一、安全性原則
所謂安全性原則，就是在實(shí)驗(yàn)中，不產(chǎn)生由于器件或裝置選擇不當(dāng)使儀器發(fā)生損壞等不良后果。這一原則對電學(xué)實(shí)驗(yàn)十分重要。主要體現(xiàn)在電表（電壓表、電流表）的量程的選擇以及通過滑動變阻器（或其它電學(xué)器件），電源的最大電流不超過其額定電流等等。
【例1】為了測定一段金屬絲的電阻（阻值大約為10Ω），主要備選儀器如下：
�。ˋ）電動勢是6V的直流電源
�。˙）量程是0～600mA、內(nèi)阻為2Ω的電流表
�。–）量程是0～100mA、內(nèi)阻為15Ω的電流表
�。―）量程是0～3V、內(nèi)阻為3kΩ的電壓表
�。‥）量程是0～15V、內(nèi)阻為15kΩ的電壓表
�。‵）阻值為0～10Ω、額定電流為1.0A的滑動變阻器
�、匐娏鞅響�(yīng)選用②電壓表應(yīng)選用。（用代號表示）
解：首先必須估算出電路中可能的最大電流值及電路兩端的最大電壓值，當(dāng)滑動變阻器接入電路的電阻為零時(shí)，電路中電流最大．根據(jù)閉合電路歐姆定律可得：Imax≈ε/R＝0.6A。故應(yīng)選電流表B。同理，當(dāng)電路中電流達(dá)到最大時(shí)，電阻兩端的電壓也為最大，其值可能達(dá)6V，故伏特表應(yīng)選E．
二、適用性原則
所謂適用性原則，就是選擇的儀器必須適用可行。能保證實(shí)驗(yàn)正常地順利地進(jìn)行，應(yīng)使實(shí)驗(yàn)的測量范圍符合實(shí)驗(yàn)要求．
【例2】有一改裝的安培表A1需要與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)安培表A2進(jìn)行核對，采用如圖所示電路，其中ε為直流電源（三節(jié)蓄電池串聯(lián)而成），R0為一定值電阻，R為一可變電阻，S為電鍵．實(shí)驗(yàn)中已有的器件及儀器的規(guī)格如下
（A）固定電阻（阻值8Ω，額定電流2A）
（B）固定電阻（阻值15Ω，額定電流2A）
�。–）滑動變阻器（阻值范圍0～20Ω，額定電流2A）
（D）滑動變阻器（阻值范圍0～200Ω，額定電流2A）
已知兩個(gè)表的刻度盤上都將量程均分為6大格，要求從0．1A起對每條刻度線一一進(jìn)行核對．為此，從備用的電阻器中R0應(yīng)選用R，應(yīng)選用（用字母代號填入）
解：定阻電阻器R0在電路中稱為限流電阻，它的作用是限制電路中的最大電流．使之不超出安培表的量程過多，從而對安培表起保護(hù)作用．滑動變阻器R為調(diào)節(jié)電阻，它的作用是調(diào)節(jié)電路中的電流強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)對電路中的電流強(qiáng)度起控制作用．從題中給出的電阻器可見，電路中電阻器的配置共有四種方案，即A和C，A和D，B和C，B和D．究竟哪種方案是適用可行的，需要進(jìn)行有關(guān)估算．方案是否可行的根據(jù)是，電路中電流強(qiáng)度的調(diào)節(jié)范圍能否滿足實(shí)驗(yàn)的要求．顯然，當(dāng)滑動變阻器接入電路的電阻值為零時(shí)，電路中的電流強(qiáng)度最大；當(dāng)滑動變阻器接入電路的電阻值最大時(shí)，電路中的電流強(qiáng)度最�。�?yàn)殡娫词怯扇?jié)蓄電池串聯(lián)而成．所以電源電動勢可認(rèn)為是6V．由歐姆定律可估算出四種方案的電流強(qiáng)度范圍（見下表）．
方案代號
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
從表中數(shù)據(jù)可見，方案一不適用，因?yàn)镮min＞0．1A；方案四不適用，因?yàn)镮max<0．6A；方案三不適用，因?yàn)镮max<0．6A，Imin＞0．1A；因?yàn)榉桨付械淖钚‰娏餍∮?．1A，最大電流大于0．6A（通過調(diào)節(jié)R可使電路中的電流強(qiáng)度在0．1A～0．6A范圍內(nèi)變化），故方案二是適用的，即R0應(yīng)選用A，R應(yīng)選用D．
【例3】實(shí)驗(yàn)室有下列器材
�。ˋ）電流表（0～100μA、1．5kΩ）；
�。˙）電流表（0～lmA，1kΩ）；
�。–）變阻器（0～300Ω）；
�。―）變阻器（0～800Ω）；
�。‥）干電池（1．5V，r＝0）．
現(xiàn)要安裝一只歐姆表，在上述實(shí)驗(yàn)器材中，電流表應(yīng)選用，變阻器應(yīng)選用。
解歐姆表的原理電路圖如圖所示．本題的關(guān)鍵是選用什么表頭，變阻器與電源E組成該電路才能適用可行；如何選取表頭與變阻器呢？我們知道，當(dāng)兩個(gè)表筆短接時(shí)，調(diào)節(jié)變阻器R應(yīng)使表頭滿偏，即通過表頭的電流應(yīng)為Ig（稱為歐姆表調(diào)零）．這是我們選取表頭與變阻器R的理論依據(jù)．因?yàn)楸绢}提供了兩只表頭與兩只變阻器，故有四種搭配方案。
方案一：若選電流表A、變阻器C，則流過表頭的最小電流強(qiáng)度為Imin＝ε/(Rg+R)≈0.83×10-3A，流過表頭的最大電流強(qiáng)度為Imax＝ε/Rg≈1.0×10-3A，即當(dāng)兩表筆短接時(shí)，流過表頭的電流強(qiáng)度范圍為0．83mA～lmA．顯然該方案不適用．
方案二：若選電流表A、變阻器D，同理可求得當(dāng)兩表筆短接時(shí)，流過表頭的電流強(qiáng)度為0.65～1毫安，顯然該方案也不適用．
方案三：若選電流表B、變阻器C，同理可求得當(dāng)兩表筆短接時(shí)，流過表頭的電流強(qiáng)度為1．15～1．5毫安，顯然該方案也不適用．
方案四：若途電流表B、變阻器D，當(dāng)兩表筆短接時(shí)，流過表頭的電流強(qiáng)度范圍為0．83mA～1．5mA．顯然該方案是適用的，當(dāng)兩表筆短接時(shí)，只要調(diào)節(jié)變阻器D，就可使表頭滿偏．故本題答案為：電流表選B，變阻器選D，電池選E．
三、方便性原則
所謂方便性原則，就是在保證實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌M(jìn)行的條件下（安全性、適用性符合要求），如何恰當(dāng)?shù)剡x擇器材或?qū)嶒?yàn)裝置使實(shí)驗(yàn)操作方便易行．這一原則在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中也很突出，主要表現(xiàn)在滑動變阻器的選擇、分壓電路與限流電路的選擇等．
�。ㄒ唬╇娏鞅韮�(nèi)、外接法的選擇
利用電流表和電壓表測電阻通常叫做伏安法測電阻，如圖所示有（a）、（b）兩種接法．(a)叫（電流表）外接法，(b)叫（電流表）內(nèi)接法．其中外接法的系統(tǒng)誤差是由電壓表的分流引起的，使電阻的測量值總小于真實(shí)值．當(dāng)被測電阻為小阻值電阻時(shí)應(yīng)采用外接法．內(nèi)接法的系統(tǒng)誤差是由電流表的分壓引起的，使電阻的測量值總大于真實(shí)值．當(dāng)被測電阻力大阻值電阻時(shí)應(yīng)采用內(nèi)接法．如果無法估計(jì)被測電阻的阻值大小，可以利用試觸法：如圖所示，將電壓表的左端接a點(diǎn)，將右端接到圖中的b點(diǎn)，記下電流表和電壓表的示數(shù)．再將右端改接到圖中的C點(diǎn)，記下電流表和電壓表的示數(shù)．比較兩次測量中電流表和電壓表示數(shù)的變化，若電流表讀數(shù)變化大，說明被測電阻是大電阻，應(yīng)該用內(nèi)接法測量；若電壓表讀數(shù)變化大，說明被測電阻是小電阻，應(yīng)該用外接法測量（這里所說的變化大小，是指相對變化，即ΔI/I和ΔU/U）．如果已知電壓表的準(zhǔn)確內(nèi)阻，那么不論是測量阻值大的電阻還是測量阻值小的電阻，都應(yīng)該采用外接法，因?yàn)檫@時(shí)電壓表的分流可以準(zhǔn)確計(jì)算出來，于是通過被測電阻的電流也可以準(zhǔn)確地計(jì)算出來．同理，如果已知電流表的準(zhǔn)確內(nèi)阻，那么不論是測量阻值大的電阻還是測量阻值小的電阻，都應(yīng)該采用內(nèi)接法，因?yàn)檫@時(shí)電流表的分壓可以準(zhǔn)確計(jì)算出來，于是被測電阻兩端的電壓可以準(zhǔn)確計(jì)算出來．
�。ǘ┗瑒幼冏杵鞣謮骸⑾蘖鹘臃ǖ倪x擇
電學(xué)實(shí)驗(yàn)中，為了多測幾組數(shù)據(jù)取平均值以減小偶然誤差，電路中需要用滑動變阻器調(diào)節(jié)電流和電壓．滑動變阻器在電路中有圖所示的（a）、（b）兩種常用的接法：（a）叫限流接法，（b）叫分壓接法．其中利用分壓接法時(shí)，被測電阻Rx上電壓的調(diào)節(jié)范圍大．當(dāng)要求電壓從零開始調(diào)節(jié)，或要求電壓調(diào)節(jié)范圍盡量大時(shí)應(yīng)該用分壓接法．用分壓接法時(shí)，為了調(diào)節(jié)方便，所用的滑動變阻器應(yīng)該選用阻值小的．限流法接線比較簡單，用限流接法時(shí)，為了調(diào)節(jié)方便，滑動變阻器應(yīng)該選用阻值和被測電阻阻值接近的．
【例4】有一電阻Rx，其阻值大約在40Ω～50Ω之間，需要進(jìn)一步測定其阻值，手邊有下列器材：
電池組ε，電動勢9V，內(nèi)阻約0．5Ω；
伏特表V，量程0～10V，內(nèi)阻20kΩ；
毫安表A1，量程0～50mA，內(nèi)阻約20Ω；
毫安表A2，量程0～300mA，內(nèi)阻約4Ω；
滑動變阻器R1、阻值范圍0～100Ω，額定電流1A；
滑動變阻器R2、阻值范圍0～1700Ω，額定電流0．3A；
電鍵S及導(dǎo)線若干。
實(shí)驗(yàn)的原理圖如圖所示，實(shí)驗(yàn)中要求多測幾組電流、電壓值．在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)選一毫安表和滑動變阻器．
解首先估算電路中可能達(dá)到的最大電流值．假設(shè)選毫安表A1，則Imax＝ε/(Rx+RA1)≈0．14（A），超過了A1的量程．又假設(shè)毫安表A2，則Imax′＝ε/(Rx+RA2)≈0．18A，未超出A2的量程，故應(yīng)選毫安表A2這一選擇遵循了安全性的原則。
對滑動變阻器而言，假設(shè)選R1，電路中的最小電流約為Imin＝ε/(Rx+RA2+R1)≈0．06A，故電路中的電流強(qiáng)度范圍為0．06～0．18A。又假設(shè)選R2，電路中的最小電流強(qiáng)度約為Imin′＝ε/(Rx+RA2+R2)＝0．005（A），電路中的電流強(qiáng)度范圍為0．005～0．18A．注意到電流表A2的量程為0．3A，當(dāng)電流強(qiáng)度為0．06A時(shí)，僅為電流表A2量程的1／5，如果滑動變阻器阻值再增大，其電流表的示數(shù)將更小，讀數(shù)誤差會更大，因此對于R2而言，有效的調(diào)節(jié)長度太小，將導(dǎo)致電流強(qiáng)度值滑動片位置的變化太敏感，即調(diào)節(jié)不方便，故應(yīng)選滑動變阻器R1．這一選擇就遵循了方便性原則．
四、準(zhǔn)確性原則
所謂準(zhǔn)確性原則，就是要求實(shí)驗(yàn)誤差小，精度高．這一原則是物理實(shí)驗(yàn)的普遍原則之一．要減小實(shí)驗(yàn)誤差，途徑是多方面的，這里只介紹如何選擇實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)裝置，以期使實(shí)驗(yàn)誤差減小到最低限度．比如說，伏特表、安培表接入電路時(shí)，應(yīng)使指針偏轉(zhuǎn)為滿刻度的2/3以上．在驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)選1、2兩點(diǎn)間距離約為2mm的紙帶．在用單擺測定重力加速度的實(shí)驗(yàn)中，擺線應(yīng)取長些，擺球應(yīng)選密度大的實(shí)心金屬小球等．
【例5】使用中值電阻為25Ω(“×1”檔）的萬用電表測量兩個(gè)定值電阻（已知它們的阻值約為R1＝20Ω和R2＝30kΩ），為了使測量結(jié)果盡量準(zhǔn)確些，應(yīng)分別選擇歐姆檔的什么倍率進(jìn)行測量？
解因?yàn)闅W姆表的刻度是不均勻的（從右到左刻度越來越密），所以使用歐姆表測量電阻時(shí)，不是指針偏轉(zhuǎn)越大越準(zhǔn)確，當(dāng)然也不是指針偏轉(zhuǎn)越小越準(zhǔn)確．事實(shí)上當(dāng)指針偏轉(zhuǎn)太大或太小時(shí)，誤差均較大，當(dāng)指針在中值電阻（既歐姆表刻度盤的中心電阻值）附近時(shí)，測量誤差較�。ǔ＿@樣規(guī)定，使用歐姆表測電阻時(shí)，應(yīng)使指針指在R中/5～5R中之間．根據(jù)這個(gè)規(guī)定，不難得出本題的答案：測量Rl時(shí)應(yīng)選擇倍率R×1檔，測量R2時(shí)應(yīng)選擇倍率R×1kΩ檔．
【例6】用伏安法測電阻，當(dāng)被測電阻的阻值不能估計(jì)時(shí)可采用試接的方法，如圖所示．讓伏特表一端接在電路的上a點(diǎn)，另一端先后接到b點(diǎn)和C點(diǎn)，注意觀察兩個(gè)電表的示數(shù)．若安培表的示數(shù)有顯著變化，則伏特表應(yīng)接在a、___________兩點(diǎn)．若伏特表的
示數(shù)有顯著變化則伏特表應(yīng)接在a、___________兩點(diǎn).
解:運(yùn)用伏安法測電阻有兩種電路，即外接法與內(nèi)接法．由于伏特表與安培表的內(nèi)阻影響，這兩種接法都是有誤差的，但電路選擇得當(dāng)，可使誤差減�。�(dāng)伏特表一端接在a點(diǎn)，另一端先后接到b點(diǎn)和C點(diǎn)時(shí)，若安培表讀數(shù)有顯著變化，說明伏特表的分流作用較大，即待測電阻值跟伏特表內(nèi)阻可比擬，故伏特表應(yīng)接在a，c之間．若伏特表讀數(shù)有顯著變化，說明安培表的分壓作用較大，即得測電阻值跟安培表內(nèi)阻可比擬，故伏特表應(yīng)接在a，b之間．本題的電路選擇遵循
了準(zhǔn)確性原則．
【例7】一個(gè)電壓表的內(nèi)阻為30kΩ左右，現(xiàn)要用伏安法測量其內(nèi)阻，實(shí)驗(yàn)室提供下列可選用的器材：
待測電壓表V（量程5V）
電流表A1（量程200μA）
電流表A2（量程5mA）
電流表A3（量程0．6A）
滑動變阻器R（最大阻值1kΩ）
電源ε（電動勢6V）
開關(guān)S及導(dǎo)線
在所提供的電流表中，應(yīng)選用（填字母代號）．
解選擇的電流表，接入電路后，首先要安全，其次要準(zhǔn)確．在最大電流不超電流表量程的前提下，應(yīng)盡量地使指針滿偏或接近滿偏．為了準(zhǔn)確地選擇該實(shí)驗(yàn)所需的電流表，必須估算電路中可能達(dá)到的最大電流強(qiáng)度，估算時(shí)應(yīng)抓住主要矛盾，忽略次要因素．Imax＝ε/RV
因?yàn)楹雎粤穗娫磧?nèi)阻，電流表內(nèi)阻，所以電路中可能達(dá)到的最大電流強(qiáng)度一定小于200μA．如果僅從安全角度看，電流表A1，A2，A3均可，但從安全與準(zhǔn)確相結(jié)合的角度看，只能選用電流表A1。
正確選擇電學(xué)器材一直是讓學(xué)生感到恐懼的地方，恐懼的原因主要是無從下手，希望本文對學(xué)生的學(xué)習(xí)有所幫助。
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