高中物理电学实验设计刍议

本人在教学实践中体会到，教学过程中若能有层次地引导学生理解实验设计思想、懂得实验设计原则、掌握电路结构特点、明确器材选择策略、学会线路连接方法，必将有助于学生解决电学实验设计问题．下面结合几个具体实例谈谈如何提高学生进行电学实验设计的能力．

1. 实验设计思想

设计性实验的核心是设计，而确定实验原理和选择实验方案是实验设计首先需要考虑且又彼此相互联系的两个方面．选择实验方案，一般是根据所提供的器材和实验要求选择合适的实验方法和测量方法．无论是演示实验、分组实验还是课外实验，在实验的装置配备、设计、操作、数据处理各个环节，都蕴涵着丰富的实验思想，如控制的思想、比较的思想、转化的思想、放大的思想、替代的思想等等．只有充分掌握了这些实验思想，才能有效地依据实验原理设计出深刻精巧的、符合要求的实验，进而获得可靠的、有价值的实验结果．

比较思想是物理实验设计的基本思想．在物理实验中除了一些定性实验外，几乎都要对物理量进行测量，而测量一般是将待测物理量与选作标准单位的物理量加以比较．当然，要进行比较，光有标准量具还不够，还要配置比较系统，并注意比较的条件．

替代思想也是物理实验设计中经常用到的．替代是用已知的标准量（器材）去代替未知的待测量（器材），以保持状态和效果相同为判断依据，从而求出待测量．替代的应用需要一个中间载体把标准量和待测量联系起来，并通过一个满足精度要求的指示仪器来显示，以判别替代的等效性．

在实验设计中，我们还会遇到许多无法被实验者观测或者用仪表直接测量的一些很小的量或微弱变化的量等其它情况，这时，放大思想、转化思想、补偿思想、模拟思想、共轭思想等将会给我们提供有益的启发．

2. 实验设计原则

中学电学实验设计的原则，说法不一，但概括起来可以归纳为四个方面，即要求所完成的电路设计尽可能达到：安全、精确、方便、经济．

a. 安全性原则．安全性原则又称可靠性原则，它是指在实验过程中，不产生由于器材和电路的选择不当而使人身遭到电击、仪器发生损坏等不良后果，以达到保护人身和实验器材安全的目的．这一原则对电学实验尤其重要，

b. 精确性原则．精确性原则是指选用的实验器材要考虑尽可能减小实验误差．要减小实验误差、提高实验精度，途径是多方面的．

c. 方便性原则．方便性原则是指在保证实验能够顺利进行的条件下，即安全性、适用性等符合要求的前提下，使实验操作方便易行．在电学实验设计中，这一原则集中表现在：滑动变阻器阻值大小的选择和控制电路（限流和分压接法）的选择．

d. 经济性原则．经济性原则主要表现在节省能量和实验器材上，有节约材料和能源的意识，使实验尽可能经济些．

3. 实验设计方法

电学实验设计在实际操作层面上必须考虑电路的结构特点、器材的选择顺序和线路的连接方法这三个具体问题．

a. 电路的结构特点．

对电路结构的考虑具体表现在两个电路——测量电路和控制电路的选择上．测量电路直接连接电学仪表——伏特表和安培表，因此要考虑安培表的内接或者是外接问题；根据伏安法测电阻的误差分析可知：Ra /Rx

如果涉及到两个用电器，对电路结构还应当对它们的额定电压与额定电流加以比较，并根据简便经济的原则从电流入手或者从电压入手进行设计．

b. 器材的选择顺序．

对器材的选择顺序， 首先应考虑电源的选择——保证人体和实验器材安全、保证使用电器正常工作；其次，根据负载电阻的工作状态选择电流表、电压表；最后，对滑动变阻器进行选择，如果两者都可，要从便于调节角度选用．事实上，器材的选择与电路的设计是有机结合在一起的，电路的设计必须考虑到实际问题所给的条件．

c. 线路的连接方法．

线路连接是实验素养的基本方面，其中滑动变阻器的两种接法是最为基础的内容，而从安全角度考虑，在电键试触前滑动变阻器的滑片位置又必须给予特别强调．由电路原理图连接实物可根据学生实际情况进行训练，在连接过程中要教育学生注意避免导线的交叉．

责任编辑 罗 峰

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