电学设计性实验的思路和方法

电学设计性实验的思路和方法高益民电学设计性实验题能有效地考查学生的实验技能和创造性思维能力，在高考中的考查频率很高．不少学生面对这类题感到无从下手．实际上，只要做到“三个明确”“三个选择”，问题便可迎刃而解．一、明确题目的要求解答一道电学实验设计题，首先要认真审清题意，看清题目的要求．即要看清题目要求测定什么物理量，验证、探究什么物理规律，或者要求设计达到何种标准的电路等．对实验的目的要求明确了，才能保证解题思路正确、明朗，方法对头．二、明确实验设计的原理测量电路、控制电路、实验仪器的选择，实验方法、步骤的确定，数据处理、误差分析等问题，都是从实验原理派生出来的，只有明确实验原理，其他问题才可得以解决．如果设计测定型实验，应弄清待测物理量可通过哪些规律、公式求得，与哪些物理量有直接联系，可用哪些物理量定量地表示，用何种方法测定相关量，进而得出待求量．如果设计验证型实验，应弄清在相应的物理现象中，何种定量关系成立，才能使待验证的结论成立．对于设计符合一定标准的电路问题，则应根据实验的要求和相关物理规律，器材的规格、性能等，合理选择、连接电路．三、明确设计电路的原则设计电路一般应遵循“安全性”原则、“精确性、方便性”原则，兼顾“运用仪器少，耗电少”等三条原则．1．安全性原则选用仪器组成电路，首先要保证实验正常进行．例如通过电流表的电流和加在电压表上的电压均不得超过其量程，滑动变阻器、被测电阻不得超过其额定电流(额定功率)等．2．精确性、方便性原则“精确”是指选用仪器组成实验电路时要尽可能减小测量误差，提高精确度．例如所用电流表、电压表的指针应有较大的偏转，一般应使指针偏转在满刻度的1/3以上，以减小因读数引起的偶然误差．“方便”是指实验中便于调节控制，便于读数．例如应根据电路可能出现的电流、电压范围选择滑动变阻器．对大阻值的滑动变阻器，如果滑片稍有移动就使电路中的电流、电压有很大变化，则不宜采用．对于滑动变阻器，还要权衡用分压式电路还是限流式电路．3．运用仪器少，耗电少原则在达到实验目的，各项指标均符合要求的前提下，还应注意运用的仪器尽量少和节约电能．例如控制电路有限流式与分压式两种调节电路，若这两种调节电路均能满足要求，从消耗功率小，节约电能的角度，则应选用限流式电路．四、控制电路的选择•滑动变阻器选用限流接法和分压接法的依据：•(1)负载电阻电压要求变化范围较大，且从零开始连续可调，应选分压电路．•(2)若负载电阻的阻值Rx远大于滑动变阻器总阻值R，应选分压电路．•(3)若负载电阻的阻值Rx小于滑动变阻器总阻值R或相差不多，且没有要求电压从零可调，应选限流电路．•(4)两种电路均可时限流电路优先，因为限流电路消耗的总功率小五、测量电路的选择对伏安法测电阻，应根据待测电阻的大小选择电流表不同的接法．(1)阻值判断法：当RV≫Rx时，采用电流表“外接法”；当Rx≫RA时，采用电流表“内接法”六、实验器材的选择1．安全因素通过电源、电表、电阻的电流不能超过允许的最大电流．2．误差因素选择电表时，保证电流和电压均不超过其量程．使指针有较大偏转(一般取满偏度的1/3～2/3)；使用欧姆表选挡时让指针尽可能在中值刻度附近．3．便于操作选滑动变阻器时，在满足其他要求的前提下，可选阻值较小的．4．实验的实际要求．例1：常用的电流表有内阻，现要测量电流表G1的内阻r1，电路如图甲所示．供选择的仪器如下：A．待测电流表G1(0～5mA，内阻约300Ω)B．电流表G2(0～10mA，内阻约100Ω)C．定值电阻R1(30Ω)D．定值电阻R2(300Ω)E．定值电阻R3(3kΩ)F．滑动变阻器R4(0～20Ω)G．电源(电动势6.0V，内阻不计)H．开关S及导线若干(1)电路中与电流表G1并联的电阻应选________，保护电阻应选用________(请填写器材前的字母序号)．(2)根据电路图在图乙中连接实物图，要求闭合开关前滑动变阻器的滑动触头P处于正确位置．(3)补全实验步骤：①按电路图连接电路；②闭合开关S，移动滑动触头P至某一位置，记录G1、G2的读数I1、I2；③____________________________________________________________；④以I1为纵轴，I2为横轴，作出相应图象如右图所示．(4)根据I1－I2图线的斜率k及定值电阻，写出电流表G1内阻的表达式r1＝________.DC多次移动滑动触头，记录相应的G1、G2读数I1、I2.例2：(2014·东北三校联考)某同学要用电阻箱和电压表测量某水果电池组的电动势和内阻，考虑到水果电池组的内阻较大，为了提高实验的精确度，需要测量电压表的内阻．实验中恰好有一块零刻度在中央的双向电压表，该同学便充分利用这块电压表，设计了如图所示的实验电路，既能实现对该电压表的内阻的测量，又能利用该表完成水果电池组电动势和内阻的测量．他用到的实验器材有：待测水果电池组(电动势约4V，内阻约50Ω)、双向电压表(量程为2V，内阻约为2kΩ)、电阻箱(0～9999Ω)、滑动变阻器(0～200Ω)，一个单刀双掷开关及若干导线．(1)该同学按如图所示电路图连线后，首先测出了电压表的内阻．请完善测量电压表内阻的实验步骤；①将R1的滑动触片滑至最左端，将S拨向1位置，将电阻箱阻值调为0；②调节R1的滑动触片，使电压表示数达到满偏；③保持________不变，调节R2使电压表的示数达到________；④读出电阻箱的阻值，记为R2，则电压表的内阻RV＝________.(2)若测得电压表内阻为2kΩ，可分析此测量值应________真实值．(填“大于”、“等于”或“小于”)(3)接下来测量电源电动势和内阻，实验步骤如下：①将开关S拨至________(填“1”或“2”)位置，将R1的滑动触片移到最________端，不再移动；②调节电阻箱的阻值，使电压表的示数达到一个合适值，记录下电压表的示数和电阻箱的阻值；③重复第二步，记录多组电压表的示数及对应的电阻箱的阻值．(4)若将电阻箱与电压表并联后的阻值记录为R，作出－图象，则可消除系统误差，如图所示，其中截距为b，斜率为k，则电动势的表达式为________，内阻的表达式为________．R1半偏R2大于2最左E=1/br=k/b例3．要测量一电源的电动势E(小于3V)和内阻r(约1Ω)，现有下列器材：电压表V(0～3V和0～15V两个量程)、电阻箱(0～999.9Ω)、定值电阻R0＝3Ω、开关和导线．某同学根据所给器材设计了如图甲的实验电路．(1)电路中定值电阻R0的作用是________．(2)请根据图甲电路，在图乙中用笔画线代替导线连接电路．(3)该同学调节电阻箱阻值R，读出对应的电压表读数U，得到两组数据：R1＝2.0Ω时，U1＝2.37V；R2＝4.0Ω时，U2＝2.51V．由这两组数据可求得电源的电动势为E＝________V，内阻为r＝________Ω.(4)为使最终测量结果更精确，在不改变实验方法、不更换实验器材的前提下，请你对该同学提一条建议________________________________________________________________保护电源，防止短路2.941.2多测几组R、U，分别求出电动势E、内阻r，再求E、r的平均值例4．设计测定电压表内阻的方案，提供器材如下：电源(内阻很小，可忽略不计)，电阻箱一只，电压表一只(内阻待测)，电键和导线若干．(1)画出实验电路图．(2)改变电阻箱阻值R，可测得电压表示数U，将测得的几组数据在坐标纸上绘制成－R图象如图所示，由图可确定电压表的内阻是多少？例5．采用伏安法测电阻，无论是电流表外接还是电流表内接都会出现系统误差，为此某同学采用如图所示电路测定待测电阻Rx的阻值．实验器材如下：电池组E，电动势为4.5V，内阻很小；电压表V，量程3V，内阻约3kΩ；电流表A，量程2mA，内阻约50Ω；滑动变阻器R，阻值范围0～20Ω；Rx是待测电阻，阻值约3kΩ；开关S1、S2，导线若干．(1)请根据电路图，将实验器材连接成实验电路(图中部分电路已连接)(2)闭合开关前，先将滑动变阻器的滑片置于a端，然后闭合开关S1、S2，适当调节滑动变阻器R，记下电流表和电压表的示数I1、U1；再断开开关S2，记下电流表和电压表的示数I2、U2.则被测电阻Rx＝________(用电表的示数表示)．(3)你认为上述实验能否消除系统误差：________(填“能”或“不能”)．能4．某学习小组探究电学元件的伏安特性曲线．(1)甲同学要描绘一个标有“3.6V,1.2W”的小灯泡的伏安特性曲线，除了导线和开关外，还有以下可供选择的器材：电压表V(量程5V，内阻约为5kΩ)直流电源E(电动势4.5V，内阻不计)电流表A1(量程350mA，内阻约为1Ω)电流表A2(量程150mA，内阻约为2Ω)滑动变阻器R1(阻值0～200Ω)滑动变阻器R2(阻值0～10Ω)实验中电流表应选________，滑动变阻器应选________(填写器材代号)；画出完整的实验电路图，并标明器材代号(2)乙同学利用右侧的电路分别描绘了三个电学元件的伏安特性曲线．如图甲所示．然后他用如图乙所示的电路分别给三个元件供电，并测出给元件1和元件2供电时的电流和电压值，分别标在图甲上(A点和B点)．已知R0＝9.0Ω，则该电源的电动势E′＝________V，内电阻r′＝________Ω.用图乙的电路单独给元件3供电时，元件3的电功率P＝________W.“3.6V,1.2W”的小灯泡的额定电流I＝0.33A，所以应选择电流表A1；因为描绘小灯泡的伏安特性曲线要求电压从零开始变化，所以应选用分压电路，为了调节方便，滑动变阻器应选择阻值小的，即选择滑动变阻器R2；考虑到灯泡的电阻较小，应选择电流表外接法．A1R2有E′＝1.5V＋0.15A(9.0Ω＋r′)，E′＝2.2V＋0.08A(9.0Ω＋r′)，解得：E′＝3.0V，r′＝1.0Ω.连接AB作一直线与元件3的伏安特性曲线的交点为(1.0V,0.2A)，所以用图乙的电路单独给元件3供电时，元件3的电功率P＝0.2W.