电学设计性实验导析1124

1电学设计性实验导析山东省沂源一中杨成柱任会常（特级教师）来源：2009年上半年《试题与研究》一、命题趋势近几年，高考实验题发生了明显的变化，已经从课本的分组实验，延伸到课本的演示实验，并且出现了设计型实验。对于实验能力也有明确的要求，“能灵活地运用已学过的物理理论、实验方法和实验仪器去处理问题”。在理科综合《考试说明》中，也把“设计和完成实验的能力”作为重要的考试目标之一。完整的设计一个实验，要经历诸多环节。在实际实验考查中，一般只考查其中的几个环节。比如题目给出了实验条件和实验器材，要求阐述实验原理的；题目给出实验电路图，要求在领会实验原理的基础上，确定需测量的物理量写出计算公式的；题目给出实验操作步骤及测定的物理量判断实验原理、进行误差分析的等等。虽然考查方式不尽相同，但目前高考中几乎所有的设计型实验题都有一个共同点，都是在给出实验器材的前提下进行考查，而且都以不同方式或多或少的对实验原理作了一定的提示，以此降低一点难度和减少考生做题目时的盲目性。在上海的高考试题中，设计型实验出现了很好的测试效果。以上海试题为引导，全国的高考实验题也逐渐转向了设计型的实验。在众多的设计性实验中，电学设计性实验尤为突出。为什么命题专家热衷于这一部分的考查呢？原因很简单，在这一部分命题，能够考查同学们电路计算、器材选择、实物连图、数据处理、综合构思、误差分析等多方面的分析综合能力。需要同学们具备较高的素质，才能较好的完成给你设定的任务。本文就从电学设计性实验出发探讨几个问题供读者朋友参考，希望能给你以帮助。实验理论知识给我们以指导，实验实践给我们以启发，我们来做这两方面的工作。二、实验理论（一）认识设计电路的结构一个实验电路大体可分为供电部件、控制部件、测量部件和研究部件。供电部件由电源充当，电源供给电路中的电能，维持电路中一定的电压或电流；控制部件一般由滑动变阻器、电键充当，电键切断或接通电路，改变电流的方向，滑动变阻器控制输出电压或电流的大小；测量部件一般是电流表或电压表，主要是显示研究对象的电流或电压。研究部件就是电学研究对象，灯泡、电阻、电动机、二极管等等。研究部件是中心，其它三个部件都服务于这一中心。（二）熟悉设计电路的基本仪器1．电源电源是进行电路设计的必选仪器。电源存在有内阻和无内阻两种情况。选择时，一般根据研究对象的额定电压和额定电流来确定，有时根据测量的准确性来确定（比如半偏法测表头内阻实验）。2．电压表和电流表在多数情况下，电压表和电流表都被视为理想电表，即电压表内阻无穷大，电流表内阻为零，此时电表的接入对电路是没有影响的。但是在某些题目中电表并不是理想的，这时电表既是一个测量仪表，又是连接在电路中的一个电阻。电流表读数给出了通过该内阻RA的电流，电压表读数给出了内阻RV两端的电压。选择的根据是不使电表受损和尽量减少误差。首先保证流过电流表的电流和加在电压表上的电压均不超过使用量程，然后合理选择量程，务必使指针有较大偏转（一般要大于满偏度的1/3）。电流表和电压表量程一般根据研究对象的额定电压和额定电流、同时参考电源的电动势来选择。3．定值电阻单一阻值的定值电阻，在电路中充当保护电阻或用来改装电表量程。众多阻值的电阻箱，在电路中的作用是给出可变的定值电阻，用来控制电路，可调电阻是不连续的。4．滑动变阻器滑动变阻器有4个接线柱：A、B、C、D，如图1所示。接C和D时，滑动变阻器相当于定值电阻，不起变阻作用；接A和B时，接入电路的电阻为零，也图12不起变阻作用。滑动变阻器在电路中只是起辅助作用，是配角，它对测量电路起调节电压，或者调节电流的作用。根据测量电路的要求，滑动变阻器在电路中有两种接法，一种叫限流式接法，一种叫分压式接法。这两种接法，滑动变阻器在电路中对研究对象（待测电阻或灯泡等）的控制作用是不同的。比如，如图2所示的电路中，滑动变阻器的滑动头移动时，灯两端电压的调节范围不同。采用滑动变压器的分压式接法时（见图2左），灯两端的电压能从零开始逐渐增大，但是采用图2右所示的滑动变阻器的限流式接法时，灯两端的电压不会从零开始增大。在具体的实验设计里滑动变阻器究竟用哪一种接法，要根据具体的问题来定论，下面提供的信息对你选择滑动变阻器的接法有帮助：（1）如果滑动变阻器的最大值已经连入电路，计算出的电流值还是超过某一用电器的最大允许电流，在这一种情况下，别无选择，我们就只能用滑动变阻器的分压式接法。（2）如果要求研究对象的电流从零开始变化，尽可能的多取几组数值，在这种情况下，别无选择，我们只能用滑动变阻器的分压式接法。（3）当研究对象的电阻远大于滑动变阻器的最大值时,且实验要求研究对象的电压变化范围较大(或要求测量多组数据)时,在这种情况下，别无选择，我们只能用滑动变阻器的分压式接法。（4）如果滑动变阻器的两种接法都能满足实验的要求，我们更多的是用滑动变阻器的限流式接法，因为这种接法连线简单，并且节约电能。当然，如果你用分压式接法也行。（三）总体把握设计实验的要领1．器材选择的技巧：选择单一的器材；选择有利于调节有利于读数的器材；对于多量程的电表，在保证读数准确的情形下，不能超过电表的量程。2．电流表和电压表同时服务测量同一个用电器的电流和电压时，要考虑电流表的内、外接法问题。3．实验中用到滑动变阻器时，要考虑滑动变阻器的限流式接法还是分压式接法问题。4．实物连图有要领：先串后并要冷静（从电源的正极出发），正负极性要分清，开关控制全电路，导线不能交叉行，触头位置要恰当。（四）对电阻箱、电流表和电压表的深层次认识电阻箱是能读出自身电阻的特殊的电阻；电流表是能读出流过自身电流的特殊电阻，电压表是能读出加在自身两端电压的特殊电阻。有些设计题目给出了电流表内阻的准确值，此时的电流表既是个电流表又是个“电压表”。这个“电压表”如果和某个研究对象并联，就可以“读出”研究对象两端的电压；同样，如果设计题目给出了电压表内阻的准确值，此时的电压表既是个电压表又是个“电流表”，这个“电流表”如果和某个研究对象串联，就可以“读出”流过研究对象的电流。已知准确内阻的电流表和电压表，给了我们更多的信息。三、常见实验高中电学实验中，电阻测量的方法是电学实验的基础，也是实验设计的基础，以此潜移默化其它的电学实验。我们就从最常见的、最易考查的电阻的测量来体会，以此得到启发。测量电阻的实验方法常见的有下面几种：1．替代法如图3所示，先把开关搬到1，读出电流表的示数I，再把开关搬到2，调图2图33节电阻箱的阻值，使电流表的示数仍是I，读出此时电阻箱的读数，即等于待测电阻的阻值。这就是替代法的来历。常常用到单刀双掷开关。用类似的方法，用一块电压表和一个电阻箱你如何设计电路来测量待测电阻的阻值？2．欧姆表测量法此法操作方便，但是误差较大，不能用于较准确的测量。3．电桥法如图4所示，R1、R2为已知电阻，R3为电阻箱,RX为待侧电阻，调整电阻箱R3的阻值，使A、B两点电势相等，灵敏电流表G中无电流，此时231xRRRR，此法可用于精密电阻的测量。4．半偏法此法用于比较特殊的电阻的测量。我们在把小量程的电流表改装成大量程的电流表、电压表时，需要知道的一个参量就是小量程电流表的内阻Rg，而这个电阻Rg我们是不能用伏安法来测量的。（因为小量程电流表的最大电流Ig本来就比较小，用和它并联的伏特表来测它两端的电压，伏特表的指针几乎不偏转，即伏特表没有示数。）如图5所示，是半偏法测电流表内阻的电路图，其中R1是阻值超过万欧的大电阻，R2是电阻箱。实验时先闭合S1，调节R1使电流表满偏，即为最大电流Ig，再合上S2，调节电阻箱的阻值使电流表指针偏转到满刻度的一半12gI(这就是半偏的来历)，读出此时电阻箱的阻值R0，当满足R1远远大于R0时，我们就认为Rg=R0。这样测量的原理是R1的阻值很大，R2、Rg的阻值都是很小很小的零头，以至于可以忽略，在S2合上前后认为电路的总电流保持为Ig不变化。用类似的方法，电流表G可以做到13偏或者是23偏等等。5．伏安法I．常见的实验是电流表和电压表配合使用测量电阻。利用电流表和电压表同时测出电阻的电流I和电压U，再用公式xURI算出电阻。由于两块电表同时接入电路，要考虑电流表的内、外接法问题。对于电流表内接法来说（见图6左），电流表所测得电流为待测电阻的电流，I测=I真；电压表测得的电压大于待测电阻两端的电压，Ｕ测＞Ｕ真，这样，电阻测量值大于电阻的真实值。电流表的内阻比待测电阻的阻值小得越多，由于电流表的分压引起的误差越小。对于电流表的外接法来说（见图6右），电压表测得的电压为待测电阻两端的电压，Ｕ测=Ｕ真，电流表测得的电流大于流过待测电阻的电流，I测＞I真，这样，电阻的测量值就小于待测电阻的真实值。电压表的内阻比待测电阻的阻值大得越多，由于电压表的分流引起的误差越小。不管是选用电流表的内接法还是电流表的外接法，电阻的测量值都不等于真实值，都有误差。我们只能尽量减小误差，当Rx＜＜Rv时，用电流表外接法引起的误差较小；当Rx＞＞RA时，用电流表内接法引起的误差较小。有时，题目给出了电流表或者电压表内阻的准确值，我们设法求出待测电阻两端的实际电压和流过电阻的电流的实际值，在这种情况下，也能求出待测电阻的真实值。II．伏安法测电阻的一些变形。题目要求你测量一个未知电阻的阻值，但是，并没有直接给出电压表和电流表，而是给出了两块电流表或者是两块电压表，同时电流表的内阻或者电压表的内阻也准确的给出来了，这时，正像前面所说的，其中，一块电流表要充当电压表的角色，或者一块电压表要充当电流表的角色。图4图5图64四、例题解析例1．某电压表的内阻为20～50kΩ之间，现要测量其内阻，实验室提供下列可供选用的器材:待测量电压表V(量程3V)；电流表A1(量程200μA)；电流表A2(量程5mA)；电流表A3(量程0.6A)；-滑动变阻器R(最大阻值lkΩ)；电源ε(电动势4V)；开关S.(1)所提供的电流表中，应选用________(填写字母代号).(2)为了尽量减小误差，要求测多组数据，试在如图7所示方框中画出符合要求的实验电路图(其中电源和开关及其连线已画出)。分析：流过待测电压表的最大电流约是150105.11020343RUI，为了精确测量选用电流表A1。又由于为了尽量减小误差，要求测多组数据，这样滑动变阻器采用分压式接法。解：A1；实验电路图如图8所示。点评：这是一个测电压表内阻的实验，由于电压表能显示自身两端的电压，故只要再选一块电流表测出流过电压表的电流来即可，而题目三块电流表的选取，既要不能超过电流表的量程又要减小读数误差，是通过尝试计算选出的。例2．（2000年全国高考题）从下表中选出适当的实验器材，设计一电路来测量电流表A1的内阻r1。要求方法简捷，有尽可能高的测量精度，电流表A1的电流从零开始变化。器材（代号）规格电流表（A1）量程10mA、内阻r1待测（约40Ω）电流表（A2）量程500μA、内阻r2=750Ω电压表（V）量程10V、内阻r3=10kΩ电阻（R1）阻值约为100Ω、做保护电阻用滑动变阻器（R2）总阻值约为50Ω电源（E）电动势1.5V、内阻很小开关（S2）、电线若干（1）画出电路图，标明所用器材的代号。（2）若选测量数据中的一组来计算r1，则测量的表达式为r1=，式中各符号的意义是：。分析：题中必选的器材是电源、开关、导线。题目要求待测内阻的电流表A1的电流从零开始变化，因此，只能采用滑动变阻器R2的分压式接法。由于电流表A1两端的电压的最大值约是0.4V，故电阻R1做保护电阻来使用。也由于电流表A1两端的电压的最大值约是0.4V，因此，若是电压表并联测量电流表两端的电压，量程是10V的电压表的指针几乎不偏转，因而不能用电压表测电压。而电流表A2的内阻r2的准确值知道，通过电流表A2的电流I2可以算出A2两端的电压Ｕ2=Ｉ2ｒ2，这样电流表A2充当电压表，由2211IrIr，解得2211IrrI。（其中I1，I2分别是电流表A1和电流表A2中的电流。）解：（1）如图9所示S图8图