关于伏安法测电阻电路设计策略的思考

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关键词：模式；模式识别；电阻测量；电路设计；有效策略

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）6-0070-3

1 模块化策略

对于图1所示电路，按其功能划分，可分为虚线框Ⅰ内的测量电路和Ⅱ内的供电电路两个具有相对独立功能的子系统。其中，测量电路的设计原则是两电表的量程相匹配，即它们的指针能同时达到较大偏角；而供电电路设计则要遵循电路安全性、操作方便性和测量准确性3个基本原则。

基于两个模块的特点，电路设计的一般思维策略是将电路按其功能分为测量电路与供电电路。

2 测量电路模式的构建与识别

模式识别是问题解决的一种基本策略，是人们在对所表征事物或现象的各种信息分析和处理的基础上，对问题进行描述、辨认、分类和解释的思维过程。

在实验电路设计中，无论是对给定电表、定值电阻进行测量的电路设计，还是对给定电路原理的理解，都要涉及到电压、电流的测量模式及其组合方式的识别，为此，在实验教学之前，需要有意识地从电压、电流测量视角系统地规划有关部分例题，并将其归类总结而构建起电压、电流测量模式，以便学生能迅速从记忆储存中进行模式的检索。

2.1 电压、电流测量模式的构建

关于电压、电流的测量，有直接测量和间接测量之分，其中间接测量包括电表的功能转换和定值电阻的使用，具体模式如表1和表2，其中的适用情况对应于命题特征。

2.2 测量电路的设计流程

在构建起电压、电流的基本测量模式后，原则上只需要将它们适当组合起来即可设计测量电路。但是，在实际的电路设计中，即使只提供一个定值电阻，其电压、电流测量模式的组合数目也还是很大。显然，提升学生的电路设计能力，除了引导学生参与电压、电流测量模式的构建外，还要力求把上述的测量模式结构化，并建立电路设计的思维流程。为此，笔者建议从以下几个方面入手，提高学生电路设计能力。

（1）电表组合方式的分类

（2）电表量程匹配的基本思路

对于几种测量电路，其电表量程的匹配一般有以下3种方式：一是选择合适电表量程或对电表进行改装，这是测量电路设计中的常规思路；二是选择合适的电路；三是改变测量对象，一般是在待测电阻上并联或串联一定值电阻，以补偿电压表、电流表因量程不匹配而产生的偏差，具体电路如图2所示（以外接法为例）。

（3）测量电路的设计流程

要完成测量电路的设计，仅仅建立基本测量模式、清楚量程匹配方式还是远远不够的，还需要学生有一个清晰的思维流程，为此，建议引导学生在电路设计中参与图3所示的思维流程构建，以提高电路设计能力。

3 供电电路设计的模式识别策略

在电阻测量中，其测量准确性取决于两个方面：一是电表量程的匹配程度，它对应于测量电路的设计；二是电表指针能否达到较大偏角，它对应于供电电路的设计。另外，实验器材的安全性、实验操作的方便性也对应于供电电路的设计。

虽然供电电路的设计涉及的因素较多，但它对应电路模式却较少，我们分别就限流式和分压式供电电路进行探讨。

（1）限流式供电电路的基本模式

对于限流式供电电路，一般有图4的两种形式，其中图4a不要求电表示数从0开始调节。而对图4b而言，主要考虑定值电阻对电路的保护或操作方便。

（2）分压式供电电路的基本模式

对于分压式供电电路，一般有表3中的3种情形。

在表3的3种模式中，第3种模式中的定值电阻可能同时具备电路保护和调节方便两种功能，而第2种模式中的定值电阻只起到调节方便的功能。至于运用哪种供电电路，则可按下述程序进行选择：初步确定供电电路类型实验器材安全性检验实验测量的准确性检验实验操作的方便性检验。

4 典型例题分析

例（2010年福建省高考试题）如表4所示是一些准备用来测量待测电阻Rx阻值的实验器材，器材及其规格列表如下：

要求测量时电表的读数大于其量程的一半，而且调节滑动变阻器能使电表读数有较明显的变化。请画出测量电路图，标明所用器材的代号。

解析 对于测量电路，根据提供的器材，首先考虑用伏安法模式，经检验，两只电压表均不能与电流表的量程相匹配，故电流表不能使用。其次，考虑伏伏法模式，经检验，测量电路应如图5所示。

对于供电电路，由于待测电阻约为1000 Ω，滑动变阻器的最大阻值约为100 Ω，要使电表示数变化明显，必须使用分压式电路。由于无定值电阻，故本题的电路如图6所示。

扩展：若仅改变例题中滑动变阻器的最大阻值，并增加一定值电阻，具体数值如表5：

则实验电路如何设计？

解析 （1）在变式中，改变了滑动变阻器的阻值，增加了一个只知道大致阻值的定值电阻，这些改变不影响测量电路的设计。

（2）初步确定供电模式

由于R远小于Rx，因此，初步确定了分压式电路。

（3）基于电路安全性考虑

若采用表3中的第1、2两种供电电路，则电路总电流大于0.5 A，从而损坏滑动变阻器，故这两种方式均不可行，而第3种供电电路能保证电路安全性。

（4）基于测量准确性考虑

另外，经检验，第3种供电电路满足操作方便性要求。故实验电路为第3 种供电电路与图5所示测量电路的组合，具体电路图略。

参考文献：

[1]梁燕飞.从限流式到分压式电路的构建[J].物理教学探讨，2015，33（10）：41―42.

[2]李胜强.伏安法在电学实验中的基本应用与变式分析[J].物理教学探讨，2016，34（2）：60―63.（栏目编辑 邓 磊）