摘 要： 电学设计实验包括实验原理地确定、实验电路的选择（包括测量电路和控制电路）、实验仪器的选择三个方面。电学实验的原理有三种：多用电表的使用（比较基础）、利用部分电路欧姆定律I=U/R，采用伏安法测电阻，利用全电路欧姆定律E=U+Ir或E=I（R+r）测电源的电动势和内电阻。其中尤以伏安法测电阻最为灵活多变。测量电路包括内接法和外接法两种，控制电路有限流式和分压式两种。仪器选择要遵循可行性、安全性、准确性、方便性、经济性原则。
关键词： 电学设计实验 欧姆定律 注意问题
物理是一门以实验为基础的学科，不管是以前的单科考试还是近年来的“理综”测试，实验能力的考查都是理科高考中一个必不可少的组成部分，它所占的比重是所有考生都不能忽视的。而电学设计实验的考查，又是实验考查的重点内容，是所有考生都觉得较难掌握的一个部分。由于电学设计实验的多变性，使得学生在练习和考查中经常出错。为了比较快而正确地做好电学设计实验，我认为应注意以下三个方面。
一、实验原理的确定
电学实验的原理无非三种：多用电表的使用（比较基础），利用部分电路欧姆定律I=U/R，采用伏安法测电阻、利用全电路欧姆定律E=U+Ir或E=I（R+r）测电源的电动势和内电阻。其中尤以伏安法测电阻最为灵活多变。
二、实验电路的设计
设计实验电路最主要的问题有两个，一个是测量电路的选择，另一个就是调节电路的设计。
1.测量电路的选择
在电学实验中，根据安培表的位置，测量电路有内接法和外接法两种，它们的适用范围不一样。
（1）内接法：电路如图1，由于实验原理是R=U/I，而R=U/I=U/I，可知由于安培表的分压作用，U=U+U，使得电压值的测量值偏大，从而导致电阻测量值偏大，因此当U?垲U，即有R?垲R时，结果较准确。
（2）外接法：电路如图2，由于电压表的分流作用，使得I=I+I，测量电流值偏大，从而导致电阻测量值偏小，这样只适用于测量小电阻（即R?垲R）。
明确这些误差来源，便可根据被测阻值与待测电阻阻值之比，合理选择测量电路，减小误差。
2.控制电路的选择
控制电路主要是针对滑动变阻器（或变阻器）的连接方式而言的，其连接方式有两种：一种是限流式接法，一种是分压式接法。
（1）限流式接法：如图3，滑动变阻器只有部分电阻与用电器串联。
（2）分压式接法：如图4，滑动变阻器有部分电阻与用电器并联，另一部分连在干路上。
以上两种连接方式均可起到调压、限流作用，但调节范围不同，电路由于变阻器的存在而引入的额外损耗也不同。两电路相比，区别如下：
1）控压范围：
分压：0―U（与R无关）
限流：RU/（R+R）―U（与R有关）
2）限流范围：
分压0―U/R
限流U/（R+R）―U/R
由上可知：分压接法中，电压、电流变化范围较大，限流接法电路调节比较方便，额外损耗的功率也较小；当两种接法都能满足实验要求时，可优先选择限流接法。当变阻器的阻值略大于待测电阻时，限流接法已基本可以满足实验对控制范围的要求。但当R大于R时，限流接法调节范围相对较小，调控作用不明显，一般只能选分压。
二、实验器材的选择
实验器材的选择，一般应遵循以下原则。
1.可行性原则
根据实验要求和提供的实验器材，选择合适的仪器，使实验方便可行，达到设定的效果。
2.安全性原则
在实验过程中，不能出现由于实验方案不合理或器材选择不当而出现仪器损坏的不良后果。在电学实验中，主要需要考虑：电压表两端的电压值，通过电流表的实际电流值是否超过它的量程；电表使用中“+”、“-”接线柱是否接反，通过个电器元件如滑动变阻器、电阻等的实际电流是否超过其额定电流，电源的最大输出电流是否超过其额定电流等。
3.准确性原则
要求实验误差尽量小，精度尽量高。在电学实验中，使用电压表、电流表时，尽可能使指针接近满量程，其指针应偏转到满偏的1/3以上，使用欧姆表时，宜选用指针尽可能在中间刻度（1/3―2/3之间）上。
4.方便性原则
选用滑动变阻器时，要使电压和电流的调节范围既满足实验要求，又便于调节。在调节滑动变阻器时，应使其大部分电阻线都用到。而在其他都适合的情况下，限流电路比分压电路便于调节。
5.经济性原则
使实验中额外损耗最小。
例1：为测定一个阻值约为25kΩ左右的电阻R，备有器材：
①直流电流表A1（0―100uA，R≈1KΩ）
②直流电流表A2（0―500uA，R≈200Ω）
③直流电压表V1（0―10V，R≈10kΩ）
④直流电压表V2（0―50V，R≈500kΩ）
⑤直流电源E（12V，r=4Ω）
⑥变阻器R（0―1kΩ，功率1W）和导线、电键等。
应选用电流表?摇?摇?摇?摇电压表?摇?摇?摇?摇画出实验电路图。
分析：1）器材选择：电源电动势E=12V，待测电阻约为25kΩ，则Im=E/R=12/（25×1000）=480uA，电流表应选A2，电压表V1的量程虽然小于电源的电动势E，但可利用控制电路将待测电阻R上的电压控制在10V之内，而V2的量程较大，无法取得较高的精确度，所以电压表应选V1。
2）电路设计：
测量电路：R/R=25×1000/200=125，R/R=100×1000/（25×1000）=4，即R?垌R，而R与R相近，所以应用电流表内接法测量。
控制电路：变阻器R的最大阻值远小于R，若用R做限流电阻，调节范围不够大，无法满足调节范围的要求，应接成分压器，使R上的电压可任意调节，并能多次测量，使误差较小。综上所述，电流表应选A2，电压表应选V1，电路如图5。
例2：从下表中选择适当的实验器材，设计一电路来测量电流表A1的内阻r，要求方法简洁，有尽可能高的测量精度，并能测多组数据。
在表格右方的框中画出电路图，标明所用的器材代号。
分析：此问题就是设计性问题，由于题目给了一个电压表，如果不认真进行分析，就很容易选择“伏安法”，但若把电压表与电流表A1并联，由于电压表的量程为10V，而电流表A1两端的电压最高只有0.4V左右，实验时电压表指针偏转将很小，从而测量误差太大，显然无法满足对测量精度的要求，因此本题不能用“伏安法”。仔细审题发现：题目中给出了电流表A2的准确阻值r2，可以用A2代替伏特表，把A2与A1并联起来，据U1=U2=Ir，即可测出A1两端的电压，再由r1=U1/I1，求出A1的阻值。又由于保护电阻的阻值与待测电阻值之和比滑动变阻器的阻值大，为了满足测量范围的需要，滑动变阻器应选用分压接法，具体如图6。
总之，注意电学实验设计中的这三个方面，就可以使实验效果更显著，误差更小。
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