淺談物理電學實驗中關于電路設計和儀器的選擇問題

1、文章說明:本文選的題目為在一次廣東省高三物理高考教學研討會上,一位做典型發(fā) 言的物理教師的所選例題,為了使得教師與學生能夠更全面正確的解答此類試題,特撰文 如下淺談物理電學實驗中關于電路設計和儀器的選擇問題高中物理中電學是高考中的傳統重點內容,實驗技能的考核又是學生高考中的必考內容,電學實驗 基本年年都考考,而關于電學實驗中的電路設計以及電學儀器的選擇問題則是此重點中的難點。電學實 驗的學習,要立足課本,在精研教材的基礎上,做熟做透課本上的此類實驗,是做好此類實驗題目的最 佳也是最基本的方法。尤其是現在適應新形勢需要的出現的“設計性實驗”或 “探究性實驗”等試題, 已跳出了課本分組實驗的范圍,

2、要解決好此等題目,更是要牢記各種電學儀器的使用方法、實驗基本原 理、實驗的方法和基本電路和以及一些常識性的知識。方可以較好的解決好相關實驗試題。所謂常識性的知識是指諸如:干電池的單節(jié)電壓 1.5V ,內電阻為零點幾歐到幾個歐姆,干電池在大 電流放電時,電動勢會明顯下降,內阻也會明顯變大,所以,實驗時電流一般在 0.3A ,短時間不要超過 0.5A ,電表讀完示數要立刻斷電;電阻箱的阻值可以直讀,不像滑動變阻器那樣阻值不可以直讀。 。 。 。 。 。 1.電路設計及電學儀器的選用原則:電學實驗中電路設計的問題,在符合基本實驗原理的情況下, 具有一定的靈活性,設計出的電路往往也具有非唯一性。解決時

3、應掌握和遵循一些基本的原則,即“安全 性” 、 “方便性” 、 “精確性”原則,兼顧“誤差小” 、 “儀器少” 、 “耗電少”等各方面因素綜合考慮,靈活運 用。1安全性:要注意到各種電表(電壓表、電流表均有量程;電源、電阻(電阻箱,滑動變阻器等 均有最大允許電流和最大功率;改變電阻箱的阻值時,不要輕易的直接改變倍率最大的旋鈕,以免燒壞儀 器等。設計的電路不能使得儀器或電源的損壞,實驗實施過程中也不應對人身造成危害。2方便性:實驗應當便于操作,便于讀數,便于進行數據處理。3精確性:在實驗電路、儀器、儀器量程的選擇上,應使實驗誤差盡可能的小:使指針有較大偏轉(一 般要大于滿偏度的 1/3 ,以減少

4、測讀誤差;對大阻值的變阻器,如果是滑動頭稍有移動,使電流、電壓有 很大變化的,不宜采用,相反對于滑動變阻器滑動時,電表示數變化很小的,也要更換滑動變阻器或者修 改設計的電路。4對于設計的電路要多方面分析,看其是否有違背上述原則的地方,一般要幾次分析幾次嘗試后,修 改電路符合實際要求。例題:從下列實驗器材中選出適當的器材,設計實驗電路來測量兩個電壓表的內阻,要求方法簡捷, 操作方便,可進行多次測量并有盡可能高的測量精度。A .待測電壓表 V1,量程 03V,內電阻約 20k 40k B .待測電壓表 V2,量程 03V,內電阻約 20k 40k F .滑動變阻器 R4,阻值 0 20,額定電流

5、2AH .單刀開關若干和導線若干請設計一個測量電路,并在方框中畫出電路圖。實驗器材選擇除 A 、 B 、 G 、 H 外,電阻箱應選用:。 原解法如下 :關于電壓表內阻計算的具體表達式在此不再列出。 解析: 最先想到的電路設計如下圖所示:2個電壓表串聯后外接在電源上,如下左圖所示,此時的兩個 電壓表就等同于兩個電阻的分壓, 由于兩個電壓表內阻不同, 根據串聯電路的特點知道, 結果會導致 一個電壓表過量程而燒壞, 所以再想到串聯上滑動變阻器, 如下右圖所示, 至于串聯題中的哪個電阻箱, 看下面的數據分析:假如兩個電壓表的內阻是較為極端的一個內阻為 40K , 一個為 20K , 則 40K 電阻

6、上的電壓可容易計算出為 4V, 故要串入的電阻要為 10K 以上級別,由此可知應該選擇 R1,阻 值范圍 0 99999.9。在下右圖的電路中, 12121216V V V V r r R -= 所以可以一次求出 1r 和 2r 的 數值。這樣的電路也符合了原題的方法簡捷,操作方便的要求。 右圖電路的測量誤差如何?且看下面的數據計算:沒有外接電壓表時,路端電壓為 U=E=6V;當接入 2個電壓表時,外電阻最少為 2個電壓表的最小阻值 20k ,總電阻則為:40k 。 此時的路端電壓 400000.9999875400000.5U E E =+.所以由以上數據得知:此時的電源完全是一個非常理想的

7、電壓源。由于電壓表的內阻都大于 20k , 加上接入的約 100k 的電阻箱 R1, 使得實際的路端電壓與源電動勢的差值更是小于上述計算值! 所以, 由計算數據得知, 上述電路的路端電壓在電阻箱調節(jié)的時候, 其數值變化之小, 是非常理想的! 且實驗的方法簡捷,操作方便,可進行多次測量并有很高的測量精度。數據的處理也更加方便快捷! 因為是利用比值的方法來計算數據,所以我們甚至都不需要知道電源電動勢的具體數值究竟是多大 (當然,要保證使得 2個電壓表的示數不要超過其量程就好 。同樣的理由,我們可以計算出,在傳統的解法中,根據題中的數據,電路中不管是采用 R3還是 R4提供圖中電壓表所想要的分壓,也

8、只是具有理論上的意義:采用 R3 400000.9995004000020=+ 采用 R4 400000.99378940000250=+兩種情況的電壓差別: 0. 005711U E = 由以上數據得知,電路采用 R3還是 R4,兩種電路的路端電壓之差的數值的測量精度的要求,已經 大大超出中學物理儀器測量的極限, 甚至是超出了一些高檔電壓表的測量極限。 所以, 在題中所給的 數據情況下, 考查對于考查學生的實驗能力是不利的, 容易造成學生的困惑和此類實驗題講解的困難?；谕瑯拥脑?我們對于原解答中關于滑動變阻器的是分壓式接法,之所以選用較小的 R4,理 由是可以在其調整的過程中, 也較好的維持輸出電壓的基本穩(wěn)定。 實際上在分壓式電路中, 不管是采 用 R3還是采用 R4,對于電源的能耗,對于因此所引起的電壓的波動,以及實驗的