高考物理一轮件几种重要电学实验器材接法和选取原则

几种重要的电学实验器材的接法与选取原则一、伏安法测电阻1．原理：根据欧姆定律R＝UI，只要测量出待测电阻Rx两端的电压U及流过的电流I即可．2．测量器材：电流表、电压表．3．电流表的内接法和外接法的比较内接法外接法电路图内接法外接法误差原因电流表分压U测＝Ux＋UA电压表分流I测＝Ix＋IV电阻测量值R测＝U测I测＝Rx＋RARx测量值大于真实值R测＝U测I测＝RxRVRx＋RVRx测量值小于真实值适用条件RA≪RxRV≫Rx适用于测量大电阻小电阻4.两种电路的选择(1)阻值比较法：若已知待测电阻估计值，先将待测电阻值与电压表、电流表内阻进行比较，若Rx较小，宜采用电流表外接法；若Rx较大，宜采用电流表内接法．简单概括为“大内偏大，小外偏小”．(2)临界值计算法：当RxRVRA时，Rx为小电阻，用电流表外接法；当RxRVRA时，Rx为大电阻，用电流表内接法．(3)实验试探法：按图所示接好电路，让电压表的一根接线柱P先后与a、b处接触一下，如果电压表的示数有较大的变化，而电流表的示数变化不大，则采用电流表外接法；如果电流表的示数有较大的变化，而电压表的示数变化不大，则采用电流表内接法．【重点提示】不论采取哪种接法，总会存在误差，之所以选取内、外接法，只是为减小误差罢了．例1欲测量一未知电阻Rx，但不知其未知电阻约为多少，现采用如图甲、乙所示两电路进行测试，闭合开关，甲图中电压表示数为2.9V，电流表示数为4mA，乙图中电压表示数为3V，电流表示数为3mA，则下面对于Rx的叙述正确的是()A．采用甲图误差较小，Rx的测量值为725ΩB．采用乙图误差较小，Rx的测量值为1000ΩC．Rx的真实值应在725Ω～1000Ω之间D．若电源内阻不计，可知Rx的真实值为975Ω【解析】ΔUΔU1＝129ΔII1＝14，所以电压表读数差别不大，说明电流表分压作用小，即电流表内阻较小，所以用乙图测量误差小，测量值Rx＝U2I2＝1000Ω，采用甲图的测量值Rx＝U1I1＝725Ω，Rx的真实值应在725Ω～1000Ω之间，若电源内阻不计，由闭合电路欧姆定律，得对甲图E＝U1＋I1RA①对乙图E＝U2＝I2(RA＋Rx)②由①②得Rx＝975Ω，选项B、C、D正确．方式内容限流式接法分压式接法对比说明两种接法电路图串、并联关系不同负载R上电压调节范围RER＋R0≤U≤E0≤U≤E分压电路调节范围大二、滑动变阻器的限流式接法和分压式接法1．两种接法比较方式内容限流式接法分压式接法对比说明负载R上电流调节范围ER＋R0≤I≤ER0≤I≤ER分压电路调节范围大闭合S前触头位置b端a端都是为了保护电路元件由上表可以看出：滑动变阻器的分压式接法中，电压和电流的调节范围大，限流式接法较节能．2．两种接法的选择(1)例如变阻器的全阻值是20Ω，而用电器的电阻是200Ω，用限流电路时，总电阻的变化范围是200Ω至220Ω，电流变化范围太小；若用分压电路，电压和电流的调节范围就可以很大．所以，只能用分压电路．如果变阻器的阻值比用电器的阻值大，如用电器的电阻是200Ω，变阻器的全阻值是400Ω或者更大一些，变阻器滑片的移动将使电流或者电压有明显的变化，就可以采用限流电路了．结论1：如果滑动变阻器的全阻值比用电器电阻小时用分压电路．反之采用限流电路．(2)两种电路的调节范围是不同的，例如用电器(电阻R)电阻20Ω，变阻器的全阻值是20Ω，电源内电阻不计，电动势为6V.若采用分压电路，R两端电压的调节范围是0V～6V，若采用限流电路，用电器两端电压调节范围是3V～6V.显然分压电路的电压调节范围大得多，而且是从零开始的，这是分压电路的优点和特点．结论2：如果题目要求“尽量大的调节范围时”，或者要求用电器的“电压(或电流)从零开始”时，只能用分压电路．(3)如果用电器为“0.5A,2.5W”的电阻，用12V的电源向用电器供电，现有一个全阻值为10Ω的变阻器，怎样连接才能使用电器正常工作呢？用电器电阻为10Ω，若将变阻器接限流电路，即使变阻器取最大值，电路中的电流(0.6A)也会超过用电器的额定电流，可见在这种情况下用限流电路是不安全的．若采用分压电路，只要注意滑片位置，就可以保证安全．另外，有些情况虽然最小电流不超过额定电流(或电表量程)，但已接近额定电流(或电表量程)时，这样电流的调节范围太小，此时，也不能用限流电路，而应采用分压电路．结论3：当变阻器阻值过小，作限流接法不能把电流(电压)限制在安全范围内时，只能用分压电路．(4)有些情况(经判断)既可采用限流式，又可采用分压式，应采用哪种电路呢？计算表明，分压电路消耗的电功率比限流电路要大，并且分压电路复杂，最好采用限流电路．结论4：用分压电路，消耗的功率大得多．所以，在两种电路都可以用的情况下，要优先选用限流电路．例2用伏安法测量一个定值电阻的阻值，所需器材及规格如下：(1)待测电阻Rx(约100Ω)(2)直流毫安表A(量程0～10mA，内阻50Ω)(3)直流电压表V(量程0～3V，内阻5kΩ)(4)直流电源(输出电压4V，内阻不计)(5)滑动变阻器(最大阻值为15Ω，允许最大电流1A)(6)开关一个，导线若干条为了较准确地测量电阻阻值，根据器材的规格和实验要求，在本题的实物图上连线．【解析】本题的电路选择有两种：一是滑动变阻器两种电路的选择；二是伏安法两种电路的选择．若采用限流电路，由题给条件，电路中干路最小电流为I干min＝41＋50＋100A＝24mA.显然，超出了直流毫安表的量程．且由变阻器阻值R＝15ΩRx2知，滑动变阻器应选用并联分压电路，由R0＝RARV＝500ΩRx知，应选择外接法．最后画出电路图如图甲所示，实物连线如图乙所示．【答案】见解析跟踪训练1用伏安法测金属电阻Rx(约为5Ω)的值，已知电流表内阻为1Ω，量程为0.6A，电压表内阻为几千欧，量程为3V，电源电动势为9V，滑动变阻器的阻值为0～6Ω，额定电流为5A，试画出测量Rx的原理图．诱思启导(1)将待测电阻Rx的阻值跟电流表内阻(1Ω)和电压表内阻(几千欧)相比较，电流表应采用内接法还是外接法引起的误差小？(2)只从Rx和变阻器的阻值判断，变阻器可以接成限流式吗？估算一下Rx的最小电压，再跟电压表量程相比较，变阻器应采用什么接法？【解析】待测金属电阻Rx≪RA·RV.应采用电流表外接法．如果采用变阻器限流接法，负载Rx的电压Umin＝56＋5×9V＝4511V，Umax＝9V，调节范围4511V～9V，显然所提供的电压表量程不够，应采用分压接法，实际电路应如上图所示．【答案】见解析图三、电学实验中仪器的选取电学实验中，合理地选择实验器材，在确保实验顺利完成以及提高实验的精确度和安全度等方面都是十分重要的．在实验器材的选取上应遵循以下几种原则：(1)可行性原则：要根据实验要求和实际条件选用合适的仪器使实验切实可行，以达到目的．比如手头有两个电压表，一个量程是3V，另一个是15V，要测量的元件的电压可达到10V，从可行性原则上分析，当然只能选用15V量程的电压表了．(2)安全性原则：因为各种电表均有量程，用电器及电源都有最大允许电流或功率，因此选择电表时应考虑其量程不小于或接近用电器的最大允许电流或电压，另外，电路中的控制器材(如滑动变阻器、保护电阻等)应能够将电压、电流控制在安全范围以内，否则将烧坏用电器或测量电表．(3)准确性原则：根据实验的需要，选取精度合适的测量仪器．如：电器中电流是毫安级的，应选毫安电流表而不应选量程几安培的电流表．特别注意的是电表的量程不是越大越好．如电压表、电流表测量时，应使表针在13或12至满偏范围内读取测量值，指针偏角太小读取的测量值误差会很大．当然也不是越精越好，只要精度够用就行．比如测单摆摆长，精确到毫米即可．(4)可操作性原则：实验时要调节方便，易于操作．比如对滑动变阻器，如果是用分压法连入电路的，则应选用小阻值的滑动变阻器，只有这样，在移动滑动触头时，相应的用电器上的电压变化才会明显，电压变化与滑动距离几乎成线性关系．如果选用大阻值的滑动变阻器，就会出现在移动滑动触头时，刚开始时用电器上的电压几乎不变，过了某位置后又突然增大的现象，不易操作，也会带来较大误差．综上所述，实验仪器的选择要同时兼顾多种因素的影响，考虑尽量全面，切不可只顾某一方面的要求而忽视其他条件的制约．下面对几种常用的电学实验器材的选取给出指导性意见：(1)电源的选取：电源是为实验电路供电的，若给出多种电动势的电源，应由用电器的额定电压或实验过程中的最大电流(U＝IR)决定．一般应使电动势等于额定电压或电路中最大电压．(2)电压表的选取：①量程应大于用电器的额定电压．②测量时指针偏转应大于13量程，并不是量程越大越好，这样可减少“电压表指针偏角越小误差越大”造成的误差．③根据电源电动势判断：量程应接近电源电动势或稍小于电动势．④由实验中的最大电流(U＝IR)选定电压表量程．另外，两种表量程接近，取内阻较大的，这样电压表分流造成的误差小．(3)滑动变阻器的选取：根据实验原理，若滑动变阻器用于限流式接法应使其总阻值大于待测电阻或用电器的电阻，以便电流有较大的调节范围；若用分压式接法应使滑动变阻器总阻值小于待测电阻或用电器的阻值，以满足调节方便之原则．(4)电流表的选取：当实验电路原理图确定后，电源、滑动变阻器也选定后，最后确定电流表．①由用电器的额定电流确定电流表的量程．一般应使电流表量程接近或大于额定电流．②根据实验电路图，估算电路中的最大电流(I最大＝ER最小)和最小电流(I最小＝ER最大)即可确定电流表量程．特别注意，在选取电流表时，多数情况都要根据题目要求，估算电路中的电流才能确定电流表的量程．例3(2010·泉州质检)某同学要测量一定值电阻Rx(约300Ω)的阻值，现提供了下表中的器材：电池组E(电动势3V，内阻很小)滑动变阻器R1(0～20kΩ，额定电流1A)电压表V1(量程0～3V，内阻约3kΩ)滑动变阻器R2(0～20Ω，额定电流2A)电流表A1(量程0～10mA，内电阻约5Ω)开关S电流表A2(量程0～0.6A，内电阻约0.25Ω)导线若干【解析】(1)因IA＝ERx＝3V300Ω＝10mA，电流表应选A1；而RV＝10Rx，Rx＝60RA1，则电流表应内接；若限流，R1太大，而Rx＝15R2，则R2的调控作用不明显，故采用分压接法，且滑动变阻器应选R2；(2)如图甲所示；(3)如图乙所示．【答案】(1)A1R2(2)如图甲所示(3)如图乙所示