电路与器材的选择

第1页电学实验器材的选择和电路设计策略理科综合对实验能力提出了明确的要求，即是“设计和完成实验的能力”，它包含两个方面：1．独立完成实验的能力．包括：（1）理解实验原理、实验目的及要求；（2）掌握实验方法步骤；（3）会控制实验条件和使用实验仪器，会处理实验安全问题；（4）会观察、解释实验现象，会分析、处理实验数据；（5）会分析和评价实验结果，并得出合理的实验结论．2．设计实验的能力．能根据要求灵活运用已学过的物理理论、实验方法和仪器，设计简单的实验方案并处理相关的实验问题．一．实验设计的基本思路实验器材明确目的确定原理待测物理量数据处理误差分析实验步骤．实验设计的关键在于实验原理的设计，它是进行实验的依据和起点，它决定了应选用（或还需）哪些实验器材，应测量哪些物理量，如何编排实验步骤．而实验原理的设计又往往依赖于所提供的实验器材（条件）和实验要求，它们相辅相成，互为条件．以测量电表的内阻为例：纵向：伏安法及变式1°电流表、电压表各一只，可以测量它们的内阻2°两只同种电表，若知道一只的内阻，就可以测另一只的内阻3°两只同种电表内阻都未知，则需要一只电阻箱才能测定电表的内阻横向：除伏安法外，还常用替代法、半偏法和闭合电路欧姆定律（计算法）1°替代法VAVAA2A1V1V2RA1A2V2V1RG2G2R21V1V2R21SS第2页2°半偏法3°闭合电路欧姆定律（计算法）二．电学实验的器材选择和电路设计1、电路结构完整的实验电路包括三个部分：①测量电路，②控制电路（变阻器、开关），③电源．2、思路3、方法（1）、实验仪器的选择根据实验原理和实验室条件选择仪器是进行正确测量的前提，一般遵循以下三原则：①安全性原则：要能够根据实验要求和客观条件选用合适的仪器，使实验切实可行，能达到预期目标。另外还要注意测量仪器的量程，电阻类器件的电流不能超过其最大允许电流等。②准确性原则：根据实验的需要，选用精度合适的测量工具，但对某个实验来讲，精确程度够用即可，并不是精度越高越好。③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。根据教学大纲及高考考核的要求，选择电学实验仪器主要是选择电表、滑动变阻器、电源等器件，通常可以从以下三方面人手：a．根据不使电表受损和尽量减少误差的原则选择电表．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（一般取满偏的1/3-2/3左右），以减少测读的误差．b．根据电路中可能出现的电流或电压范围需选择滑动变阻器．注意流过滑动变阻器的电流不超过它额定值．对高阻值的变阻器，如果滑动头稍有移动，使电流电压有很大变化的，不宜采用．c．应根据实验的基本要求来选择仪器．对于这种情况．只有熟悉实验原理．才能做出恰当的选择．VS2REr（内阻不计）1GR2S2R1S1R1SVR2测量电路器材选择配置控制电路电路选择控制调节第3页对器材的选择的一般步骤是：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。※在“伏安法测电阻”和“伏安法测电池电动势和内电阻”的实验中，一般选用总阻值较小的滑动变阻器，前者可方便调节，后者可减少误差。※①在滑动变阻器作限流作用时，为使负载RX既能得到较宽的电流调节范围，又能使电流变化均匀，选择变阻器时，应使其总电阻，R0大于RX，一般在2—5倍为好。※②在滑动变阻器作为分压作用时，一般取滑动变阻器的总电阻R0在0.1RX—0.5RX之间为好。例1：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E，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．【分析与解】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≈E/(Rx+RA1)≈0.14A超过了A1的量程，假设选电流表A2，则I’m≈E/(Rx+RA2)≈0.18A，未超出A2的量程，故应选电流表A2，这一选择遵循了安全性原则．对滑动变阻器的选择。假没选R1，电路中的最小电流约为Imin≈E/(Rx+RA2+R1)≈0.06A，故电路中的电流强度范围为0.06A～0.18A．又假设选R2，电路中的最小电流约为I’min≈E/(Rx+RA2+R2)≈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，故应选滑动变阻器R1，这一选择就遵循了方便性原则．例2：欲用伏安法测定一个阻值约12Ω的电阻，要求测量结果尽量准确，下列器材中应选用的是_________，画出应采用的电路图。A、电池组（6V，内阻很小）B、电流表（0—3A，内阻0.0125Ω）C、电流表（0—0.6A，内阻0.125Ω）D、电压表（0—3V，内阻3kΩ）E、电压表（0—6V，内阻6kΩ）F、滑动变阻器（0—20Ω，1A）G、滑动变阻器（0—200Ω，0.3A）H、电键、导线【分析与解答】①找出唯一性器材：被测电阻、电池组A、电键和导线H；②草画电路图；③估算最大值：当滑动变阻器的使用阻值为零时，电路中电流最大Im=ε/RX≈6/12=0.5A；④因此选用C和E都可同时使电流表和电压表指针半偏以上。变阻器选F（若选G则因额定电流小而容易烧毁，且不方便调节）把电表接入时，用电流表外接法。(2)、实验电路（电流表内外接法）的选择第4页所谓内、外接法是相对电流表的位置而言的．无论哪种接法，都会由于电表的内阻影响而带来测量误差．从下表的分析可以看出，合理的选择接法有利于减小误差．比较项目电流表内接法电流表外接法电路误差原因由于电流表内阻的影响，电压表测量值偏大，结果偏大由于电压表内阻的影响，电流表测量值偏大，结果偏小测量结果xARRIUR测＞RxIUR测RV∥Rx＜Rx适用条件Rx远大于RARx远小于RV（1）若Rx、RA、RV的大小大致可估计，可用以下三种方法来选择内、外接法：①当Rx较大，满足Rx远大于RA时，应采用内接法，因为此时电流表的分压作用很小．②当Rx较小，满足Rx远小于RV时，应采用外接法，因为此时电压表的分流作用很小．③当Rx的大小难以断定时，可采用计算临界值的方法确定大小．即算出临界电阻VARRR0，若Rx＞R0则视为大电阻，若Rx＜R0则视为小电阻．（2）若Rx、RA、RV的大小关系事先没有给定，可用图示试触法确定内外接法．用电压表的一个接线柱分别试触M、N两点，观察先后两次试触时两电表的示数变化情况，如果电流表的示数变化比电压表的示数变化明显，说明接M点时电压表分流作用引起的误差大于接N点时电流表分压引起的误差，这时应采用内接法．反之则应采用外接法．例3：有一小灯泡上标有“6V0.6Ｗ”的字样，现在要用伏安法测量这个灯泡的I—U图线，已知所用器材有：是电流表（0～0.3Ａ，内阻1Ω）；电压表（0～15Ｖ，内阻20kΩ）；滑动变阻器（0～30Ω，2Ａ）；学生电源（直流9Ｖ）；开关一只、导线若干．为使实验误差尽量减小，画出合理的实验电路图．【分析与解】因为电压表内阻远大于灯泡的最大阻值60Ω，因此选择电流表外接法．电路如图所示．在具体的实验中若RA、RV均不知的情况下，可用试触法判定电流表内接还是外接．(3)、控制电路的选择为改变被测电阻两端的电压（或被测电阻中的电流强度），常用滑动变阻器与电源的连接有两种不同的形式：限流接法和分压接法，这两种接法区别之处是：限流法分压法VARxVARxVARxＮＭ第5页合上电键前要使滑动变阻器的电阻处于最大值，对应图中应是滑动头移至最下端合上电键前要使用电器受到的电压最小，对应图中滑动变阻器的滑动头应移到最左端实物图中只用到上下两个接头实物图中用到上面一个下面两个接头电压调节范围rRRrRRRXXXX电压调节范围rRRXX0滑动变阻器的电阻与用电器的电阻差不多大时电压调节作用最理想滑动变阻器的电阻越小调节用电器的电压作用越好同等条件下消耗功率较小同等条件下消耗功率较大在下列情况下应选择分压电路：1°实验要求待测电阻两端电压从零开始连续变化。2°限流不能保证安全，即限流电路中的最小电流超过电表量程或用电器的额定电流．常见于变阻器全电阻远小于测量部分电阻的情况．3°限流能保证安全，但变阻器调节过程中，电表读数变化不明显，不满足实验测量多组数据的要求．常见于变阻器全电阻远小于测量部分电阻的情况．在限流、分压两种电路都满足实验要求时，由于限流电路结构简单，损耗的电功率小，应优先选用．滑动变阻器的粗调和微调：在限流电路中，对测量电路而言，全电阻较大的变阻器起粗调作用，全电阻较小的变阻器起微调作用；在分压电路中，变阻器的粗、微调作用正好与限流电路相反．例如在例3中，电路若采用限流电路，电路中的最小电流为ARRI1.01min,Imin等于小灯泡额定电流，滑动变阻器无法对电流进行调节，故必须采用分压电路，如图３所示．所以，我们在选择电学实验仪器和实验电路时，应先依据题意确定电流表、电压表和滑动变阻器等仪器，然后确定电流表的内外接法，再选择控制电路并画出实验电路图．第6页【练习1】在许多精密的仪器中，如果需要较精确地调节某一电阻两端的电压，常常采用如图7所示的电路。通过两只滑动变阻器R1和R2对一阻值为500Ω左右的电阻两端电压进行粗调和微调。已知两个滑动变阻器的最大阻值分别为200Ω和10Ω。关于滑动变阻器R1和R2的联接关系和各自所起的作用，下列说法正确的是（）A．取R1=200Ω,R2=10Ω，调节R1起粗调作用B．取R1=10Ω,R2=200Ω，调节R2起微调作用C．取R1=200Ω,R2=10Ω，调节R2起粗调作用D．取R1=10Ω,R2=200Ω，调节R1起微调作用【练习2】用伏安法测量一个定值电阻的阻值，备用器材如下：待测电阻Rx（阻值约为25kΩ）；电流表A1：（量程100A，内阻2kΩ）；电流表A2：（量程500A，内阻300Ω）；电压表V1：（量程10V，内阻100kΩ）；电流表V2：（量程50V，内阻500kΩ）；电源E：（电动势15V，允许最大电流1A）；滑动变阻器R：（最大阻值1kΩ）；电键S，导线若干。为了尽量减小实验误差，要求测多组数据．（1）电流表应选________________，电压表应选__________________．（2）画出实验电路图．【练习3】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S，导线若干．（1）测量中要求电压表的读数不小于其量程的1/3，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的相应的英文字母标注）．（2）根据你所画的电路原理图在题给的实物图上画出连线．（3）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=____________________．【练习4】为了测定电流表A1的内阻，采用如图所示的电路．其中：A1是待测电流表，量程为300A，内阻约为10