■河南省信陽市新縣高中

付培軍

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設(shè)計性電學(xué)實驗試題賞析

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付培軍

設(shè)計性電學(xué)實驗在強調(diào)實驗原理理解、誤差分析的基礎(chǔ)上，要求進行電路設(shè)計，或轉(zhuǎn)換角度和條件，進行拓展創(chuàng)新。設(shè)計性電學(xué)實驗分封閉性實驗和開放性實驗。封閉性實驗是指給定實驗器材，要求同學(xué)們完成實驗?zāi)繕?，此時實驗的原理和方法是確定的。開放性實驗是指只有實驗?zāi)康?，不給實驗器材，要求同學(xué)們自行設(shè)計，答案多樣。

求解設(shè)計性電學(xué)實驗試題的思路包括以下五步。

1．設(shè)計實驗電路。

(1)確定實驗原理。電路設(shè)計是從探索實驗原理開始的，實驗原理既包括實驗所探索的原理和設(shè)想，也包括實驗儀器、裝置所應(yīng)用的科學(xué)原理，它是實驗設(shè)計的出發(fā)點，也是貫穿整個實驗活動的主線。

(2)構(gòu)想實驗電路。從電路的結(jié)構(gòu)上看，由三部分組成：一是動力源，即電源；二是測量電路，它由被測元件、測量儀器組成；三是控制電路，它由開關(guān)、變阻器等控制元件組成。一般需要先確定測量電路，再確定控制電路，最后確定動力源。

2.選擇實驗器材。

實驗器材的選擇應(yīng)遵循以下原則。

(1)科學(xué)性：實驗方案中依據(jù)的原理應(yīng)遵循物理規(guī)律，選用的規(guī)律要簡明正確，操作程序應(yīng)具有科學(xué)性。

(2)安全性：在實驗方案的實施過程中應(yīng)確保實驗人員和實驗器材的安全。

(3)精確性：確保實驗誤差在允許誤差的范圍內(nèi)。選擇儀器時要有利于減少測量誤差，提高實驗的準確性。如一般選內(nèi)阻較大的電壓表和內(nèi)阻較小的電流表，且讀數(shù)時表頭指針在滿偏的三分之二左右位置；使用歐姆表測量時應(yīng)使指針在中心刻度附近；數(shù)據(jù)的處理常采用圖像法等。

(4)節(jié)約性：在保證安全可靠的前提下，盡量減小成本和電能消耗。

3．選擇實驗電路。

(1)恰當(dāng)?shù)剡x擇電流表內(nèi)接法和外接法。

(2)恰當(dāng)?shù)剡x擇滑動變阻器限流式和分壓式。(本期中的《解讀電學(xué)實驗中“三個選擇”》給出了具體的選擇方法，同學(xué)們一定要深刻理解并靈活掌握。)

4.連接實物圖。

進行實物圖連接時，一般要先畫好實驗電路原理圖，再從電源的正極開始沿順時針方向?qū)⒏陕沸枰?lián)的元件依次串聯(lián)起來，然后連接支路，將需要并聯(lián)的元件并聯(lián)到電路中。連接完畢，一定要進行仔細檢查。連接電表時應(yīng)注意量程選用正確；正、負接線柱不要接錯；各導(dǎo)線都應(yīng)接在接線柱上；在導(dǎo)線中間不要出現(xiàn)交叉等。

5．處理實驗數(shù)據(jù)。

圖1

例1 國標規(guī)定自來水在15 ℃時電阻率應(yīng)大于13 Ω·m。為測量15 ℃時自來水的電阻率和電源的電動勢與內(nèi)阻，某物理興趣小組設(shè)計了如圖1所示的實驗電路。其中內(nèi)徑均勻的圓柱形玻璃管側(cè)壁連接一細管，細管上加有閥門K以控制管內(nèi)自來水的量，玻璃管兩端接有電阻可忽略不計的導(dǎo)電活塞，左活塞固定，右活塞可自由移動。圖中R0為定值電阻，R為電阻箱，A為理想電流表，S為單刀雙擲開關(guān)。此外還有游標卡尺和刻度尺供使用。該興趣小組的實驗步驟如下：

A.用游標卡尺測量玻璃管的內(nèi)徑d如圖2所示；

圖2

B.向玻璃管內(nèi)注滿自來水，用刻度尺測量水柱長度，把開關(guān)S撥到1位置，記錄電流表示數(shù)I；

C.把開關(guān)S撥到2位置調(diào)電阻箱阻值，使電流表示數(shù)也為I，發(fā)現(xiàn)電阻箱的阻值如圖3所示；

圖3

D.重復(fù)實驗步驟B、C，改變水柱長度讀出電阻箱示數(shù)R；

E.把開關(guān)S撥到2位置不變，改變電阻箱的示數(shù)讀取對應(yīng)的電流值；

F.斷開開關(guān)S，整理好器材。

(1)所測玻璃管的內(nèi)徑為____mm。圖示電阻箱的讀數(shù)應(yīng)為____Ω。

(2)以電阻箱示數(shù)R為縱軸，用對應(yīng)水柱長度為橫軸作出一條直線。若直線的斜率為k，則玻璃管內(nèi)水柱電阻率的表達式為ρ=____。

(3)把開關(guān)S撥到2位置不變時，采用圖像處理實驗數(shù)據(jù)，宜繪制出____關(guān)系圖像，處理較為簡單。

(4)實際的電流表有一定的內(nèi)阻，在本實驗中它對測量結(jié)果的影響分別是：使水柱電阻率的測量值____；使電源電動勢的測量值____；使電源內(nèi)阻的測量值____。(選填“偏大”“偏小”或“無影響”)

點評：本題考查游標卡尺和電阻箱的讀數(shù)、用替代法測自來水的電阻率、用安阻法測電源的電動勢與內(nèi)阻的原理及誤差分析等。同學(xué)們在讀數(shù)時，要注意有效數(shù)字的位數(shù)和讀數(shù)規(guī)則。

例2 要測量電壓表V1的內(nèi)阻RV，其量程為2 V，內(nèi)阻約為2 kΩ。提供的器材有：

電流表A，量程0.6 A，內(nèi)阻約為0.1 Ω；

電壓表V2，量程5 V，內(nèi)阻約為5 kΩ；

定值電阻R1，阻值為30 Ω；

定值電阻R2，阻值為3 kΩ；

滑動變阻器R3，最大阻值為100 Ω，額定電流為1.5 A；

電源E，電動勢為6 V，內(nèi)阻約為0.5 Ω；

開關(guān)S一個，導(dǎo)線若干。

(1)有人擬將待測電壓表V1和電流表A串聯(lián)接入電壓合適的測量電路中，測出電壓表V1的電壓和電流，再計算出RV。該方案實際上不可行，其最主要的原因是____。

(2)請選擇合適的器材，設(shè)計一個測量電壓表V1內(nèi)阻RV的實驗電路。要求測量盡量準確，實驗必須在同一電路中，且在不增減元件的條件下完成。試畫出實驗電路圖，并標出所選元件的相應(yīng)字母代號。

(3)根據(jù)(2)設(shè)計的電路，電壓表V1內(nèi)阻RV的表達式為____，式中各測量量的物理意義是____。

解析：(1)因為電壓表的內(nèi)阻很大，將待測電壓表V1和電流表A串聯(lián)后電路中的電流很小，致使電流表測量不準，所以該方案不可行。

圖4

(2)因為待測電壓表V1的內(nèi)阻與已知電壓表V2的內(nèi)阻相差約3 kΩ，而題中又提供有定值電阻R2，所以可以讓電壓表V1與定值電阻R2串聯(lián)后與電壓表V2并聯(lián)。又因為滑動變阻器的阻值較小，所以應(yīng)該選用分壓式。實驗電路如圖4所示。

點評：本題在課本實驗的基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新設(shè)計。求解此類問題時，要結(jié)合題給條件，將相應(yīng)的物理知識進行拓展和遷移，原理是實驗的靈魂，它決定著所用儀器、操作方法、要達到的目的等。

圖5

(1)用筆畫線代替導(dǎo)線，將如圖6所示的實物連接起來。

圖6

(2)實驗前，應(yīng)先將滑動變阻器的滑片P滑到____(選填“a”或“b”)端。

圖7

(3)合上開關(guān)S1，開關(guān)S2接1位置，改變滑動變阻器的阻值，記錄幾組電壓表和對應(yīng)電流表的示數(shù)；將開關(guān)S2接2位置，改變滑動變阻器的阻值，記錄幾組電壓表和對應(yīng)電流表的示數(shù)。在同一坐標系內(nèi)分別描點作出對應(yīng)的U-I圖像如圖7所示。圖中兩直線的縱截距分別為UA、UB，橫截距分別為IA、IB。

①開關(guān)S2接1位置時作出的U-I圖像應(yīng)是____(選填“A”或“B”)，測出的電動勢E和內(nèi)阻r存在系統(tǒng)誤差，原因是____。

②由U-I圖像知該電池的電動勢和內(nèi)阻的真實值E=____，r=____。

③由U-I圖像知電流表的內(nèi)阻RA=____。

參考答案：(1)實物連接如圖8所示。

圖8

(責(zé)任編輯 張 巧)