電學(xué)實驗中電路和儀器的選擇原則和方法

1、 電學(xué)實驗中電路和儀器的選擇原則和方法 縱觀近幾年高考試題，電學(xué)實驗一直是高考的熱點(diǎn)，從省歷年高考復(fù)習(xí)研討會對試題的分析及評價報告反饋的情況看，電學(xué)實驗部分得分率很低，因此，高考備考復(fù)習(xí)中應(yīng)把電學(xué)實驗線路和器材的選擇確定為復(fù)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。下面就從原理和方法上進(jìn)行分述，最后通過例題來評述運(yùn)用過程。 一、伏安法測電阻實驗中內(nèi)接法與外接法的選擇 所謂伏安法測電阻中的內(nèi)、外接法是相對安培表而言，安培表緊挨待測電阻接在里面的接法叫內(nèi)接法，如圖1（a）所示，安培表接在外面的接法叫外接法，如圖1（b）所示。由于安培表的內(nèi)阻并不為零、伏特表的內(nèi)阻并非無窮大，因此，無論哪種接法，都會給測量結(jié)果帶來誤差（見下表

2、），但合理的選擇內(nèi)接法或外接法有利于減小誤差。 Rx Rx (a) 內(nèi)接法 （b）外接法 圖1 引起誤差的原因 Rx真實值表達(dá)式 Rx測量值與真實值比較 內(nèi)接法 安培表的分壓作用 R真=（UUA）/I 偏 大 外接法 伏特表的分流作用 R真=U/（IIV） 偏 小 1、若Rx 、RA 、Rr的大小大致可估，可用以下三種方法來選擇內(nèi)、外接法：（1） 當(dāng)Rx較大、滿足RxRA時，應(yīng)采用內(nèi)接法，因為這時安培表的分壓作用很微弱。 （2）當(dāng)Rx較小、滿足RxRV時，應(yīng)采用外接法，因為這時伏特表的分流作用很微弱。 （3）當(dāng)Rx的大小很難斷定是滿足RxRA，還是滿足RxRV時，可采用計算臨界電阻值的方法，具

3、體做法是：先計算臨界電阻R0=，若RxR0,則視Rx為較大采用內(nèi)接法；若RxR0則視RX為較小采用外接法。采用臨界電阻值法來確定內(nèi)、外接法是一種普遍的通用方法。例1、 伏安法測一個阻值約為5歐左右的電阻，所用的安培表內(nèi)阻約為0.1歐、伏特表內(nèi)阻約為10千歐，為了減小誤差，應(yīng)采用內(nèi)接法或是外接法？ 解答：計算臨界電阻R0=31.6歐, 由于RxR0,則應(yīng)選擇外接法有利于減小誤差。 2、若Rx、RA、RV的大小關(guān)系事先沒有給 定，可借助試觸法確定內(nèi)、外接法。具體做法是： 圖 2如圖2所示組成電路，其中安培表事先已經(jīng)接好 ，拿伏特表的一個接線柱去分別試觸M、N兩點(diǎn) ，觀察先后兩次試觸時兩電表的示數(shù)變

4、化情況，如果安培表的示數(shù)變化比伏特表變化明顯（即），說明接M點(diǎn)時伏特表分流作用引起的誤差大于接N點(diǎn)時安培表分壓作用引起的誤差，這時應(yīng)采用內(nèi)接法（即伏特表接N點(diǎn)）；如果伏特表示數(shù)變化比安培表示數(shù)變化明顯（即），說明接N點(diǎn)時安培表分壓作用引起的誤差大于接M點(diǎn)時伏特表分流作用引起的誤差，這時應(yīng)采用外接法（即伏特表接M點(diǎn)）。 例2、某同學(xué)用伏安法測一個未知電阻Rx的阻值，采用了圖2的線路圖，他先把伏特表接在N點(diǎn)，讀得兩表示數(shù)分別為U=3.0伏,I=3.0毫安,然后把伏特表改接在M點(diǎn) ,讀得兩表示數(shù)分別為U=2.9伏,I=4.0毫安，由此可知伏特表應(yīng)接到 點(diǎn)誤差較小，測得Rx值應(yīng)為 歐。 解答：兩次接法

5、中兩表示數(shù)變化為U=|U- U|=0.1伏,I= |I- I|=1.0毫安,可見安培表示數(shù)變化(即)比伏特表示數(shù)變化(即)明顯,說明由伏特表分流引起的誤差比安培表分壓引起的誤差大，為了減小誤差應(yīng)采用內(nèi)接法,即伏特表接N點(diǎn),測得 Rx=U/I=1000歐。 二、滑動變阻器的限流接法與分壓接法的選擇圖3所示的兩種電路中，滑動變阻器（最大阻值為R0）對負(fù)載RL的電壓、電流強(qiáng)度都起控制調(diào)節(jié)作用，我們通常把圖3（a）電路稱為限流接法，圖3（b）電路稱為分壓接法。 （a）限流接法 （b）分壓接法 圖 3雖然兩種電路都能調(diào)節(jié)負(fù)載的電壓或電流，但在相同條件下的調(diào)節(jié)效果不同（見下表），實際應(yīng)用中要根據(jù)情況恰當(dāng)?shù)?/p>

6、選擇限流接法或分壓接法。負(fù)載RL上電壓調(diào)節(jié)范圍（忽略電源內(nèi)阻）負(fù)載RL上電流調(diào)節(jié)范圍（忽略電源內(nèi)阻）閉合電鍵前觸頭應(yīng)處位置相同條件下電路消耗的總功率限流接法UlIL b 端 IL分壓接法 0UL 0IL a 端 （IL+Iap）比 較分壓電路調(diào)節(jié)范圍較大分壓電路調(diào)節(jié)范圍較大 都為了保護(hù)負(fù)載限流電路能耗較小 1、通常情況下（指電路中電流或電壓能達(dá)到要求的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)且不超過測量電表量程、電流可調(diào)范圍不超過電阻類元件或電源允許的最大電流等），由于限流電路能耗較小，結(jié)構(gòu)連接簡單，因此，優(yōu)先考慮以限流接法為主（如課本上各種學(xué)生實驗、演示實驗都采用限流接法）。 2、在下面三種情況下必須要選擇分壓接法。 （

7、1）要使某部分電路的電壓或電流從零開始連續(xù)可調(diào)，只有分壓電路才能滿足。（2）如果實驗所提供的電壓表、電流表量程或電阻元件最大電流較小，采用限流接法時，無論怎樣調(diào)節(jié)、電路中實際電流（壓）都會超過電表量程或電阻元件允許的最大電流，為了保護(hù)電表或電阻元件免受損壞，必須要采用分壓法連接電路。 例4、（94年高考第25題）圖5為伏安法測一個定值電阻所需器材實物圖，器材和規(guī)格如下（實物圖約）：待測電阻RX（約100歐）、直流毫安表（量程010毫安、內(nèi)阻50歐）、直流電壓表（量程03伏、內(nèi)阻5千歐）、直流電源（輸出電壓4伏、內(nèi)阻不計）、滑動變阻器（阻值范圍015歐、允許最大電流1安）、電鍵及導(dǎo)線若干。根據(jù)器

8、材的規(guī)格和實驗要求，在本題實物圖上連線。 解答：首先確定安培表的內(nèi)、外接法：計算臨界電阻R0=500歐，由于RXR0，故安培表應(yīng)內(nèi)接。由于變阻器 阻值很小，若限流接法，Rx上的電流（壓） 圖 6變化范圍很小，不便描點(diǎn)作圖，也不利于減小偶然誤差，因此，變阻器應(yīng)采用分壓接法（實驗電路見圖6 ） 三、實驗器材的選擇 在設(shè)計實驗時，同一類器材的數(shù)量往往有多個，各個同類器材的規(guī)格不同，如1997年高考第17題所給出的電流表有三個（其量程不同），如何從中選出最適合的器材？1、 選擇器材的原則 （1）安全原則：所謂安全原則，是指實驗中各電流（壓）表所測電流（壓）不能超過電流（壓）表的量程，通過電源內(nèi)部或電阻

9、類元件的電流不能超過其允許的最大電流。 （2）準(zhǔn)確原則：準(zhǔn)確原則是指實驗中要盡可能地減小誤差，提高準(zhǔn)確性。為了減小因?qū)嶒炚叩纫蛩匾鸬呐既徽`差，一般要求各電表示數(shù)不小于其量程的1/3，若需測量多組數(shù)據(jù)，往往還要求電表示數(shù)能在大范圍內(nèi)可調(diào)，為了減小因?qū)嶒炗镁叩纫蛩匾鸬南到y(tǒng)誤差，一般要求選擇內(nèi)阻較大的電壓表和內(nèi)阻較小的電流表。 （3）能耗少原則：指在實驗過程中盡可能地減小額外電能損耗。 上述原則中，在綜合考慮出現(xiàn)矛盾時，優(yōu)先考慮安全因素，其次再考慮準(zhǔn)確原則（準(zhǔn)確原則中又以考慮減小偶然誤差為主），至于能耗原則通?？紤]得較少。 當(dāng)然，選擇器材除了要遵循上述原則外，結(jié)合電路連接方式具體分析，如控制電路

10、的變阻器的選擇，在限流電路中應(yīng)選擇阻值與其它串聯(lián)部分電阻阻值相近的，在分壓電路中應(yīng)考慮選擇額定電流值較大的。 2選擇器材的方法 從給出數(shù)量最少的器材入手 例6、（97年高考第17題）某電壓表的內(nèi)阻在20千歐50千歐之間，現(xiàn)要測量其內(nèi)阻實驗室提供下列供選用器材：待測電壓表V（量程3V）、電流表A1（量程200A）、電流表A2（量程5mA）、電流表A3（量程0.6A）、滑動變阻器R（最大值1K）、電源（電動勢4V）、電鍵K。 （1）所提供電流表中，應(yīng)選用 。（2）為了盡量減小誤差，要求測多組數(shù)據(jù)，試畫出符合要求的電路圖。 解答：（1）從伏特表入手，初步算出通過伏特表的電流約在0150A內(nèi)，從安全角

11、度考慮，三個電流表都可用，再從減小誤差角度考慮，只能選電流表A1。 （2）結(jié)合電路選擇知識，變阻器選用分壓接法，電路見圖7。 圖 7 從電壓表、電流表和電源的配套要求入手 。 所謂“配套”指電流表或電壓表中有一個讀數(shù)接近量程時，另一個讀數(shù)也接近量程，且伏特表的量程接近電源電動勢，否則至少有一個電表示數(shù)太小，不利于減小誤差。 例7、一阻值約為30千歐的電阻Rx，欲用伏安法較準(zhǔn)確地測出該7第 7 頁 共 7頁電阻的阻值，備選器材有A 電源（電動勢16、內(nèi)阻阻）B 電源（電動勢V、內(nèi)阻0.5）C 伏特表（量程015V、內(nèi)阻50K）D 伏特表（量程03V、內(nèi)阻10K）E 安培表（量程0500、內(nèi)阻50

12、0）F 安培表（量程01mA、內(nèi)阻250）G 滑動變阻器（阻值0200、額定電流0 .5A）H 滑動變阻器（阻值05、額定電流2A）試從上述器材中選出合適器材。解答：安培表E、F指針滿偏時，Rx上對應(yīng)的電壓最大值分別為：UEIEmaxRx=15V,UF =IFmaxRx=30V，可見，伏特表C與安培表E、電源A相“配套”，而伏特表D與任何安培表、電源都不“配套”，對變阻器來說，G、H的阻值與Rx相比都有很小，要大范圍調(diào)節(jié)電流（壓），必須采用分壓接法，從安全角度考慮，如果選H，通過其電流IH/R=3.2A，超過了H的額定電流2A，故變壓器應(yīng)選G。所以，本題器材選擇為A、C、E、G。關(guān)于電路選擇，

13、由于R0=5K，RxR0，故安培表內(nèi)接。下面從一個例題來完整分析從電路到器材的選擇過程。例8、已知電阻絲的電阻約為10，現(xiàn)備有下列器材供測量該電阻絲的電阻時選用，應(yīng)選用的器材有 （只填代號）。（A）量程是0.6A，內(nèi)阻是0.5的安培計；(B) 量程是3A，內(nèi)阻是0.1的安培計；(C) 量程是3V，內(nèi)阻是6k伏特計；(D) 量程是15V，內(nèi)阻是30k的伏特計；(E) 阻值為01k，額定電流為0.5A的滑線變阻器；(F) 阻值為020，額定電流為2A的滑線變阻器；(G) 蓄電池（6V）；(H) 開關(guān)一個，導(dǎo)線若干。解：（1）先選電源：題中只給一直流電源，所以應(yīng)先確定電源選G，=6V。（2）選安培計：電源選定后可估計總電流，不連入滑線變阻器。干路電流最大值Imax=0.6A 選A。若選B表頭，會有以下不足，首先0.6A電流太小，指針偏轉(zhuǎn)范圍不足刻度盤的三分之一，讀數(shù)時誤差較大，其次電流表滿偏電流越大，最小刻度即精確度越低，故不選B。 （3）選伏特計；若選C表頭，量程3伏，則干路總電流要控制在0.3A以下，由上所選A安培計，指針偏轉(zhuǎn)達(dá)半刻度盤。若選D表頭，量程15V，電源6V，=，此時伏特計指針偏轉(zhuǎn)范圍不滿足指針在刻度盤范圍，加之15伏量程時，精確度太低，為實現(xiàn)伏特表和安培表精確度的匹配，應(yīng)選C表頭而不選D表頭。 （4）由（2）和（3）所選安培計和伏特計內(nèi)