■湖南省汨羅市第一中學(xué) 蔣 緯

一、電學(xué)實(shí)驗(yàn)原理

1.電路設(shè)計(jì)原則：選擇儀器和設(shè)計(jì)電路有一定的靈活性,需要在掌握和遵循“正確性”“安全性”“方便性”“精確性”等基本原則的基礎(chǔ)上,兼顧“誤差小”“儀器少”“耗電少”等各方面因素綜合考慮。

(1)正確性：實(shí)驗(yàn)原理所依據(jù)的原理應(yīng)當(dāng)符合物理學(xué)的基本原理。

(2)安全性：實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)施要安全可靠,實(shí)施過程中不應(yīng)對儀器及人身造成危害。要注意到各種電表均有量程、電阻均有最大允許電流和最大功率,電源也有最大允許電流等,不能燒壞儀器。

(3)方便性：實(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)便于操作,便于讀數(shù),便于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

(4)精確性：在實(shí)驗(yàn)方案、儀器、儀器量程的選擇上,應(yīng)使實(shí)驗(yàn)誤差盡可能的小。

2.電學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的選擇：

(1)根據(jù)不使電表受損和盡量減小誤差的原則選擇電表。首先保證流過電流表的電流和加在電壓表上的電壓均不超過其量程,然后合理選擇所需量程,保證使指針有較大偏轉(zhuǎn)(一般要大于滿偏值的),以減小讀數(shù)誤差。

(2)根據(jù)電路中可能出現(xiàn)的電流或電壓范圍選擇滑動變阻器,注意流過滑動變阻器的電流不超過它的額定值,選擇大阻值的變阻器時(shí),若滑動頭稍有移動,便使電流、電壓有很大變化的,則不宜采用。

(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)的基本要求選擇儀器,只有熟悉實(shí)驗(yàn)原理,才能做出恰當(dāng)?shù)倪x擇。最優(yōu)選擇的原則是：實(shí)驗(yàn)誤差盡可能小；間接測量值盡可能有較多的有效數(shù)字位數(shù),直接測量值的測量使讀數(shù)誤差盡可能小,且不超過儀表的量程；實(shí)現(xiàn)較大范圍的靈敏調(diào)節(jié)；在大功率裝置(電路)中盡可能節(jié)省能量,在小功率電路里,在不超過用電器額定值的前提下,適當(dāng)提高電流、電壓值,以提高測量的準(zhǔn)確度。

3.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本思路：

二、電學(xué)實(shí)驗(yàn)中用到的基本知識

1.實(shí)驗(yàn)原理公式：在近幾年的電學(xué)實(shí)驗(yàn)中,電阻的測量(包括變形,如電表內(nèi)阻的測量)、測電源的電動勢與內(nèi)阻是考查頻率較高的實(shí)驗(yàn)。此類實(shí)驗(yàn)用到的原理公式為R=,E=U+I r。由此可見,對電路中電壓U及電流I的測量是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵所在,這兩個(gè)物理量的直接測量和間接測量的方法多種多樣,因此成為歷年來高考試題的著力點(diǎn)。同學(xué)們在高三階段的實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)中應(yīng)熟練掌握基本實(shí)驗(yàn)知識及方法,做到以不變應(yīng)萬變。

2.伏安法測電阻時(shí)測量電路的選擇。

(1)電流表內(nèi)、外接法的選擇：電流表外接法,如圖1甲所示,待測電阻為小電阻時(shí),用電流表外接法；電流表內(nèi)接法,如圖1乙所示,待測電阻為大電阻時(shí),用電流表內(nèi)接法。

圖1

圖2

方法二：在RV、RA均不知的情況下,可采用試觸法。如圖2所示,分別將電壓表的a端與b、c接觸,如果前后兩次電流表示數(shù)變化比電壓表示數(shù)變化明顯,說明電壓表的分流作用大,應(yīng)采用電流表內(nèi)接法；如果前后兩次電壓表示數(shù)變化比電流表示數(shù)變化明顯,說明電流表的分壓作用大,應(yīng)采用電流表外接法。

(2)滑動變阻器限流、分壓接法的選擇：滑動變阻器是電學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的儀器,近幾年高考電學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)命題多次直接或滲透考查對滑動變阻器限流、分壓接法的選擇。

滑動變阻器的限流接法與分壓接法的特點(diǎn)：在如圖3所示的兩種電路中,滑動變阻器(最大阻值為R0)對負(fù)載Rx的電壓、電流都起到了控制調(diào)節(jié)作用,通常把圖甲電路稱為限流接法,把圖乙電路稱為分壓接法。

圖3

①滑動變阻器限流接法：如圖3甲所示,待測電阻上電壓的調(diào)節(jié)范圍為顯然,當(dāng)R0?Rx時(shí),在移動滑動觸頭P的過程中,電流的變化范圍很小,總電流幾乎不變,Ux也幾乎不變,無法讀取數(shù)據(jù)；當(dāng)R0?Rx時(shí),滑動觸頭P在從b端向a端滑動的過程中,先是電流表、電壓表的示數(shù)變化不大,后來在很小的電阻變化范圍內(nèi),電流表、電壓表的讀數(shù)變化很快,也不方便讀數(shù)；只有當(dāng)Rx與R0差不多大小時(shí),才能對電流、電壓有明顯的調(diào)控作用。在同樣能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡那疤嵯?限流接法的優(yōu)點(diǎn)是較為省電,電路連接也較為簡單。

②滑動變阻器分壓接法：如圖3乙所示,待測電阻上電壓的調(diào)節(jié)范圍為0～E,且R0相對于Rx越小,Rx分擔(dān)的電壓變化的線性就越好。當(dāng)R0?Rx時(shí),盡管Ux的變化范圍仍是0～E,但是數(shù)據(jù)幾乎沒有可記錄性,因?yàn)樵谶@種情況下,滑動觸頭P從a端滑起,要一直滑到快到b端時(shí),電壓表的示數(shù)一直幾乎為零,然后突然上升到E。因此,選用滑動變阻器分壓接法的前提是要用全阻值較小的滑動變阻器。

小結(jié)：滑動變阻器的限流接法與分壓接法均可調(diào)節(jié)負(fù)載電阻電壓和電流的大小,但在不同條件下,調(diào)節(jié)效果大不一樣,滑動變阻器以何種接法接入電路,應(yīng)遵循安全性、精確性、節(jié)能性、方便性等原則綜合考慮。

3.半值法(半偏法)實(shí)驗(yàn)電路的解讀。

測電流表內(nèi)阻和測電壓表內(nèi)阻時(shí)都可以用到半值法,實(shí)驗(yàn)電路如圖4所示。

圖4

選用甲圖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),先斷開開關(guān)S',閉合開關(guān)S,調(diào)整滑動變阻器R01(限流法連接),使電流表A滿偏(指針指到最大刻度線處)；再閉合開關(guān)S',調(diào)整電阻箱R1,使電流表A的指針恰好指到半滿刻度線處,讀出此時(shí)電阻箱的阻值R,則電流表A的內(nèi)阻rA=R。(測量結(jié)果較實(shí)際值偏小)

選用乙圖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),先閉合開關(guān)S'及S,調(diào)整滑動變阻器R02(分壓法連接),使電壓表V滿偏；再斷開開關(guān)S',調(diào)整電阻箱R2,使電壓表V的指針恰好指到半滿刻度線處,讀出此時(shí)電阻箱的阻值R,則電壓表V的內(nèi)阻rV=R。(測量結(jié)果較實(shí)際值偏大)

三、實(shí)物圖連接的基本方法和注意事項(xiàng)

1.基本方法：

(1)畫出實(shí)驗(yàn)電路圖。

(2)分析各元件的連接方式,明確電流表與電壓表的量程。

(3)畫線連接各元件(用鉛筆畫線,以便改錯(cuò)),連線方式應(yīng)是單線連接,連線順序應(yīng)先畫串聯(lián)電路,再畫并聯(lián)電路。具體步驟一般先從電源正極開始,再到開關(guān),然后到滑動變阻器等；先將干路中要串聯(lián)的元件依次串聯(lián)起來,再連接支路,然后將要并聯(lián)的元件并聯(lián)到電路中去。

(4)連接完畢,應(yīng)進(jìn)行檢查,檢查電路也應(yīng)按照連線的方法和順序逐步進(jìn)行。

2.注意事項(xiàng)：

(1)連接電表應(yīng)注意量程選用正確,正、負(fù)接線柱不要接錯(cuò)。

(2)各導(dǎo)線都應(yīng)接在接線柱上,不應(yīng)在導(dǎo)線中間出現(xiàn)分叉。

(3)對于滑動變阻器的連接,要搞清楚接入電路的是哪部分電阻,在接線時(shí)要特別注意不能將導(dǎo)線接到滑動觸頭上。

四、高頻考題解析

例1如圖5所示,游標(biāo)卡尺的讀數(shù)為____mm；螺旋測微器的讀數(shù)為____mm。

圖5

解析：游標(biāo)卡尺的主尺讀數(shù)為12mm,游標(biāo)尺上第8個(gè)刻度和主尺上某一刻度對齊,則游標(biāo)尺讀數(shù)為8×0.05mm=0.40mm,所以游標(biāo)卡尺的最終讀數(shù)為12mm+0.40mm=12.40mm。螺旋測微器的固定刻度為1.5mm,可動刻度為18.3×0.01 mm=0.183mm,則螺旋測微器的最終讀數(shù)為1.5mm+0.183mm=1.683mm,又因?yàn)樾枰雷x,所以所填數(shù)值可以為1.683±0.002。

對于基本測量儀器(如游標(biāo)卡尺、螺旋測微器等)要了解其原理,要能正確使用這些基本儀器進(jìn)行有關(guān)測量。

例2現(xiàn)要測量某一電壓表的內(nèi)阻,給定的器材有：

待測電壓表V(量程2V,內(nèi)阻約4kΩ)；

電流表 mA(量程1.2mA,內(nèi)阻約500Ω)；

直流電源E(電動勢約2.4V,內(nèi)阻不計(jì))；

定值電阻3個(gè),R1=4000Ω,R2=10000Ω,R3=15000Ω；

開關(guān)S及導(dǎo)線若干。

要求測量時(shí)兩電表指針偏轉(zhuǎn)均超過其量程的一半。

(1)試從3個(gè)定值電阻中選用1個(gè),與其他器材一起組成測量電路,并畫出測量電路的原理圖。(要求電路中各器材用題中給定的符號標(biāo)出)

(2)電路接通后,若電壓表讀數(shù)為U,電流表讀數(shù)為I,則電壓表內(nèi)阻RV=____。

解析：(1)實(shí)驗(yàn)電路如圖6所示。若選用電阻R1與待測電壓表并聯(lián),則并聯(lián)電阻約為R并=2000Ω,電壓表讀數(shù)電流表讀數(shù)0.00096A=0.96mA＞0.6mA,因此選用定值電阻R1符合要求。同理可以判斷定值電阻R2、R3不符合要求,故選R1。

圖6

(2)電路接通后,通過定值電阻R1的電流則通過電壓表的電流I2=I-所以電壓表的內(nèi)阻

本題涉及實(shí)驗(yàn)器材選取和電路設(shè)計(jì)等,對考生的分析綜合能力提出了較高要求。解答此類試題必須根據(jù)測量要求和所提供的器材,由儀表的選擇原則和基本規(guī)律為分析的入手點(diǎn)。