基于学科素养的高效整合 有效突破电学实验复习困境

摘   要：高中电学实验的理论基础是“电压”“电流”“电阻”三个基本概念和“串、并联电路的特点”“欧姆定律”两个基本规律。基于基础知识的高效整合，强化思维训练，提高物理核心素养，为有效突破高中物理电学实验复习困境提供借鉴。

关键词：电学实验；模块化；电路特点；欧姆定律

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）2-0014-4

1    高中物理电学实验的理论基石：欧姆定律和串、并联电路的特点

高中阶段电学实验所研究的对象主要为电源和用电器，其中电源的主要参数为电动势和内阻，用电器的主要参数为U，I。

1.1    欧姆定律

流过一段电路的电流大小与该电路的电阻及两端电压的关系为I=，这个关系被称为部分电路欧姆定律，适用于纯电阻电路。

流过闭合电路的电流跟电路中电源的电动势成正比，跟电路中内、外电阻之和成反比，关系为I=，这个结论叫作闭合电路的欧姆定律。

1.2    串联电路的特点

串联电路的两个基本特点：（1）在串联电路中，各处的电流相等。（2）串联电路的总电压等于各部分电压之和。

从串联电路的两个基本特点出发，根据欧姆定律可以得到串联电路的两个重要性质：（1）串联电路的等效总电阻为各电阻阻值之和。（2）串联电路的电压分配关系是：各电阻两端的电压跟它们的阻值成正比。串联电路中的每一个电阻都要分担一部分电压，电阻越大，它分担的电压就越多，串联电阻的这种作用就称为串联电路的分压作用。

1.3    并联电路的特点

并联电路的两个基本特点：（1）并联电路中，各支路的电压相等。（2）并联电路的总电流等于各支路电流之和。

从并联电路的两个基本特点出发，根据欧姆定律可以得到并联电路的两个重要性质：（1）并联电路的等效总电阻的倒数为各支路电阻阻值的倒数之和。（2）并联电路的电流分配关系是：通过各个支路电阻的电流跟它们的阻值成反比。并联电路中的每一个电阻都要分担总电流的一部分，电阻越小，它分担的电流就越多，并联电阻的这种作用就称为并联电路的分流作用。

2    高中电学实验细化分析——“模块化”分析

高中电学实验相关问题综合度高，对学生的综合分析能力要求较高。在学习过程中，可以将电学实验相关问题细化分析，分解为一个个独立的“模块”：测量电路模块、控制电路模块、误差分析模块等，先分析清楚各“模块”，再综合起来分析整个实验。各模块分析的基础仍是欧姆定律和串、并联电路的特点。

2.1    “测量电路”模块

该模块主要有伏安法之“电流表外接法”与“电流表内接法”和电表改装两个相关问题。

2.1.1    伏安法之“电流表外接法”与“电流表内接法”

在高中阶段的电学测量中，伏安法是最为关键的测量方法之一，是欧姆定律的重要应用，也是其他测量方法的基石，如安阻法、伏阻法等都是伏安法的延伸应用。伏安法的基本原理和误差分析都是基于欧姆定律和串、并联电路的特点。

原理：根据欧姆定律，R的测量值R=，其中U为电压表示数，I为电流表示数。

误差分析：由于电压表、电流表存在内阻，根据串、并联电路的特点，电压表有分流作用，电流表有分压作用，因此，由R=所测得的R的测量值存在系统误差。

（1）测量电路伏安法之“电流表外接法”

采用电流表外接法（图1），根据并联电路的特点，电压表的测量值U与R两端的电压UR相等；由于电压表分流IV，电流表的测量值I大于通过R的电流IR，满足关系式：I=IR+IV。

根据欧姆定律，R的理论值R==，比较R=与R=，可知R小于R。

根据并联电路的特点，若待测电阻R远小于电压表内阻RV，则通过R的电流远大于通过电压表的电流，此时通过R电流的测量误差较小，待测电阻的测量值误差较小，因此，电流表外接法适用于测量小阻值电阻。

（2）测量电路伏安法之“电流表内接法”

采用电流表内接法（图2），根据串联电路的特点，电流表的测量值I与通过R的电流IR相等；由于电流表分压UA，电压表的测量值U大于R两端的电压UR，满足关系式：U=UR+UA。

根据欧姆定律，R的理论值R==，比较R=与R=，可知R大于R。

根据串联电路的特点，若待测电阻R远大于电流表内阻RA，则R两端的电压远大于电流表两端的电压，此时R两端电压的测量误差较小，待测电阻的测量值误差较小，因此，电流表内接法适用于测量大阻值电阻。

2.1.2    电表改装

电压表改装（扩大量程为U）：由于串联电路具有分压特点，因此可以采用将电阻与小量程表头（量程为Ug，内阻为Rg，满偏电流为Ig）串联进行分压（图3），该电阻即为分压电阻，分压电阻阻值R=或R=-Rg。

电流表改装（扩大量程为I）：由于并联电路具有分流特点，因此可以采用将电阻与小量程表头（量程为Ig，内阻为Rg，满偏电压为Ug）并联进行分流（图4），该电阻即为分流电阻，分流电阻阻值R=或I=+。

2.2    “控制电路”模块

在具体电路中，经常利用滑动变阻器来控制电路中的电压、电流变化，根据欧姆定律和串、并联电路的特点，滑动变阻器接入电路的方式不同，所起的控制作用也相应改变。在高中阶段滑动变阻器接入电路的方式主要有“限流接法”与“分压接法”两种。

2.2.1    控制电路滑动变阻器之“限流接法”

如图5（电源内阻不计），采用滑动变阻器“限流接法”时，根据欧姆定律和串、并联电路的特点，灯泡两端的电压UL变化范围：≤UL≤E。根据串联电路的分压作用可知，当滑动变阻器阻值与负载电阻接近时，电路较好控制负载的电压、电流变化且便于操作。

2.2.2    控制电路滑动变阻器之“分压接法”

采用滑动变阻器“分压接法”时（图6），根据欧姆定律和串、并联电路的特点，灯泡两端的电压UL变化范围：0≤UL≤E。根据串联电路的分压作用和并联电路的分流作用可知，当滑动变阻器阻值远小于负载电阻时，电路较好控制负载的电压、电流变化且便于操作。

由以上分析可知，采用“分压接法”时，负载两端的电压变化范围更大。当负载的功率相同时，根据并联电路的特点可知，“分压接法”电路中的总电流比“限流接法”电路中的总电流大，因此电路消耗的总功率更大。

2.3    “误差分析”模块

电学实验的原理主要是欧姆定律和串、并联电路的特点，只有清楚了实验原理，才能有依据地进行误差分析。实验总是会存在误差，实验误差分为系统误差和偶然误差。其中，系统误差是由于实验方法或实验器材本身的因素造成的。本文以测量电源的电动势和内阻、半偏法测量电表内阻为例，来说明如何理解实验原理及应用“欧姆定律和串、并联电路的特点”进行误差分析。

2.3.1    测量电源的电动势和内阻误差分析

该实验的测量原理：如图7所示，根据闭合电路欧姆定律和串、并联电路的特点，U=E-Ir，其中U为路端电压，E为电源的电动势，I为通过电源的总电流，r为电源的内阻。实验中测量几组U，I，作出U-I图像，斜率的绝对值大小即表示内阻大小，纵截距大小即表示电源电动势大小，横截距大小即表示电源的短路电流大小。

误差分析：设实验中电压表示数为U，电流表示数为I。电压表两端电压等于路端电压。由于电压表存在内阻，根据并联电路的特点，电压表有分流作用（IV），因此，I的测量值小于通过电源的实际电流I，满足关系式：I=I+IV。其中，IV=。当U为0时，I=I，U-I图像（图8）中测量图线和实际图线的横截距相同；U越大，I与I的差值IV越大。由图8可得，电源电动势的测量值小于实际值，电源内阻的测量值也小于实际值。

如果对实验原理和欧姆定律及串、并联电路的特点理解透彻，进行误差分析时，也可以从另一种角度进行理解：（1）把电源和电压表等效视为一个新电源，此时U和I的测量值即为新电源的路端电压和总电流，实验测量所得的电源内阻实际上就是新电源的内阻。根据并联电路的特点，新电源内阻阻值为原电源内阻和电压表内阻的并联阻值，因此，该实验电源内阻的测量值小于实际值。（2）当通过电流表的电流为0时，由U=E-Ir，可知U=E，但由于电压表存在内阻，此时电压表和电源串联，根据串联电路的分压作用，有E=Ur+UV，即电压表的测量值UV小于电源的电动势E，因此，该实验电源电动势的测量值小于实际值。

2.3.2    半偏法测电表内阻误差分析

该实验的测量原理：如图9所示，先闭合开关S1、断开开关S2，调节滑动变阻器R1使电表满偏，然后闭合开关S2，调节电阻箱R使电表半偏。由于滑动变阻器阻值R1远大于电表的内阻，当S2闭合时，电路中的总电流可近似视为不变，当电表半偏时，根据并联电路特点，可知此时流过R的电流近似与流过电表的电流相等，因此电表的内阻可近似等于此时电阻箱R的阻值。

误差分析：根据欧姆定律和串、并联电路的特点，当S2闭合时，实际上电路的总电阻变小，总电流变大。当电表半偏时，流过R的电流实际大于流过电表的电流，根据并联电路的分流作用，可知此时电阻箱的阻值小于电表的内阻，因此电表内阻的测量值小于实际值。要减小实验误差，需尽可能满足滑动变阻器R1接入电路的阻值远大于电表的内阻。

从上面各模块的分析中可以看出，理解了“测量电路”模块和“控制电路”模块，仪器选择便能轻松应对。理解了“误差分析”模块，实验原理和数据处理、误差分析自然不在话下。而在分析的过程，“欧姆定律和串、并联电路的特点”的重要性得到了充分体现。因此，在教与学过程中，抓住基础，花再多的精力都不为过，夯实基础是形成科学思维的前提。重视思维训练，在教学中，创设情境，巧妙设问，逐步引导，让学生体会科学思维的过程，重过程分析，轻题型结论。学生才能真正抓住物理的核心，知道解决问题的途径，才能够灵活应对各种新问题。遇到新情形时，只要抓住基础，注重过程分析，问题亦能有效解决，学生在应用的过程中素养自然而然得到提升。抓住事物的本质，理解事物的规律，掌握科学的方法，养成良好的思维习惯，才能有效解决问题，学生素养逐步提升。

参考文献：

［1］廖伯琴.普通高中物理课程标准（2017年版）解读［M］.北京：高等教育出版社，2018.

［2］张葆美.基于核心素养的高中物理实验教学探析［J］.新课程（中学），2017（11）：266.

［3］李紫燕.基于物理核心素养的高中电学实验教学［J］.考试周刊，2018（76）：168.

［4］林秋华，张志鹏，肖丽芙，等.2018年高考物理备考专题——电学实验部分［J］.中学物理教学参考，2018，47（1-2）：132-142.（栏目编辑    赵保钢）

收稿日期：2023-09-06

作者简介：陈炳河（1983-），男，中学高级教师，主要从事中学物理教育教学研究。