2020年高考物理电学难点精讲专题01 定值电阻的运用

一、定值电阻在电学设计性实验中的巧用

设计性物理实验是近几年高考试题中的一个新亮点，也是高三复习教学的重点之一;设计性实验主要以电路设计为主.电路设计经常要用到定值电阻，定值电阻如何使用往往是学生最感困惑的地方，也是教学的薄弱环节.鉴于此，下面将对电学实验设计的基本原则和基本思想特别是定值电阻在其中的巧用进行系统的介绍，并对相应问题归类分析。

一. 基本原则

1. 安全性：保证不损坏实验器材。

2. 精确性：电表指针偏转要明显，尽可能减小实验误差，并测得多组数据。

3. 方便性：在保证实验正常进行的前提下，选用的电路和器材应便于操作，所得的实验数据便于处理。（又称可“操作性”）

以上原则是必须遵循的原则。另外有一个附加要求，即在同时满足以上原则的基础上，尽可能地节省器材，节约能源。（在平时练习中，若题目无特别说明，一般不予以考虑。）

二. 基本思想

1. 分压、限流电路的选择

根据分压、限流电路的特点和制约电路的几种因素，有以下选择：

（1）若负载电阻的阻值远大于滑动变阻器的总电阻，因滑动变阻器限流作用弱，如果采用限流电路，电表指针在滑动变阻器阻值改变后偏转不明显，无法测得多组数据，故应采用分压电路。

（2）如果负载电阻的阻值与滑动变阻器的总电阻相差不大，分压、限流电路都可。

（3）若要求负载上电压或电流从零开始连续变化，须用分压电路。

（4）两种电路均可的情况下，若要求电源消耗功率小，须用限流电路。（证明从略）

2. 其它设计思想

（5）若知道电压表的量程和阻值，则电压表兼有电流表的功能。

（6）若知道电流表的量程和阻值，则电流表兼有电压表的功能。

（7）根据电压表的构造可知，可以用电流表和电阻串联作电压表使用

涉及知识：

1.伏安法测电阻

2. 半偏法测电阻

3.电流表电阻的测量

4.电压表电阻的测量

5.伏安法测电源的电动势和内电阻

6.电表的改装

一、定值电阻作为保护电阻

定值电阻作为保护电阻，是定值电阻最常见的应用,这类问题的关键是弄清题目的设计原理，根据提供的数据进行必要的估算，确定好保护电阻在电路中的位置. 串联电阻具有分压作用，并联电阻具有分流作用，利用定值电阻的这种作用，可以用定值电阻来保护电表、待测元件、电源、滑动变阻器等器材的使用安全，这种做法遵循的是电学实验中的“安全性原则”．

【调研1】利用下面适当的实验器材，设计一电路来测量电流表A 1的内阻r 1，要求方法简捷，有尽可能高的测量精度，并能测出多组数据.

A.电流表(A 1)量程0～10 mA 、内阻r 1待测(约40 Ω)；

B.电流表(A 2)量程0～500 μA 、内阻r 2=750 Ω；

C.电压表(V)量程0～10 V 、内阻r 3=10 kΩ；

D.定值电阻(R 1)阻值约100 Ω、做保护电阻用；

E.滑动变阻器(R 2)总阻值约为50 Ω；

F.电源(E )电动势1.5 V 、内阻很小；

G.开关(S )、导线若干.

(1)画出电路图，标明所用器材的代号.

(2)若选测量数据中的一组来计算r 1，则所用的表达式为r 1= ，说明式中各符号的意义.

〖巧解〗 由A 1的量程和内阻值可知，其两端的最大电压大约为U 0=10×10-3×40V=0.4 V<10 V.为便于测量的精确度尽可能高，10V 的电压表不能选用，要测量A 1的内阻值r 1，由伏安法测电阻原理必须知道它两端的电压U 1和其中的电流I 1，而电流I 1可由其读数读出，把电流表A 2和电流表A 1并联起来，电流表A 2的读数为I 2，则I 2 r 2即为电流表A 1两端的电压，在这里电流表A 2当作电压表使用.如果滑动变阻器作限流使用，电路中电流的最小值约为:I 0=

121

E

R R r ++=

1.51005040

++=7.9mA>500μA ，滑动变阻器应采用分压接法.

点评 该电路仅需保护支路，保护电阻的位置有如图甲，乙所示两个方案，通过估算可知保护电阻在干路的保护能力比在支路的保护能力略强，但相差极小,故这两种方案均可.

【调研2】有一电压表V 1，其量程为3 V ，内阻约为3000Ω，要准确地测量该电压表的内阻，提供的实验器材有:

电源E :电动势约为15 V ，内阻可忽略不计； 电流表A 1:量程为0～100 mA ，内阻r 1=20 Ω； 电压表V 2:量程为0～2 V ，内阻r 1=2000 Ω；

A 1 R 2 E r S

A 2 R 1

甲

A 1 R 2 E

S A 2 R 1

乙

定值电阻R 1:阻值20 Ω； 定值电阻R 2:阻值3 Ω；

滑动变阻器R 0:最大阻值10 Ω，额定电流1 A ； 单刀单掷开关S ，导线若干.

(1)实验中应选用的电表是 ，定值电阻应选用 . (2)设计一个测量电压表V 1内阻的实验电路，画出原理图. (3)说明实验所要测量的量: . (4)写出电压表V 1内阻的计算表达式 .

〖巧解〗 电压表V 1两端的电压由其读数读出，当电压表V 1接入电路中时，流过它的最大电流约为I 1=

3

3000

=1 mA 远小于电流表A 1的量程，电流表A 1不能使用，由题所给实验器材只能把电压表V 2当作电流表使用，流过电压表V 2的最大电流为I ′2=

2

2000

A =1 mA 正符合要求，变阻器的阻值为10 Ω远小于电压表V 1、V 2的总电阻，应采用分压接法，变阻器的额定电流为1 A ，需要一个定值电阻作为保护，其阻值设为R x ，由I =0x E R R +可求得R x =E

I

-

R 2=

15

1

-10=5 Ω，定值电阻应选R 1，流过电压表V 1的电流等于电压表V 2的电流，电压表V 2的电流I 等于它的示数U 2除以它的内阻r 2，所以电压表V 1的内阻R V1=

1U I

=1

2U U r 2，电路图如图所示.

点评 该题的特点是不仅电表需要保护，而且滑动变阻器也需要保护，故保护电阻只能连在干路上. 二、定值电阻可以用来完善实验条件

为了提高测量精确度，实验中常常需要满足一定的实验条件，以减小测量的系统误差，常采用的方法就是增大待测量，利用定值电阻和电表等元件连接可以达到此目的，这遵循的是电学实验中的“精确性原则”． 【调研3】要求选用以下部分器材能较准确测量待测电阻R x 的阻值： 待测电阻R x ：阻值约为200 Ω；

A.电源E :电动势约为12.0 V ，内阻较小；

B.电流表A 1：量程50 mA 、内阻r 1=40 Ω；

C.电流表A 2：量程300 mA 、内阻r 2约为4 Ω ；

D.电压表V ：量程3 V 、内阻r 3约为5 k Ω；

E.定值电阻R 0：阻值为40 Ω；

F.滑动变阻器最大阻值为10 Ω；

G.单刀单掷开关S 、导线若干.

V 1

V 2

R 1 E S

R 0