吉林省吉林市第一中学2020学年高二物理上学期 电学设计型实验的一二三四五六

吉林省吉林市第一中学2020学年高二物理上学期 电学设计型实验的一二三四五六

电学设计型实验的“一二三四五六” 电学设计性实验是近几年高考试题中常出现的题型之一，其灵活性较强，难度 也较大，这类试题要求学生在对课本中的实验原理、方法有透彻理解的基础上，能 正确使用仪器及运用实验中学过的方法综合分析解决新的实验问题．本文拟对电学 实验没计的基本原则和基本思想及常用方法进行系统的介绍，并对相应问题进行归 类分析． 一、一个“中心” 物理电学实验是每年高考的必考内容，其考查形式多样，题型也变化多端．然 而，万变不离其宗，几乎所有题型都围绕着一个核心问题，即测电阻，如测电表的 内阻、测电源的内阻等。 二、两个“基本点” 在各种实验考查题中，解决问题的最终落点多在于测量电路的选择和供电电路 的选择上． （一）测量电路的选择 电流表接入电路的方式有两种：外接法和内接法．无论采用哪种接法，由于电 表内阻的影响，都存在测量误差．为了减少误差，常采用如下方法选择电路： 1．临界值计算法 当内、外接法相对误差相等时有 Rx= A VR R 。 (1)当 Rx>>RA或 Rx> A VR R 时，选择内接法； (2)当 Rx< a b b |U -U | U 时，选用内接法；当 a b b |I -I | I < a b b |U -U | U 时，选用外接法。 （二）供电电路的选择 供电电路一般由电源和滑动变阻器按一定的连接方式组成．在供电电路中，滑动变 阻器有两种接法：如图 2所示为限流式，图 3为分压式．限流式少了一 个耗电支路，具有节省电能、电路连接简单的优点；而分压电路的优点是电压可调 范围较大． 一般情况下，两种接法的选择要从以下几方面综合考虑： (1)若负载阻值远大于滑动变阻器的总阻值，则滑动变阻器限流作用弱，若用限 流式接法，电表指针在滑动变阻器阻值改变后偏转不明显，无法测得多组数据，故 应采用分压式接法；若电阻的阻值与滑动变阻器的总电阻相差不大，分压式、限流 式都可以． (2)若要求负载上的电压或电流从零开始连续变化，必须用分压电路． (3)两种电路均可的情况下，若要求电源消耗功率小，必须用限流电路， 三、设计电路的三条原则 从设计电路的要求来看，常以下列三条原则为依据来设计电路： （一）安全性 无论电路是何种连接方式，首先要保证所用仪器的安全，如要考虑电源的电压、电 表的量程、滑动变阻器允许通过的最大电流等．即选择电表时，要保证其电流和电 压均不超量程；选择滑动变阻器时，流经滑动变阻器的电流不能超过允许通过的最 大电流． （二）精确性 尽量减小实验误差．选择电表时，应在保证电流和电压均不超过量程的前提下， 合理选择电表规格，如指针偏转一般应达到满刻度的 2/3；选择滑动变阻器时，应 注意其阻值大小对实验操作与实验过程的影响． （三）方便性 在保证实验正常进行的前提下，选用的电路和器材应便于操作，所得实验数据 要便于处理． 以上是设计电路时必须遵循的原则，在满足以上原则的同时，应尽可能节省器 材、节约能源． 四、四个基本实验 （一）测定金属的电阻率 由于该实验中选用的待测电阻丝电阻较小，所以测量电路应选用电流表外接 法．本实验对电压的调节范围没有特殊要求，被测电阻又较小，因此，供电电路可 以选用限流接法，如图 4所示． （二）描绘小电珠的伏安特性曲线 由于小电珠的电阻较小，为减小误差，应采用电流 表外接法．滑动变阻器应采用分压接法，若采用限流接 法，则即使把滑动变阻器 R的阻值调到最大，电路中还 有电流，绘出的伏安特性曲线将缺少坐标原点附近的数据．因此，若要求小电珠两 端的电压从零开始逐渐增大到接近额定电压，故滑动变阻器应采用分压接法，如图 5所示． （三）测定电源的电动势和内阻 (1)用电压表、电流表和一个可变电阻测定电池的电动势和内阻，闭合电路欧姆 定律可写成 E=U+Ir，若改变外电阻 R，就能测得关于 U、I的两组数据，代入公式可 求得 E、r的数值，实验电路如图 6所示． (2)用电流表和一个电阻箱测定电池的电动势和内阻，闭合电路欧姆定律也可写 成 E=IR+Ir，因此，如果能得到关于 R和 I的两组数据，就可以得到关于 E、r的两 个方程，也就能够求得 E、r的数值，实验电路如图 7所示． (3)用电压表和一个电阻箱测定电池的电动势和内 阻．闭合电路欧姆定律还可写成 E=U+ U r R ，如果能得到 u和 R的两组数据，同样能够通过解方程组求得 E、r的数值，实 验电路如图 8所示． 上述测量电源电动势和内阻的三种不同方法中，测量结果都要通过计算得出， 而往往为了减小误差，更常见的办法是测量多组数据后作出电源的 LT-I 图象．进一 步分析得到结果． （四）练习使用多用电表 1．用多用电表测量电压 (1)将功能选择开关旋转至直流电压挡； (2)根据待测电压的估计值选择量程，如果难以估测电压值，则应按由大到小的 顺序，先将选择开关旋转到最大量程试测，然后根据测量出的数值，重新确定合适 的量程进行测量； (3)测量时，应使多用电表与待测电路并联，使电流从“+”插孔流入电表，从 “一”插孔流出电表，检查无误后再闭合开关； (4)根据挡位所指的量程及指针所指的刻度值，读出电压表的示数． 2．用多用电表测量电流 测量通过电流时，可仿照电压的测量步骤进行，但应注意电表应串联接入待测 电路，并将选择开关旋转到直流电流挡． 3．用多用电表测电阻 主要步骤：①机械调零；②选挡：③欧姆调零；④测电阻 R，：⑤改变挡位；⑥ 重新进行欧姆调零；⑦测电阻． 4．用多用电表测量二极管的正反向电阻 二极管具有单向导电性．加正向电压时其电阻很小，加反向电压时其电阻很 大．而欧姆表中的电流是从欧姆表的黑表笔流出，经过被测电阻后从红表笔流入， 测量时，将多用电表的功能开关旋转至欧姆挡，红、黑表笔分别接到二极管的两极 上；当黑表笔接“正”极、红表笔接“负”极时，欧姆表示数较小，此为二极管的 正向电阻；当黑表笔接“负”极、红表笔接“正”极时，欧姆表示数较大，此为二 极管的反向电阻，用这种方法可以判断出二极管的极性． 五、定值电阻的五种作用 电学设计实验中，给定器材中往往有定值电阻，而定值电阻的应用在教材中却 很少涉及，所以，在此简单归纳总结定值电阻的应用，供大家参考． （一）用于改装电表或扩大已有电表的量程 常见情况有三类：(1)将电流表改装为电压表；(2)扩大电流表量程；(3)扩大电 压表量程。 例 1 为了测定一节干电池的电动势和内阻，在实验中备有下列器材： 干电池（电动势约为 1.5 V，内阻小于 1.0 ）； 电流表 G（满偏电流 1.5 mA，内阻 RG=20 ）； 电流表 A（0～0.6 A．内阻 0.1 ）； 滑动变阻器 R1(0～20 ，10 A); 滑动变阻器 R2(0～100 ，1 A)； 定值电阻 R3=980 ，开关，导线若干． 请你画出利用本题所提供的器材而设计的实验电路图 （实验数据要求尽量准确）． 分析题设电流表○A 可测外电路的电流；将电流表○G 与定 值电阻R3串联正好可改装为0～1.5 V的电压表用来测量路端 电压；多测出几组 I、U的数据，用图象法来处理数据，求出 E、r的值即可，实验电路如图 9 所示． （二）用于保护电路 例 2 现有一特殊的电池，其电动势 E约为 9 V， 内阻 r在 35～55 范围内，允许通过的最大电流为 50 mA.为测定该电池的电动势和内阻，某同学利用如 图 10 所示的电路进行实验．图中电压表的内电阻很 大，对电路的影响可以忽略；R为电阻箱，阻值范围为 0—9 999，R0是定值电阻， 实验室备有的定值电阻 R0有以下几种规格： A.10 2.5W B. 50 1. 0 W C.150 1.0 W D.1 500 5.0 W 本实验应选用 ，其作用是 . 分析 开关S闭合后，电路中电阻的最小值R= m E 9= I 50  =180 ,而r在35—55 范围内，故选择 R0=150 范围内，较为合适；根据选项 C 可计算出所选定值电阻 R0的额定电流 I= P R = 1 A 150 =81.6 mA>50 mA，故选 C，其作用是保护电路． （三）用来增大待测量，减少实验误差 例 3在“测电源电动势和内阻”的实验中，实验室提供了下列器材： 电压表 V1（0—3 V)．电压表 V2(0—15 V)； 电流表 A1(0～0.6 A)，电流表 A2(0～3 A)； 滑动变阻器 R1(0～10，2 A)； 滑动变阻器 R2(0-100，0.5A)； 阻值为 l的标准定值电阻 R0； 开关 1只，导线若干． 已知待测电源为电动势约 2V．内阻约 0.1的蓄电池，为了使测量出的电动势 和内阻都尽可能准确，实验时电压表应选 。电流表应选 ，滑动变阻器 应选 。请画出本实验的电路图，并简要说明你的理由． 分析 考虑待测电源电动势和内阻的大约值，从读数要求出发，不难确定电压 表应选 V1．电流表应选 A1。由于滑动变阻器 R2允许通过的最 大电流为 0.5A．从安全角度考虑，滑动变阻器应选用 R1，实 验电路原理如图 11 所示， 电路中为什么要接入定值电阻 R0？若不接 R0，电压表读 数变化范围很小，因为路端电压 U=IR= E R+r ·R= E r1+ R ，当 r<>Rg时，测量误差小，此方法适合测小阻值电流 表内阻，且测量值偏小，电源电动势宜大一些，以便于电流计达 到满偏． (2)半偏法测电压表内阻，如图 20 所示，测电压表 V的内阻方法如下： ①将滑动变阻器的滑片 P滑到最右端，电阻箱 R的阻值调到最大；②闭合 Sl、 S2，调节 R，使电压表示数指到满刻度；③断开 S2，保持 R 不变，调节 R'，使电压 表示数指到满刻度的一半；④综上可得 Rv=R’． 6．惠斯通电桥法 电桥法是一种较精确测量电阻的方法，但这种方法在教学中很少用到．电路如 图 21 所示． (1)原理：当 A、B 两点的电势相等时，通过电流计 G的电流强度 Ig=0，此时称 为电桥平衡（可通过调节 R3的值来实现）．根据分压定律可知 31 2 x RR = R R  Rx= 2 3 1 R R R (2)变形：由于电阻箱阻值不能连续变化，可能导致无法 Ig=0，所以可结合 图 22 改进电路（阴影部分为金属丝），由上述原理可 知 Rx= 2 0 1 L R L