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浅谈物理电学实验中关于电路设计和仪器的选择问题

文章说明:本文选的题目为在一次广东省高三物理高考教学研讨会上, 文章说明:本文选的题目为在一次广东省高三物理高考教学研讨会上,一位做典型发 一次广东省高三物理高考教学研讨会上 言的物理教师的所选例题 为了使得教师与学生能够更全面正确的解答此类试题 所选例题, 解答此类试题, 言的物理教师的所选例题,为了使得教师与学生能够更全面正确的解答此类试题,特撰文 如下

浅谈物理电学实验中关于电路设计和仪器的选择问题 浅谈物理电学实验中关于电路设计和仪器的选择问题 电路设计和
高中物理中电学是高考中的传统重点内容,实验技能的考核又是学生高考中的必考内容,电学实验 基本年年都考考,而关于电学实验中的电路设计以及电学仪器的选择问题则是此重点中的难点。电学实 验的学习,要立足课本,在精研教材的基础上,做熟做透课本上的此类实验,是做好此类实验题目的最 佳也是最基本的方法。尤其是现在适应新形势需要的出现的“设计性实验”或 “探究性实验”等试题, 已跳出了课本分组实验的范围,要解决好此等题目,更是要牢记各种电学仪器的使用方法、实验基本原 理、实验的方法和基本电路和以及一些常识性的知识。方可以较好的解决好相关实验试题。 所谓常识性的知识是指诸如:干电池的单节电压 1.5V,内电阻为零点几欧到几个欧姆,干电池在大 电流放电时,电动势会明显下降,内阻也会明显变大,所以,实验时电流一般在 0.3A,短时间不要超过 0.5A,电表读完示数要立刻断电;电阻箱的阻值可以直读,不像滑动变阻器那样阻值不可以直读。。 。。 。 。 1.电路设计及电学仪器的选用原则:电学实验中电路设计的问题,在符合基本实验原理的情况下, 电路设计及电学仪器的选用原则: 及电学仪器的选用原则 具有一定的灵活性,设计出的电路往往也具有非唯一性。解决时应掌握和遵循一些基本的原则,即“安全 性”“方便性”“精确性”原则,兼顾“误差小”“仪器少”“耗电少”等各方面因素综合考虑,灵活运 、 、 、 、 用。 1)安全性:要注意到各种电表(电压表、电流表)均有量程;电源、电阻(电阻箱,滑动变阻器等) 均有最大允许电流和最大功率;改变电阻箱的阻值时,不要轻易的直接改变倍率最大的旋钮,以免烧坏仪 器等。设计的电路不能使得仪器或电源的损坏,实验实施过程中也不应对人身造成危害。 2)方便性:实验应当便于操作,便于读数,便于进行数据处理。 3)精确性:在实验电路、仪器、仪器量程的选择上,应使实验误差尽可能的小:使指针有较大偏转(一 般要大于满偏度的 1/3) ,以减少测读误差;对大阻值的变阻器,如果是滑动头稍有移动,使电流、电压有 很大变化的,不宜采用,相反对于滑动变阻器滑动时,电表示数变化很小的,也要更换滑动变阻器或者修 改设计的电路。 4)对于设计的电路要多方面分析,看其是否有违背上述原则的地方,一般要几次分析几次尝试后,修 改电路符合实际要求。

例题:从下列实验器材中选出适当的器材,设计实验电路来测量两个电压表的内阻,要求方法简捷, 操作方便,可进行多次测量并有尽可能高的测量精度。

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A.待测电压表 V1,量程 0~3V,内电阻约 20kΩ—40kΩ B.待测电压表 V2,量程 0~3V,内电阻约 20kΩ—40kΩ C.电阻箱 R1,阻值范围 0—99999.9Ω D.电阻箱 R2,阻值范围 0—99.99Ω E.滑动变阻器 R3,阻值范围 0—250Ω,额定电流 2.5A F.滑动变阻器 R4,阻值 0—20Ω,额定电流 2A G.电池组,电动势为 6V,内电阻为 0.5Ω H.单刀开关若干和导线若干 ①请设计一个测量电路,并在方框中画出电路图。 ②实验器材选择除 A、B、G、H 外,电阻箱应选用: (用器材前的字母表示) 。 ③…… 原解法如下:关于电压表内阻计算的具体表达式在此不再列出。 解法如下 ,滑动变阻器应选用:

解析: 解析: 最先想到的电路设计如下图所示:2 个电压表串联后外接在电源上,如下左图所示,此时的两个 电压表就等同于两个电阻的分压,由于两个电压表内阻不同,根据串联电路的特点知道,结果会导致 一个电压表过量程而烧坏,所以再想到串联上滑动变阻器,如下右图所示,至于串联题中的哪个电阻

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箱,看下面的数据分析:假如两个电压表的内阻是较为极端的一个内阻为 40KΩ,一个为 20KΩ,则 40K Ω电阻上的电压可容易计算出为 4V,故要串入的电阻要为 10KΩ以上级别,由此可知应该选择 R1,阻 值范围 0—99999.9Ω。

在下右图的电路中, 由串联电路的特点得:

V1 V2 6 ? V1 ? V2 = = r1 r2 R1

所以可以一次求出 r 和 r2 的 1

数值。这样的电路也符合了原题的方法简捷,操作方便的要求。

右图电路的测量误差如何? 右图电路的测量误差如何? 且看下面的数据计算:没有外接电压表时,路端电压为 U=E=6V; 当接入 2 个电压表时,外电阻最少为 2 个电压表的最小阻值 20kΩ,总电阻则为:40kΩ。

U=
此时的路端电压

40000 E = 0.9999875E 40000 + 0.5 .

所以由以上数据得知:此时的电源完全是一个非常理想的电压源。由于电压表的内阻都大于 20k Ω, 加上接入的约 100kΩ的电阻箱 R1, 使得实际的路端电压与源电动势的差值更是小于上述计算值! 所以, 由计算数据得知, 上述电路的路端电压在电阻箱调节的时候, 其数值变化之小, 是非常理想的! 且实验的方法简捷,操作方便,可进行多次测量并有很高的测量精度。数据的处理也更加方便快捷! 因为是利用比值的方法来计算数据,所以我们甚至都不需要知道电源电动势的具体数值究竟是多大 (当然,要保证使得 2 个电压表的示数不要超过其量程就好) 。 同样的理由,我们可以计算出,在传统的解法中,根据题中的数据,电路中不管是采用 R3 还是 R4 提供图中电压表所想要的分压,也只是具有理论上的意义:

采用 R3

40000 = 0.999500 40000 + 20

采用 R4

40000 = 0.993789 40000 + 250

两种情况的电压差别:

?U = 0.005711E

由以上数据得知,电路采用 R3 还是 R4,两种电路的路端电压之差的数值的测量精度的要求,已经 大大超出中学物理仪器测量的极限,甚至是超出了一些高档电压表的测量极限。所以,在题中所给的 数据情况下, 考查对于考查学生的实验能力是不利的, 容易造成学生的困惑和此类实验题讲解的困难。

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基于同样的原因,我们对于原解答中关于滑动变阻器的是分压式接法,之所以选用较小的 R4,理 由是可以在其调整的过程中,也较好的维持输出电压的基本稳定。实际上在分压式电路中,不管是采 用 R3 还是采用 R4,对于电源的能耗,对于因此所引起的电压的波动,以及实验的系统误差等,区 别也是极其微小。 当然,采用上述的分析方法可以得知,当电池组内阻未知;当电压表内阻为题目中的数值,而只是电 阻箱 R1 的阻值比题目所给的数值小一个数量级;当两个电压表的量程之和比起电源电动势要小较大的数 值或者其他情况,就要考虑采用传统的解法。

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