高考電學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中器材與電路的選擇

1、高考電學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中器材與電路的選擇江蘇省前黃高級(jí)中學(xué)（213172） 顧國(guó)富電學(xué)實(shí)驗(yàn)是高中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容之一，而電學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)則是高中學(xué)生必須掌握的基本實(shí)驗(yàn)操作技能，因而電學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)成為歷年高考的熱點(diǎn)之一。由于中學(xué)電學(xué)實(shí)驗(yàn)原理豐富，涉及的器材種類較多，每一種器材對(duì)應(yīng)有不同的量程，所以電學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于對(duì)電路和器材的選擇。電學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能充分反映學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、方法和步驟理解掌握情況及對(duì)實(shí)驗(yàn)器材性能和操作的熟練程度，是對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ囊环N綜合性考查，往往具有一定的難度。筆者在近幾年的高考閱卷過(guò)程中發(fā)現(xiàn)對(duì)這一類問(wèn)題大部分學(xué)生的得分率都較低，因此有必要對(duì)這一個(gè)問(wèn)題作一些探討。下面我們就

2、來(lái)介紹有關(guān)電學(xué)實(shí)驗(yàn)器材和電路選擇的基本原則和方法。電學(xué)實(shí)驗(yàn)器材和電路選擇的總的原則是安全、精確和方便。器材的選擇與實(shí)驗(yàn)所用的電路密切相關(guān)，因此在選擇器材前首先要根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)測(cè)量精確、安全可靠、操作方便的實(shí)驗(yàn)電路，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)電路的需要選擇器材。選擇器材和電路時(shí)，為了使測(cè)量結(jié)果精確和保護(hù)儀器，應(yīng)遵循以下原則：電表的選擇通過(guò)估算確定電路中通過(guò)電流表的最大電流和電壓表兩端的最大電壓，所選擇的電表的量程應(yīng)大于最大電流和最大電壓，以確保電表的安全；通過(guò)估算確定電路中通過(guò)電流表的最小電流和電壓表兩端的最小電壓，選擇的電表的量程應(yīng)使電表的指針擺動(dòng)的幅度較大，一般應(yīng)使指針能達(dá)到半偏以上，以減小讀數(shù)

3、的偶然誤差，提高精確度；在滿足上述兩個(gè)條件以后，在不計(jì)電表內(nèi)阻時(shí)應(yīng)選用內(nèi)阻較小的電流表和內(nèi)阻較大的電壓表，以減小系統(tǒng)誤差。變阻器的選擇所選用的變阻器的額定電流應(yīng)大于電路中通過(guò)變阻器的最大電流，以確保變阻器的安全；為滿足實(shí)驗(yàn)中電流變化的需要和調(diào)節(jié)的方便，在分壓式接法中，應(yīng)選用電阻較小而額定電流較大的變阻器，在限流式接法中，應(yīng)選用電阻與待測(cè)電阻比較接近的變阻器。電源的選擇一般可以根據(jù)待測(cè)電阻的額定電流或額定電壓選擇符合需要的直流電源。電流表內(nèi)接法、外接法的選擇為了減小系統(tǒng)誤差，當(dāng)待測(cè)電阻x>時(shí)，采用電流表內(nèi)接法；當(dāng)待測(cè)電阻x<時(shí)，采用電流表外接法；分壓式和限流式電路的選擇在選擇變阻器分

4、壓式和限流式電路兩種接法時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮限流式接法，為了能使實(shí)驗(yàn)正常進(jìn)行和操作方便，當(dāng)電路中的最小電流仍然超過(guò)電流表的量程或待測(cè)電阻的額定電流，或者待測(cè)電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于變阻器的最大值或者需要在待測(cè)電阻兩端從零開(kāi)始測(cè)量電壓、電流時(shí)采用分壓式接法。例1（1986/全國(guó)高考卷）有一電阻RX，其阻值大約在4050之間，需要進(jìn)一步測(cè)定其阻值，手邊現(xiàn)有下列器材：電池組E，電動(dòng)勢(shì)9V，內(nèi)阻約0.5；伏特表V, 量程10V，內(nèi)阻20k；毫安表A1，量程50mA，內(nèi)阻20；毫安表A2，量程300mA，內(nèi)阻4；滑動(dòng)變阻器R1，阻值范圍0100，額定電流1A；滑動(dòng)變阻器R2，阻值范圍01700，額定電流0.3A；開(kāi)關(guān)S，導(dǎo)

5、線若干。有兩種可供選擇的電路，如圖甲、乙所示，實(shí)驗(yàn)要求多測(cè)幾組電流、電壓值，畫出電流電壓關(guān)系圖。為了實(shí)驗(yàn)?zāi)苷＿M(jìn)行減小測(cè)量誤差，而且要求滑動(dòng)變阻器便于調(diào)節(jié)，在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)選用圖 所示的電路，應(yīng)選用代號(hào) 的毫安表和代號(hào) 的滑動(dòng)變阻器。 V mA V mA Rx Rx E S R E S R 甲 乙 圖 分析：由于待測(cè)電阻RX阻值大約在40-50之間，為了電流調(diào)節(jié)方便，滑動(dòng)變阻器只能選擇R1。電路中的最大電流,毫安表A1的量程小于最大電流，故電流表只能選毫安表A2； 由于282.8，待測(cè)電阻x<，應(yīng)采用電流表外接法，即選甲圖。例（1997/全國(guó)高考卷17題）某電壓表內(nèi)阻在20-50K之間，現(xiàn)要測(cè)

6、量其內(nèi)阻，實(shí)驗(yàn)室中提供了下列可供選用器材:VA1 E S 圖待測(cè)電壓表V，量程3V；電流表A1，量程20 0A；電流表A2，量程5mA；電流表A3，量程0.6A；滑線變阻器，最大電阻1K； 電源E，電動(dòng)勢(shì)4V； 開(kāi)關(guān)S，導(dǎo)線若干。(1)所提供的電流表中，應(yīng)選用 。(2)為了盡可能減小測(cè)量誤差，要求測(cè)多組數(shù)據(jù)，試在方框中畫出符號(hào)要求的實(shí)驗(yàn)電路圖。(其中電源和開(kāi)關(guān)及其連線已畫出)分析：要求測(cè)量電壓表的內(nèi)阻，可以把電壓表看作一只能讀出兩端電壓的電阻。在本題中由于電壓表內(nèi)阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于滑動(dòng)變阻器的最大電阻，若此時(shí)采用限流式接法，通過(guò)待測(cè)電壓表中的電流變化范圍比較小，不可能達(dá)到多測(cè)幾組數(shù)據(jù)的要求，無(wú)法精確測(cè)

7、量電壓表的內(nèi)阻，故只能采用分壓式接法，如圖所示。A1A2 R2 R1 圖 電路中通過(guò)電壓表的電流的最大值，因此為了使電流表指針能達(dá)到半偏以上只能選A1。例（2000/全國(guó)高考卷16題）從下表中選出適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)一個(gè)電路來(lái)測(cè)量電流表A1的內(nèi)阻r1，要求方法簡(jiǎn)捷，有盡可能高的測(cè)量精度，并能測(cè)得多組數(shù)據(jù)。電流表A1 (量程10mA，內(nèi)阻r1待測(cè)約40)電流表A2 (量程500A，內(nèi)阻r2=750)電壓表V (量程10V，內(nèi)阻r3=10k)電阻R1 (阻值約為100，起保護(hù)電阻用)滑動(dòng)變阻器R2(總阻值約50)電池E(電動(dòng)勢(shì)1.5V，內(nèi)阻很小)開(kāi)關(guān)S導(dǎo)線若干。分析：根據(jù)本題所給的條件，若采用伏安

8、法，電壓表測(cè)量的最大電壓為1.5伏，指針偏轉(zhuǎn)角度過(guò)小，無(wú)法精確測(cè)量，故只能采取兩電流表并聯(lián)，利用電流表的電流與電阻成反比進(jìn)行測(cè)量。如圖3所示，保護(hù)電阻串聯(lián)在干路中，兩電流表并聯(lián)以后的阻值約為38，若采用變阻器的限流式接法，干路中的電流范圍約為7.910.8mA，通過(guò)兩電流表的電流大小約分別為400500A、7.510.36m，兩電流表指針偏轉(zhuǎn)范圍較小，操作不方便，另一方面測(cè)得的數(shù)據(jù)比較密集，誤差較大，不符合題目要求。因此可以采用滑動(dòng)變阻器的分壓式接法，使得通過(guò)兩電流表的電流大小可以從零開(kāi)始連續(xù)變化，當(dāng)滑片滑到右側(cè)時(shí)，通過(guò)兩電流表的電流最大可以接近量程，就可以測(cè)得多組數(shù)據(jù)例（2001/全國(guó)高考理

9、科綜合卷29題）實(shí)驗(yàn)室中現(xiàn)有器材如實(shí)物圖所示(圖略)，有電池E，電動(dòng)勢(shì)約10V，內(nèi)阻1；電流表A1，量程10A，內(nèi)阻r1約為0.2；電流表A2，量程300mA，內(nèi)阻r2約為5；電流表A3，量程250mA，內(nèi)阻r3約為5；電阻箱R1，最大電阻999.9，阻值最小改變量為0.1；滑線變阻器R2，最大電阻100； AA/ R1 R2 E S 圖 開(kāi)關(guān)S，導(dǎo)線若干。要求用圖4所示的電路測(cè)定圖中電流表A的內(nèi)阻。(1)在所給的三個(gè)電流表中,那幾個(gè)可用此電路來(lái)精確測(cè)出其內(nèi)阻?答 。(2)在可測(cè)的電流表中,任選一個(gè)作為測(cè)量對(duì)象,在實(shí)物圖上連成測(cè)量電路。(3)你要讀出的物理量是 。用這些物理量表示待測(cè)內(nèi)阻的計(jì)算公式是 。分析：電阻箱R1和電流表A并聯(lián)，通過(guò)的電流與阻值成反比，因此干路中的電流將大部分通過(guò)電流表A，通過(guò)電流表A/與電流表A的電流強(qiáng)度數(shù)值相差不大，兩電流表的量程應(yīng)相差不大，根據(jù)題設(shè)條件所提供的三只電流表只能選用A2、A3。另一方面整個(gè)電路的最大電阻的大約在110，最小電流約為