■河南省信陽市新縣高中 付培軍

設計性電學實驗試題賞析

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設計性電學實驗在強調(diào)實驗原理理解、誤差分析的基礎上,要求進行電路設計,或轉(zhuǎn)換角度和條件,進行拓展創(chuàng)新。設計性電學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,要求同學們完成實驗目標,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目的,不給實驗器材,要求同學們自行設計,答案多樣。

求解設計性電學實驗試題的思路包括以下五步。

1.設計實驗電路。

(1)確定實驗原理。電路設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想,也包括實驗儀器、裝置所應用的科學原理,它是實驗設計的出發(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、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。

實驗器材的選擇應遵循以下原則。

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

(2)安全性：在實驗方案的實施過程中應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?shù)剡x擇電流表內(nèi)接法和外接法。

(2)恰當?shù)剡x擇滑動變阻器限流式和分壓式。(本期中的《解讀電學實驗中“三個選擇”》給出了具體的選擇方法,同學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。連接電表時應注意量程選用正確;正、負接線柱不要接錯;各導線都應接在接線柱上;在導線中間不要出現(xiàn)交叉等。

5.處理實驗數(shù)據(jù)。

例1 國標規(guī)定自來水在1 5℃時電阻

率應大于1 3Ω·m。為測量1 5℃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。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：

圖1

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S撥到1位置,記錄電流表示數(shù)I;

C.把開關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S撥到2位置不變,改變電阻箱的示數(shù)讀取對應的電流值;

F.斷開開關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)應為Ω。

(2)以電阻箱示數(shù)R為縱軸,用對應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”)

解析：(1)讀取游標卡尺示數(shù)時應先讀主尺1 6mm,再找對齊的刻線1 4,進而得出所測玻璃管的內(nèi)徑為1 6.7 0mm。電阻箱的讀數(shù)為相應的示數(shù)與倍率的乘積再相加,即1 8.6Ω。

(3)測量電源的電動勢與內(nèi)阻時采用的是安阻法,由閉合電路歐姆定律知E=I(r+ R0+R),變形得,因此為處理簡單宜作圖像。

(4)因為采用替代法測量水柱的電阻率,所以水柱的電阻率與電流表的內(nèi)阻無關。設電流表內(nèi)阻為RA,由閉合電路歐姆定律知,可見圖像的斜率不變,截距變大,故電流表的內(nèi)阻對電動勢的測量值無影響,但會使電源內(nèi)阻的測量值偏大。

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2V,內(nèi)阻約為2k Ω。提供的器材有：

電流表A,量程0.6A,內(nèi)阻約為0.1Ω;

電壓表V2,量程5V,內(nèi)阻約為5k Ω;

定值電阻R1,阻值為3 0Ω;

定值電阻R2,阻值為3k Ω;

滑動變阻器R3,最大阻值為1 0 0Ω,額定電流為1.5A;

電源E,電動勢為6V,內(nèi)阻約為0.5Ω;

開關S一個,導線若干。

(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字母代號。

(3)根據(jù)(2)設計的電路,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。

(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3k Ω,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,所以應該選用分壓式。實驗電路如圖4所示。

圖4

點評：本題在課本實驗的基礎上進行創(chuàng)新設計。求解此類問題時,要結(jié)合題給條件,將相應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。

跟蹤訓練

為了測量某電池的電動勢E、內(nèi)阻r和一個電流表的內(nèi)阻RA(已知電流表內(nèi)阻與電源內(nèi)阻差別不大)。某同學設計了如圖5所示的實驗電路,請你完成以下幾個步驟。

(1)用筆畫線代替導線,將如圖6所示的實物連接起來。

圖5

圖6

(2)實驗前,應先將滑動變阻器的滑片P滑到(選填“a”或“b”)端。

(3)合上開關S1,開關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電流表的示數(shù);將開關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電流表的示數(shù)。在同一坐標系內(nèi)分別描點作出對應的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。

圖7

①開關S2接1位置時作出的U-I圖像應是(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

(責任編輯 張 巧)