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物理：電學實驗的創(chuàng)新設計

電學實驗的創(chuàng)新設計

【考情分析】

電學實驗成為理綜模式及單科模式下物理實驗考題的首選題材已是不爭的事實．這一現象的形成有其必然性：

①電學實驗不僅考查了大綱和考試說明所要求的獨立完成實驗的能力和實驗設計能力，同時也有效地考查了電學基礎知識．它所具備的雙重考查功能是許多其他實驗無法替代的；

②受考試時間和試卷篇幅的限制，大部分試卷都未對恒定電流這一章的知識另外單獨設題考查，電學實驗自然肩負著考查恒定電流這一章的使命；

③電學實驗尤其是設計性電學實驗題最富于變化，最能體現考生的實驗創(chuàng)新能力和思維的靈活性，從而為命題者提供了廣闊的命題空間．

【適用地區(qū)】

適用于全國大綱卷、山東新課標卷、江蘇卷等

【題型預測】

1．電阻測量的新理念

【預測1】  為了測量量程為3V的電壓表V的內阻（內阻約2000Ω），實驗室可以提供的器材有：電流表A₁，量程為0．6A，內阻約為0．1Ω；電壓表V₂，量程為5V，內阻約為3500Ω；電阻箱R₁的阻值范圍為0～9999Ω；電阻箱R₂阻值范圍為0～99．9Ω；滑動變阻器R₃的最大阻值約為100Ω，額定電流1．5A；電源E，電動勢6V，內阻約0．5Ω；單刀單擲開關S，導線若干。

（1）請從上述器材中選擇必要的器材，設計一個測量電壓表V的內阻的實驗電路，畫出電路原理圖（圖中的元件要用題中相應的英文字母標注），要求測量盡量準確。

（2）寫出計算電壓表V的內阻R_v的計算公式為R_v＝________。

解析�。�1）由于題目中待測電壓表的量程為3V，內阻約為2000Ω，所以電壓表中的最大電流為，而給定的電流表A₁的量程為0．6A，無法準確測量通過電壓表的電流。所以只能借助于串聯分壓原理，設計的測量電壓表V的內阻的實驗電路如圖所示。

（2）閉合開關，電壓表V的示數為U，電壓表V₂的示數為U₂，電阻箱R₁的讀數為r₁。根據歐姆定律，利用通過電壓表的電流與電阻R₁的電流相等，算出電壓表的電阻為。

【誤區(qū)警示】  多數考生解答此題，毫不猶豫地套用伏安法，這是由于沒有考慮電流表的量程，待測電壓表的量程為3V，內阻約為2000Ω，電壓表中的最大電流為，而給定的電流表A₁的量程為0．6A，通過電壓表的電流無法使電流表的偏轉達到以上，因而無法準確測量通過電壓表的電流，所以電流表不能用。

2．電源電動勢和內阻測量的變式

【預測2】  在測定一節(jié)干電池的電動勢和內電阻的實驗中，備有下列器材：

    ①干電池（電動勢E約為1.5V，內電阻r約為1.0Ω）；

    ②電流表G（滿偏電流3.0mA，內阻）；

    ③電流表A（量程0～0.6A，內阻約為0.5Ω）；

    ④滑動變阻器R（0～20Ω，10A）；

    ⑤滑動變阻器；

    ⑥定值電阻；

    ⑦開關和導線若干．

    （1）為了能準確地進行測量，也為了操作方便，實驗中應選用的滑動變阻器是__________．（填寫數字代號）

    （2）請畫出實驗原理圖．

    解析  （1）由閉合電路歐姆定律可知，只要能測出兩組路端電壓和電流即可，但題目中只給出兩個電流表且其中一個電流表G的內阻已知，可以把內阻已知的電流表和定值電阻串聯改裝成一個電壓表。為了減少誤差，滑動變阻器需選④

（2）設計實驗原理圖如圖所示．

    分別測兩組電流表G和A的讀數，即有

    可得

    ．

3．非理想電表的非常規(guī)使用

【預測3】  某電壓表的內阻在之間，現要測量其內阻，實驗室提供下列可選用的器材：

　?Ａ．待測電壓表Ｖ（量程3Ｖ）

　?Ｂ．電流表Ａ₁（量程200μＡ）

　?Ｃ．電流表Ａ₂（量程0.6ｍＡ）

　?Ｄ．電流表Ａ₃（量程0.6Ａ）

　?Ｅ．滑動變阻器Ｒ（最大阻值1ｋΩ）

　?Ｆ．電源E（電動勢4Ｖ）

　?Ｇ．開關Ｓ，導線若干

　?（1）所提供的電流表中，應選用______________（填寫字母代號）；

　?（2）為了盡量減小誤差，要求測量多組數據，試畫出符合要求的實驗電路圖．

　?解析�。�1）要測量電壓表的內阻，它兩端的電壓可由電壓表的示數讀出，流過電壓表的電流要用電流表與它串聯才能測出．因為電壓表量程為3Ｖ，內阻，所以流過電壓表的最大電流為

　?

則電流表選擇Ａ₁．

　?（2）因為滑動變阻器電阻比電壓表內阻小得多，且要求盡量減小誤差，測量多組數據，所以采用分壓電路，電路如圖所示．

4．定值電阻的妙用

【預測4】  某同學為了測電流表A₁的內阻精確值，有如下器材：

電流表A₁（量程300 mA，內阻約為5Ω）；

電流表A₂（量程600 mA，內阻約為1Ω） ；

電壓表V（量程15 V，內阻約為3 kΩ） ；

定值電阻R₀ （5Ω） ；

滑動變阻器R₁（0～10Ω，額定電流為1 A）；

滑動變阻器R₂（0～250Ω，額定電流為0. 3 A） ；

電源E（電動勢3 V，內阻較�。�．

導線、開關若干．

（1）要求電流表 A₁的示數從零開始變化，且多測幾組數據，且電表的偏轉必須同時達到以上，以保證有盡可能高的精確度．在如圖所示線框內畫出測量用的電路圖，并在圖中標出所用儀器的代號．

（2）若選測量數據中的一組來計算電流表A₁的內阻r₁，則所用電流表A₁的內阻r₁表達式為r₁ =       ；式中各符號的意義是             。

解析  （1）大多數考生看到此題，第一感覺考慮的就是伏安法，由于沒有考慮電表的量程，當然做不正確。少數考生想到要滿足“有盡可能高的精確度”的條件，認為電壓的測定，不能選量程是15V的電壓表。因為電流表A₁上允許通過的最大電壓為1.5V，因而電壓表測不出電流表的兩端的電壓。要滿足“多測幾組數據”，滑動變阻器應采用分壓接法；要滿足“兩表的偏轉必須同時達到以上”，則需要將定值電阻與A₁并聯，以擴大A₁的量程。實驗電路如圖3所示。

（2）若電路表A₁、A₂的讀數分別為I₁、I₂，則通過定值電阻R₀的電流為I₂－I₁，A₁兩端的電壓為（I₂－I₁）R₀，則所用電流表A₁的內阻r₁表達式為

答案  （1）電路如圖所示  （2 ）    I₁、I₂分別為電流表示數，R₀是定值電阻大小．

5．電路實物連線的技巧

【預測5】有一待測的電阻器R_x，其阻值約在40～50Ω之間，實驗室準備用來測量該電阻值的實驗器材有：

電壓表V（量程0～10 V，內電阻約20 kΩ）；

電流表A₁,（量程0～300 mA，內電阻約20Ω）；

電流表A₂,（量程0～800 mA，內電阻約4Ω） ；

滑動變阻器R₁,（最大阻值為10Ω,額定電流為2 A） ；

滑動變阻器R₂（最大阻值為250Ω，額定電流為0.1 A）；

直流電源E（電動勢為9V，內電阻約為0. 5Ω）；

開關及若干導線．

實驗要求電表讀數從零開始變化，并能多測出幾組電流、電壓值，以便畫出I－U圖線．