高中物理知识全解 6.15 电学实验的创新设计

高中物理知识全解 6.15 电学实验的创新设计

高中物理知识全解 6.15 电学实验的创新设计 ‎ 一、设计型实验的设计原则和思路 ‎①设计原则 ‎1、科学性：设计的方案应有科学的依据及正确的方法。‎ ‎2、安全性：按设计方案实施时，应安全可靠，不会损坏器材。‎ 例：选用电压表或电流表时其量程不能小于被测电压或电流的最小值；设计方案时，应设置保护措施，用电器额定电流太小或电表量程太小时，供电电路设计成分压式，有时甚至还应给用电器串联保护电阻等。‎ ‎3、精确性：在误差允许范围内应尽可能选择误差较小的方案。‎ 例：使用电表前应进行机械调零；选择电流表、电压表量程时，在确保安全性的前提下应选择较小的量程，测量时指针应至少偏转到满刻度的1/3以上；针对实验中可能出现的因操作而带来的偶然误差，往往多次重复实验，获取多组实验数据，然后采取平均值法（其中包括图象法）来处理数据求解。‎ ‎4、方便易行、节能省材。‎ 例：测量电阻时，在满足实验条件的情况下可设计成替代法或半偏法；设计供电电路时，如果限流式和分压式均可，则应设计成限流式。‎ ‎②设计思路 设计类实验属实验知识的运用类，题在书本外，理在书本内。在熟练掌握书本基础实验的基本原理和实验技能、技巧的基础上，认真审题，寻找实验原理，设计出最优方案。‎ 流程如下：实验目的和实验器材→实验原理→电路图→实验步骤→用测量量表示的待测量的表达式→误差分析。‎ 注意：选择仪器设计电路时并非一定要把所有的仪器都用上，只要科学合理即可。‎ ‎【例题】一个标有“3.8 V,‎0.3 A”字样的小灯泡，其灯丝的电阻会随温度的升高而变化，一探究性学习小组在实验室研究这一问题，现实验室备有以下实验器材：‎ 器材名称 代号 参 数 电池组 E 电动势9 V，内阻0.5 Ω 电压表 V1‎ 量程0～5 V，内阻2.0 kΩ 电压表 V2‎ 量程0～15 V，内阻3.0 kΩ 电流表 A1‎ 量程0～0‎.3 A，内阻2.0 Ω 电流表 A2‎ 量程0～6 A，内阻0.4 Ω 滑动变阻器 R1‎ ‎0～10 Ω，额定电流‎2 A 滑动变阻器 R2‎ ‎0～100 Ω，额定电流‎0.5 A 固定电阻 R0‎ ‎5 Ω，额定电流‎5 A 开关 S 一个 导线 M 若干 实验时要求测量范围尽可能大，且要求灯泡上的电压从0开始调节，测量结果尽可能准确．‎ ‎(1)现在有下图所示的a、b、c、d四个电路，其中可选用的电路有________．‎ ‎(2)在实验中，应当选用的实验器材有电压表________，电流表________，滑动变阻器________．(填器材名称代号)‎ ‎(3)该小组某同学通过实验描绘出小灯泡的I－U图线，如图一所示，试根据图线中给出的数据，求出小灯泡在工作点A和B的电阻值分别为________、________.‎ 注意：设计电路要尽量减小误差或避免误差。‎ ‎【例题】待测电阻Rx（约为几百欧姆），为了较准确测量Rx，除Rx外，实验室提供了如下器材：‎ A.电源E 电动势3V，内阻不计； B.电流表A1 量程0～10mA、内阻r1约为500Ω C.电流表A2 量程0～500μA、内阻r2=1000Ω D.滑动变阻器R1 最大阻值20Ω 额定电流2A E.定值电阻R2=5000Ω F.定值电阻R3=500Ω 电键S和导线若干 ‎(1)试设计出测量电路（标出所选器材符号）‎ ‎(2)若两电流表的读数分别为I1=6.2mA，I2=300μA，待测阻值Rx= Ω（保留小数点后1位数字）‎ 二、测量电阻的几种常用设计方案 注意：设计测量电阻的电路实验时，是以基础实验伏安法测电阻的思想与原理为指导，再结合电学原理和性质综合求解（例：一表多用；串、并联性质等）。‎ ‎①一表多用 由欧姆定律可知，若知道电流表的内阻则电流表在一定条件下可以当电压表使用；若知道电压表的内阻则电压表在一定条件下可以当电流表使用。‎ ‎【例题】某同学为了描绘一个标有“12 V,6 W”的小灯泡的伏安特性曲线，他到实验室寻找到了一些仪器，但没找到电压表，找到的器材规格如下：‎ a．电流表A1(0～0.5 A，内阻为0.5 Ω)； b．电流表A2(0～0.6 A，内阻约为0.3 Ω)；‎ c．电阻箱R1(0～9 999.9 Ω，最小调节量0.1 Ω)； d．电阻箱R2(0～99.9 Ω，最小调节量0.1 Ω)；‎ e．滑动变阻器R3(0～50 Ω，额定电流为‎1.5 A)； f．滑动变阻器R4(0～5 Ω，额定电流为‎3 A)；‎ g．16 V直流电源； h．开关、导线若干，待测灯泡．‎ 利用现有器材，结合所学知识，请你替这位同学设计本实验．‎ ‎(1)画出实验原理图；‎ ‎(2)以上器材中电阻箱应选用________，滑动变阻器应选用________(填代号)；‎ ‎(3)写出小灯泡两端的电压表达式，并说明式中符号的意义：____________________________________.‎ ‎【例题】用以下器材测量一待测电阻的阻值（）：电源E，具有一定内阻，电动势约为9.0V；电压表V1，量程为1.5V，内阻r1＝750Ω；电压表V2，量程为5V，内阻r2＝2500Ω；滑动变阻器R，最大阻值约为100Ω；单刀单掷开关K，导线若干。‎ ‎（1）测量中要求电压表的读数不小于其量程的，试画出测量电阻Rx的一种实验电路原理图(原理图中的元件要用题目中的相应的英文字母标注）。‎ ‎（2）若电压表V1的读数用U1表示，电压表V2的读数用U2表示，则由已知量和测得量表示Rx的公式为Rx=____________________。‎ ‎②串、并联性质 注意：串联电路电流相等，并联电路电压相等。‎ ‎1、两电流表并联测表的内阻 ‎2、两电流表串联测表的内阻 ‎3、两电压表串联测表的内阻 ‎4、两电压表并联测表的内阻 ‎5、电流表与电压表串联测表的内阻 ‎6、电流表与电压表并联测表的内阻 拓展：若电表为理想电表，则可以设计如下图所示的电路测电阻。‎ ‎③半偏法 ‎1、半偏法测G表（或A表）的内阻。‎ I、实验原理：‎ II、误差分析：‎ 假设G表的满偏电流为，则闭合后，由于并联后的总电阻，故闭合后保持滑动变阻器R不动，调节电阻箱使G表半偏时的干路电路>,所以G表半偏时，实际上流过电阻箱的电流会大于流过G表的电流，所以实际上此时电阻箱的阻值,所以U表半偏时，实际上在电阻箱两端的电压会大于V表两端的电压，所以实际上此时电阻箱的阻值>V表内阻，即：‎ 注意：用此半偏法测某一电压表V的内阻时，为了减小误差，应使滑动变阻器的阻值远远小于V表的内阻，同时应选用电动势较大的电源。‎ ‎④电桥法 ‎1、实验原理：‎ ‎⑤替代法 用一个电阻箱替代被测电阻，调整电阻箱的阻值，使电路恢复到替代前的状态，则被测电阻等于电阻箱的阻值。‎ ‎1、电流表与电阻箱：‎ ‎2、电压表与电阻箱：‎ ‎⑥求差法