（阻值范围0～20Ω，额定电流2A）
　　
　　（D）滑动变阻器（阻值范围0～200Ω，额定电流2A）
　　
　　已知两个表的刻度盘上都将量程均分为6大格，要求从0．1A起对每条刻度线一一进行核对．为此，从备用的电阻器中R0应选用R，应选用（用字母代号填入）
　　
　　解：定阻电阻器R0在电路中称为限流电阻，它的作用是限制电路中的最大电流．使之不超出安培表的量程过多，从而对安培表起保护作用．滑动变阻器R为调节电阻，它的作用是调节电路中的电流强度，从而实现对电路中的电流强度起控制作用．从题中给出的电阻器可见，电路中电阻器的配置共有四种方案，即A和C，A和D，B和C，B和D．究竟哪种方案是适用可行的，需要进行有关估算．方案是否可行的根据是，电路中电流强度的调节范围能否满足实验的要求．显然，当滑动变阻器接入电路的电阻值为零时，电路中的电流强度最大；当滑动变阻器接入电路的电阻值最大时，电路中的电流强度最小．因为电源是由三节蓄电池串联而成．所以电源电动势可认为是6V．由欧姆定律可估算出四种方案的电流强度范围（见下表）．
　　
　　方案代号
　　
　　配置方式
　　
　　Imax(A)
　　
　　Imin(A)
　　
　　一
　　
　　A、C
　　
　　0.75
　　
　　0.21
　　
　　二
　　
　　A、D
　　
　　0.75
　　
　　0.03
　　
　　三
　　
　　B、C
　　
　　0.40
　　
　　0.17
　　
　　四
　　
　　B、D
　　
　　0.40
　　
　　0.03
　　
　　从表中数据可见，方案一不适用，因为Imin＞0．1A；方案四不适用，因为Imax<0．6A；方案三不适用，因为Imax<0．6A，Imin＞0．1A；因为方案二中的最小电流小于0．1A，最大电流大于0．6A（通过调节R可使电路中的电流强度在0．1A～0．6A范围内变化），故方案二是适用的，即R0应选用A，R应选用D．
　　
　　【例3】实验室有下列器材
　　
　　（A）电流表（0～100μA、1．5kΩ）；
　　
　　（B）电流表（0～lmA，1kΩ）；
　　
　　（C）变阻器（0～300Ω）；
　　
　　（D）变阻器（0～800Ω）；
　　
　　（E）干电池（1．5V，r＝0）．
　　
　　现要安装一只欧姆表，在上述实验器材中，电流表应选用，变阻器应选用。
　　
　　解欧姆表的原理电路图如图所示．本题的关键是选用什么表头，变阻器与电源E组成该电路才能适用可行；如何选取表头与变阻器呢？我们知道，当两个表笔短接时，调节变阻器R应使表头满偏，即通过表头的电流应为Ig（称为欧姆表调零）．这是我们选取表头与变阻器R的理论依据．因为本题提供了两只表头与两只变阻器，故有四种搭配方案。
　　
　　方案一：若选电流表A、变阻器C，则流过表头的最小电流强度为Imin＝ε/(Rg+R)≈0.83×10-3A，流过表头的最大电流强度为Imax＝ε/Rg≈1.0×10-3A，即当两表笔短接时，流过表头的电流强度范围为0．83mA～lmA．显然该方案不适用．
　　
　　方案二：若选电流表A、变阻器D，同理可求得当两表笔短接时，流过表头的电流强度为0.65～1毫安，显然该方案也不适用．
　　
　　方案三：若选电流表B、变阻器C，同理可求得当两表笔短接时，流过表头的电流强度为1．15～1．5毫安，显然该方案也不适用．
　　
　　方案四：若途电流表B、变阻器D，当两表笔短接时，流过表头的电流强度范围为0．83mA～1．5mA．显然该方案是适用的，当两表笔短接时，只要调节变阻器D，就可使表头满偏．故本题答案为：电流表选B，变阻器选D，电池选E．
　　
　　三、方便性原则
　　
　　所谓方便性原则，就是在保证实验能够顺利进行的条件下（安全性、适用性符合要求），如何恰当地选择器材或实验装置使实验操作方便易行．这一原则在电学实验中也很突出，主要表现在滑动变阻器的选择、分压电路与限流电路的选择等．
　　
　　（一）电流表内、外接法的选择
　　
　　利用电流表和电压表测电阻通常叫做伏安法测电阻，如图所示有（a）、（b）两种接法．(a)叫（电流表）外接法，(b)叫（电流表）内接法．其中外接法的系统误差是由电压表的分流引起的，使电阻的测量值总小于真实值．当被测电阻为小阻值电阻时应采用外接法．内接法的系统误差是由电流表的分压引起的，使电阻的测量值总大于真实值．当被测电阻力大阻值电阻时应采用内接法．如果无法估计被测电阻的阻值大小，可以利用试触法：如图所示，将电压表的左端接a点，将右端接到图中的b点，记下电流表和电压表的示数．再将右端改接到图中的C点，记下电流表和电压表的示数．比较两次测量中电流表和电压表示数的变化，若电流表读数变化大，说明被测电阻是大电阻，应该用内接法测量；若电压表读数变化大，说明被测电阻是小电阻，应该用外接法测量（这里所说的变化大小，是指相对变化，即ΔI/I和ΔU/U）．如果已知电压表的准确内阻，那么不论是测量阻值大的电阻还是测量阻值小的电阻，都应该采用外接法，因为这时电压表的分流可以准确计算出来，于是通过被测电阻的电流也可以准确地计算出来．同理，如果已知电流表的准确内阻，那么不论是测量阻值大的电阻还是测量阻值小的电阻，都应该采用内接法，因为这时电流表的分压可以准确计算出来，于是被测电阻两端的电压可以准确计算出来．
　　
　　（二）滑动变阻器分压、限流接法的选择
　　
　　电学实验中，为了多测几组数据取平均值以减小偶然误差，电路中需要用滑动变阻器调节电流和电压．滑动变阻器在电路中有图所示的（a）、（b）两种常用的接法：（a）叫限流接法，（b）叫分压接法．其中利用分压接法时，被测电阻Rx上电压的调节范围大．当要求电压从零开始调节，或要求电压调节范围尽量大时应该用分压接法．用分压接法时，为了调节方便，所用的滑动变阻器应该选用阻值小的．限流法接线比较简单，用限流接法时，为了调节方便，滑动变阻器应该选用阻值和被测电阻阻值接近的．
　　
　　【例4】有一电阻Rx，其阻值大约在40Ω～50Ω之间，需要进一步测定其阻值，手边有下列器材：
　　
　　电池组ε，电动势9V，内阻约0．5Ω；
　　
　　伏特表V，量程0～10V，内阻20kΩ；
　　
　　毫安表A1，量程0～50mA，内阻约20Ω；
　　
　　毫安表A2，量程0～300mA，内阻约4Ω；
　　
　　滑动变阻器R1、阻值范围0～100Ω，额定电流1A；
　　
　　滑动变阻器R2、阻值范围0～1700Ω，额定电流0．3A；
　　
　　电键S及导线若干。
　　
　　实验的原理图如图所示，实验中要求多测几组电流、电压值．在实验中应选一毫安表和滑动变阻器．
　　
　　解首先估算电路中可能达到的最大电流值．假设选毫安表A1，则Imax＝ε/(Rx+RA1)≈0．14（A），超过了A1的量程．又假设毫安表A2，则Imax′＝ε/(Rx+RA2)≈0．18A，未超出A2的量程，故应选毫安表A2这一选择遵循了安全性的原则。
　　
　　对滑动变阻器而言，假设选R1，电路中的最小电流约为Imin＝ε/(Rx+RA2+R1)≈0．06A，故电路中的电流强度范围为0．06～0．18A。又假设选R2，电路中的最小电流强度约为Imin′＝ε/(Rx+RA2+R2)＝0．005（A），电路中的电流强度范围为0．005～0．18A．注意到电流表A2的量程为0．3A，当电流强度为0．06A时，仅为电流表A2量程的1／5，如果滑动变阻器阻值再增大，其电流表的示数将更小，读数误差会更大，因此对于R2而言，有效的调节长度太小，将导致电流强度值滑动片位置的变化太敏感，即调节不方便，故应选滑动变阻器R1．这一选择就遵循了方便性原则．
　　
　　四、准确性原则
　　
　　所谓准确性原则，就是要求实验误差小，精度高．这一原则是物理实验的普遍原则之一．要减小实验误差，途径是多方面的，这里只介绍如何选择实验器材和实验装置，以期使实验误差减小到最低限度．比如说，伏特表、安培表接入电路时，应使指针偏转为满刻度的2/3以上．在验证机械能守恒定律实验中，应选1、2两点间距离约为2mm的纸带．在用单摆测定重力加速度的实验中，摆线应取长些，摆球应选密度大的实心金属小球等．
　　
　　【例5】使用中值电阻为25Ω(“×1”档）的万用电表测量两个定值电阻（已知它们的阻值约为R1＝20Ω和R2＝30kΩ），为了使测量结果尽量准确些，应分别选择欧姆档的什么倍率进行测量？
　　
　　解因为欧姆表的刻度是不均匀的（从右到左刻度越来越密），所以使用欧姆表测量电阻时，不是指针偏转越大越准确，当然也不是指针偏转越小越准确．事实上当指针偏转太大或太小时，误差均较大，当指针在中值电阻（既欧姆表刻度盘的中心电阻值）附近时，测量误差较小．通常这样规定，使用欧姆表测电阻时，应使指针指在R中/5～5R中之间．根据这个规定，不难得出本题的答案：测量Rl时应选择倍率R×1档，测量R2时应选择倍率R×1kΩ档．
　　
　　【例6】用伏安法测电阻，当被测电阻的阻值不能估计时可采用试接的方法，如图所示．让伏特表一端接在电路的上a点，另一端先后接到b点和C点，注意观察两个电表的示数．若安培表的示数有显著变化，则伏特表应接在a、___________两点．若伏特表的
　　
　　示数有显著变化则伏特表应接在a、___________两点.
　　
　　解:运用伏安法测电阻有两种电路，即外接法与内接法．由于伏特表与安培表的内阻影响，这两种接法都是有误差的，但电路选择得当，可使误差减小．当伏特表一端接在a点，另一端先后接到b点和C点时，若安培表读数有显著变化，说明伏特表的分流作用较大，即待测电阻值跟伏特表内阻可比拟，故伏特表应接在a，c之间．若伏特表读数有显著变化，说明安培表的分压作用较大，即得测电阻值跟安培表内阻可比拟，故伏特表应接在a，b之间．本题的电路选择遵循
　　
　　了准确性原则．
　　
　　【例7】一个电压表的内阻为30kΩ左右，现要用伏安法测量其内阻，实验室提供下列可选用的器材：
　　
　　待测电压表V（量程5V）
　　
　　电流表A1（量程200μA）
　　
　　电流表A2（量程5mA）
　　
　　电流表A3（量程0．6A）
　　
　　滑动变阻器R（最大阻值1kΩ）
　　
　　电源ε（电动势6V）
　　
　　开关S及导线
　　
　　在所提供的电流表中，应选用（填字母代号）．
　　
　　解选择的电流表，接入电路后，首先要安全，其次要准确．在最大电流不超电流表量程的前提下，应尽量地使指针满偏或接近满偏．为了准确地选择该实验所需的电流表，必须估算电路中可能达到的最大电流强度，估算时应抓住主要矛盾，忽略次要因素．Imax＝ε/RV
　　
　　因为忽略了电源内阻，电流表内阻，所以电路中可能达到的最大电流强度一定小于200μA．如果仅从安全角度看，电流表A1，A2，A3均可，但从安全与准确相结合的角度看，只能选用电流表A1。
　　
　　正确选择电学器材一直是让学生感到恐惧的地方，恐惧的原因主要是无从下手，希望本文对学生的学习有所帮助。
　　
　　
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