物理：电学实验的创新设计

电学实验的创新设计

【考情分析】

电学实验成为理综模式及单科模式下物理实验考题的首选题材已是不争的事实．这一现象的形成有其必然性：

①电学实验不仅考查了大纲和考试说明所要求的独立完成实验的能力和实验设计能力，同时也有效地考查了电学基础知识．它所具备的双重考查功能是许多其他实验无法替代的；

②受考试时间和试卷篇幅的限制，大部分试卷都未对恒定电流这一章的知识另外单独设题考查，电学实验自然肩负着考查恒定电流这一章的使命；

③电学实验尤其是设计性电学实验题最富于变化，最能体现考生的实验创新能力和思维的灵活性，从而为命题者提供了广阔的命题空间．

【适用地区】

适用于全国大纲卷、山东新课标卷、江苏卷等

【题型预测】

1．电阻测量的新理念

【预测1】  为了测量量程为3V的电压表V的内阻（内阻约2000Ω），实验室可以提供的器材有：电流表A₁，量程为0．6A，内阻约为0．1Ω；电压表V₂，量程为5V，内阻约为3500Ω；电阻箱R₁的阻值范围为0～9999Ω；电阻箱R₂阻值范围为0～99．9Ω；滑动变阻器R₃的最大阻值约为100Ω，额定电流1．5A；电源E，电动势6V，内阻约0．5Ω；单刀单掷开关S，导线若干。

（1）请从上述器材中选择必要的器材，设计一个测量电压表V的内阻的实验电路，画出电路原理图（图中的元件要用题中相应的英文字母标注），要求测量尽量准确。

（2）写出计算电压表V的内阻R_v的计算公式为R_v＝________。

解析　（1）由于题目中待测电压表的量程为3V，内阻约为2000Ω，所以电压表中的最大电流为，而给定的电流表A₁的量程为0．6A，无法准确测量通过电压表的电流。所以只能借助于串联分压原理，设计的测量电压表V的内阻的实验电路如图所示。

（2）闭合开关，电压表V的示数为U，电压表V₂的示数为U₂，电阻箱R₁的读数为r₁。根据欧姆定律，利用通过电压表的电流与电阻R₁的电流相等，算出电压表的电阻为。

【误区警示】  多数考生解答此题，毫不犹豫地套用伏安法，这是由于没有考虑电流表的量程，待测电压表的量程为3V，内阻约为2000Ω，电压表中的最大电流为，而给定的电流表A₁的量程为0．6A，通过电压表的电流无法使电流表的偏转达到以上，因而无法准确测量通过电压表的电流，所以电流表不能用。

2．电源电动势和内阻测量的变式

【预测2】  在测定一节干电池的电动势和内电阻的实验中，备有下列器材：

    ①干电池（电动势E约为1.5V，内电阻r约为1.0Ω）；

    ②电流表G（满偏电流3.0mA，内阻）；

    ③电流表A（量程0～0.6A，内阻约为0.5Ω）；

    ④滑动变阻器R（0～20Ω，10A）；

    ⑤滑动变阻器；

    ⑥定值电阻；

    ⑦开关和导线若干．

    （1）为了能准确地进行测量，也为了操作方便，实验中应选用的滑动变阻器是__________．（填写数字代号）

    （2）请画出实验原理图．

    解析  （1）由闭合电路欧姆定律可知，只要能测出两组路端电压和电流即可，但题目中只给出两个电流表且其中一个电流表G的内阻已知，可以把内阻已知的电流表和定值电阻串联改装成一个电压表。为了减少误差，滑动变阻器需选④

（2）设计实验原理图如图所示．

    分别测两组电流表G和A的读数，即有

    可得

    ．

3．非理想电表的非常规使用

【预测3】  某电压表的内阻在之间，现要测量其内阻，实验室提供下列可选用的器材：

　?Ａ．待测电压表Ｖ（量程3Ｖ）

　?Ｂ．电流表Ａ₁（量程200μＡ）

　?Ｃ．电流表Ａ₂（量程0.6ｍＡ）

　?Ｄ．电流表Ａ₃（量程0.6Ａ）

　?Ｅ．滑动变阻器Ｒ（最大阻值1ｋΩ）

　?Ｆ．电源E（电动势4Ｖ）

　?Ｇ．开关Ｓ，导线若干

　?（1）所提供的电流表中，应选用______________（填写字母代号）；

　?（2）为了尽量减小误差，要求测量多组数据，试画出符合要求的实验电路图．

　?解析　（1）要测量电压表的内阻，它两端的电压可由电压表的示数读出，流过电压表的电流要用电流表与它串联才能测出．因为电压表量程为3Ｖ，内阻，所以流过电压表的最大电流为

　?

则电流表选择Ａ₁．

　?（2）因为滑动变阻器电阻比电压表内阻小得多，且要求尽量减小误差，测量多组数据，所以采用分压电路，电路如图所示．

4．定值电阻的妙用

【预测4】  某同学为了测电流表A₁的内阻精确值，有如下器材：

电流表A₁（量程300 mA，内阻约为5Ω）；

电流表A₂（量程600 mA，内阻约为1Ω） ；

电压表V（量程15 V，内阻约为3 kΩ） ；

定值电阻R₀ （5Ω） ；

滑动变阻器R₁（0～10Ω，额定电流为1 A）；

滑动变阻器R₂（0～250Ω，额定电流为0. 3 A） ；

电源E（电动势3 V，内阻较小）．

导线、开关若干．

（1）要求电流表 A₁的示数从零开始变化，且多测几组数据，且电表的偏转必须同时达到以上，以保证有尽可能高的精确度．在如图所示线框内画出测量用的电路图，并在图中标出所用仪器的代号．

（2）若选测量数据中的一组来计算电流表A₁的内阻r₁，则所用电流表A₁的内阻r₁表达式为r₁ =       ；式中各符号的意义是             。

解析  （1）大多数考生看到此题，第一感觉考虑的就是伏安法，由于没有考虑电表的量程，当然做不正确。少数考生想到要满足“有尽可能高的精确度”的条件，认为电压的测定，不能选量程是15V的电压表。因为电流表A₁上允许通过的最大电压为1.5V，因而电压表测不出电流表的两端的电压。要满足“多测几组数据”，滑动变阻器应采用分压接法；要满足“两表的偏转必须同时达到以上”，则需要将定值电阻与A₁并联，以扩大A₁的量程。实验电路如图3所示。

（2）若电路表A₁、A₂的读数分别为I₁、I₂，则通过定值电阻R₀的电流为I₂－I₁，A₁两端的电压为（I₂－I₁）R₀，则所用电流表A₁的内阻r₁表达式为

答案  （1）电路如图所示  （2 ）    I₁、I₂分别为电流表示数，R₀是定值电阻大小．

5．电路实物连线的技巧

【预测5】有一待测的电阻器R_x，其阻值约在40～50Ω之间，实验室准备用来测量该电阻值的实验器材有：

电压表V（量程0～10 V，内电阻约20 kΩ）；

电流表A₁,（量程0～300 mA，内电阻约20Ω）；

电流表A₂,（量程0～800 mA，内电阻约4Ω） ；

滑动变阻器R₁,（最大阻值为10Ω,额定电流为2 A） ；

滑动变阻器R₂（最大阻值为250Ω，额定电流为0.1 A）；

直流电源E（电动势为9V，内电阻约为0. 5Ω）；

开关及若干导线．

实验要求电表读数从零开始变化，并能多测出几组电流、电压值，以便画出I－U图线．