高考物理电学实验复习(电路设计与仪器选择)

23《电路设计与仪器选择》实验电路设计的原则1、安全性2、精确性3、方便性4、误差小5、仪器少6、耗电少专题解说知识概要与方法专题解说一.仪器的选择对实验仪器的选择，在进行正确测量的前提下，一般遵循以下原则：⑴安全性原则：要保证所用仪器的安全，注意考虑电源的电压、电表的量程、滑动变阻器允许通过的最大电流等。选择电表时，保证其电流和电压均不超过使用的量程。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。⑵精确性原则：尽量减小实验误差。选择电表时，在保证电流和电压均不超过使用量程的前提下，合理选择量程。务必使指针有较大偏转（一般取满偏度的2/3），一般能用小时不用大。选择滑动变阻器时，注意其阻值的大小对实验操作和对实验的影响，一般能用小时不用大。对某个实验来讲，精确程度够用即可，并不是精度越高越好。专题解说⑶操作性原则：实验时需考虑调节方便，便于操作，如滑动变阻器的选择，既要考虑它的额定电流，又要考虑它的阻值范围，在二者都能满足实验要求的情况下，还要考虑阻值大小对实验操作中是否调节方便的影响。选择的一般步骤是：①找出唯一性的器材；②草画电路图（暂不把电表接入）；③估算最大值（在限流电路中把滑动变阻器触头推向最小值）；④考虑能否都使电表达到满偏的1/3以上。专题解说二.供电电路与滑动变阻器的选择①限流电路设路端电压为U，滑动变阻器的有效电阻为接线柱a和P之间的电阻RaP，灯泡的电阻为RL，则通过灯泡的电流强度为RLεPab灯泡两端的电压为LapUI=R+RLLLapRUU=R+R若滑动变阻器的总阻值为R，则灯泡两端电压的变化范围是LLLRεUεR+R可见滑动变阻器的总阻值R越大，灯泡两端电压的变化范围越大。但若R比RL大得多，则滑动头稍有移动，电流电压便有很大变化,则不便于调节RL两端的电压,不宜采用。专题解说②分压电路设路端电压恒为U，这个电压分布在滑动变阻器的全部电阻丝上，而灯只分得其中接线柱a和P之间的电压。移动滑动变阻器的滑片P，增加a和P之间的电阻RaP，灯泡两端的电压就会随之增大。RLpεab灯泡两端电压的变化范围是L0Uε如果只从用电器两端电压的变化范围看，好像滑动变阻器的阻值多大都行，但是滑动变阻器的阻值越大越不便于调节用电器两端电压，且耗能越大.使用限流电路时,一般选用滑动变阻器的全电阻和用电器的电阻相差不多或大几倍,在2—5倍为好,这样既便于调节,用电器两端电压变化范围又比较大.若过小,则不能有效地控制电流,过大则控制电流不平稳,会造成电流值跳跃太大.专题解说a．用电器两端电压要求变化范围较大，或从零开始连读可调，应选分压电路。b．如果采用限流电路时，电路中最小电流等于或大于用电器的额定电流，应选分压电路。c．如果滑动变阻器的全阻值比用电器的阻值小得多，为了能使用电器两端电压有较大变化，应选分压电路。d．如果滑动变阻器的全阻值比用电器的阻值相差不多，两种电路都可以对用电器的电压（电流）进行有效方便的控制，可以任选其中一种电路。此时假如从节省电能和电路简单考虑，应选限流电路。使用分压电路时，一般选用滑动变阻器的全电阻小于用电器的电阻,在0.1—0.5倍之间为好。即阻值小些,以获得较大的电流输出。选用限流电路还是选用分压电路,以下几点可作参考:由于电流表、电压表内阻的影响，不管采用电流表内接还是外接都将会引起实验的误差。（如在伏安法测电阻时，内接法测量结果偏大，外接法测量结果偏小。）内接法的测量误差是由于电流表的分压作用而产生的,由串联电路中电压与电阻成正比,可知当RAR时,电流表的分压作用可忽略不计,此时测量值很接近真实值,可见,测量大电阻时宜采用内接法.外接法的测量误差是由于电压表的分流作用而产生的，由并联电路中电流与电阻成反比，可知当RvR时，电压表的分流作用可忽略不计，此时测量值很接近真实值，可见，测量小电阻时宜采用外接法。专题解说三、测量电路的选择VAR内接法VAR外接法专题解说如何确定R值是较大还是较小？当被测电阻与电压表内阻的关系满足RVR即RV/R1时应采用“外接法”较准确；当被测电阻与电流表的内阻相比满足RAR即RA/R1,采用“内接法”测量误差较小．当RV/R=RA/R时，电压表的分流作用和电流表的分压作用对测量结果的影响是相同的，此时既可选择“内接法”也可选择“外接法”．R=，我们常称为临界电阻．AVRR当RV/RR/RA即R时，电流表的分压作用较电压表的分流作用明显，应采用外接电路AVRR当RV/RR/RA即R时，电压表的分流作用较电流表的分压作用明显，应采用内接电路．AVRR四.实验设计要求误差小.仪器少.耗电少.为减小实验误差，在设计电路时，要注意实验原理的完善，尽量选用精密的仪器；选择合适的量程（使指针有较大偏转）；读数时至少保证一个表（电流表或电压表）的指针与刻度线对齐。专题解说在进行实验的设计时，根据实验要求选择必须的实验仪器，要充分发挥仪器的功能，在能完成实验的前提下，尽可能地减少仪器的使用数目。同时也还要求实验电路的耗电要少，节约能源。如在用滑动变阻器作为控制电路时，滑动变阻器的限流接法较分压接法节省电能，不是非用分压接法不可的时候，通常用限流接法。专题解说五.如何正确的读数，记录正确的实验数据？1、读数前要明确实验中所用电表的量程，最小刻度是多少；2、掌握读数最基本的原则：最小刻度的下一位要估读；人眼估读时通常是将最小刻度等分为十等分，然后估计指针的位置是多少等分，最后确定估读数；3、根据高中实验要求，仪器的最小刻度除以2，所得数字的首位即为估读到的位数；如量程为0―0.6A的电流表，其最小刻度是0.02A，误差出现在电流表的百分位上（0.02A/2=0.01A）。专题聚焦例1.某电压表的内阻在20kΩ～50kΩ之间，现要测量其内阻，实验室提供下列可选用器材：待测电压表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1kΩ)，电源E(电动势4V)，电键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，要求测量多组数据，试在图中画出符合要求的实验电路图(电源和电键及连线已画出).解:电源电动势E=4V,电压表内阻最大50kΩ,故电流最小值I=3VE4=R50×10εVA1Ａ=80μA，A2、A3量程都太大，故选A1.由于RV在20kΩ―50kΩ之间,远大于滑动变阻器的阻值1kΩ,故应连成分压电路.专题聚焦例2.用伏安法测量某电阻的阻值，现有实验器材如下：待测电阻Rx（阻值大约为5Ω，额定功率为1W）；电流表A1（量程为0～0.6A，内阻为0.2Ω）；电流表A2（量程为0～3A，内阻为0.05Ω）；电压表V1（量程为0～3V，内阻为3KΩ）；电压表V2（量程为0～15V，内阻为15KΩ）；滑动变阻器R（0～50Ω）；蓄电池（电动势为6V），开关、导线。为了较准确测量Rx的阻值，保证器材的安全，以及操作方便，电流表、电压表应选择，并画出实验电路图。1、确定电压表、电流表被测电阻Rx的额定电压、额定电流分别为2.2V和0.45A，则电流表选用A1，电压表选用V1。解2、确定测量电路由于待测电阻Rx的阻值大约是5Ω，而所用电流表的内阻为0.2Ω，所用电压表内阻为3KΩ，即RvRx，故采用电流表的外接法。3、确定控制电路因滑动变阻器的全值R0大于被测电阻阻值Rx，故考虑滑动变阻器的限流接法（采用限流接法时，通过Rx的最大电流为0.45A，最小电流为0.11A，较符合实验要求）。专题聚焦专题聚焦例3.有一电阻R,其阻值大约在40Ω至50Ω之间,需进一步测定其阻值,现有下列器材：电池组ε,电动势为9V,内阻忽略不计；电压表Ｖ,量程为0至10Ｖ,内阻20Ω；电流表A1,量程为0至50ｍＡ,内阻约20Ω；电流表A2,量程为0至300mＡ,内阻约4Ω；滑动变阻器R1,阻值范围为0至100Ω,额定电流1A；滑动变阻器R2,阻值范围为0至1700Ω,额定电流0.3Ａ;开关Ｓ及导线若干．实验电路图如图所示，实验中要求多测几组电流、电压值．在实验中应选电流表和滑动变阻器．VARXεrR解:首先估算电路中可能达到的最大电流值，假设选电流表A1，则Im≈XA1εR+R≈0.14A超过了A1的量程.专题聚焦假设选电流表A2，则I/m≈XA2εR+R≈0.18A，未超出A2的量程，故应选电流表A2.对滑动变阻器的选择。假没选R1，电路中的最小电流约为Imin≈≈0.06A，XA21εR+R+R故电路中的电流强度范围为0.06A―0.18A．XA21εR+R+R假设选R2，电路中的最小电流约为I/min≈≈0.005A,故电路中的电流强度范围为0.005A-0.18A，因为电流表A2的量程为0.3Ａ,电流强度为0.06Ａ时,仅为电流表A2量程的1/5,如果移动滑动变阻器阻值再增大,其电流表的示数将更小,读数误差会更大,因此对于R2而言,有效的调节长度太小,将导致电流强度值随滑动片位置的变化太敏感.调节不方便,故应选滑动受阻器R1.专题聚焦例4.(04全国）用以下器材测量一待测电阻Rx的阻值（900～1000Ω）：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；滑线变阻器R，最大阻值约为100Ω；单刀单掷开关K，导线若干。⑴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图中相应的英文字母标注）13解:电源电动势约为9.0V、而电压表中最大量程只有5V，故经滑线变阻器分压后才可使被测电阻两端的电压不超过5V.题中给出的两个都是已知内电阻的电压表，应将其中的一个已知内电阻的电压表当作电流表来使用，以实现电流值的间接测量.专题聚焦若选择外接法:应将电压表V2作电流表使用,因为电压表V2的量程较大,电压表V1与被测电阻Rx并联后再与作电流表使用的电压表V2串联,这样在不超过V1、V2量程的前提下,可使电压表V1上的示数尽可能地接近满偏（1.5V）,从而减小电压值测量的读数误差，提高测量精确程度.若选择内接法:因为电压表V1的量程较小,应将电压表V1作电流表使用,电压表V2的量程较大,应将电压表V2作测量电压表使用.电压表V1与被测电阻Rx串联后再与作电压表使用的电压表V2并联,这样在不超过V1、V2量程的前提下,可使电压表V1上的示数尽可能地接近满偏（1.5V）,从而减小电压值测量的读数误差，提高测量精确程度.专题聚焦⑵根据你所画的电路原理图在题给的实物图上画出联线.专题聚焦⑶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=______。解:外接法:电压表V1上的读数值是被测电阻Rx上的真实压降值,而电压表V2中通过的电流值是流过V1、Rx中电流的和,闭合电键K,调节滑线变阻器的滑动头,使V1、V2尽可能地接近满偏,读出V1、V2两表的读数值U1、U2,由欧姆定律和串并联电路电压、电流的分配关系,有RI211xx21UUU＝R=(-)Rrr(RI21112x212112UUUrr=-)∴R=rrUr-Ur专题聚焦内接法:电压表V1上的读数值间接地测量出被测电阻Rx上的真实电流值，而电压表V2测量的是V1、Rx上两部分的电压降之和，闭合电键K，调节滑线变阻器的滑动头，使V1、V2尽可能地接近满偏，读V1、V2两表的读数值U1、U2，由欧姆定律和串并联电路电压、电流的分配关系，有RI12121xXX111UU-UU-U=R=R∴R=rrU例5.(00全国)利用下表中的实验器材，设计一个电路来测量电流表A1的内阻r1，要求方法简捷，有尽可能高的测量精度，并能测得多组数据，画出电路图,标明器材代号;若选测量数据中的一组来计算r１，则所用的表达式为ｒ１＝_____，式中各符号的意义是：____。专题聚焦器材(代号)规格电流表(Ａ１)电流表(Ａ２)电压表(V