高考热点专题——电学实验器材的选择及电路设计

高考热点专题——电学实验器材的选择及电路设计
电路实验，不仅涉及测量电路的合理设计或选取、涉及控制电路的合理选取、涉及实际电路的连接以及电路初态的设置
问题，而且涉及各测量电表及可变电阻器等器材的合理选配问题。

这些问题的正确处理，可反应学生实验方面分析、设计、
操作等综合能力。

一、实验器材的选择
1．对实验器材和装置的选择，应遵循以下几条主要原则。

①安全性原则：即实验过程中，不产生由于器材或装置选择不当而使仪器发生损坏等不良后果。

在电学实验中，主要表
现为电流表，电压表使用中，正、负接线柱不能接反；各电表的读数不能超过其量程，电阻类元件的电流不能超过其最大允
许电流等；电源的最大输出电流不超过其额定电流等。

②准确性原则：要求实验误差尽量小，精度尽量高。

即要求实验能尽量减小系统误差和偶然误差。

在电学实验中，应选
择适当的实验电路，选择电流表、电压表、欧姆表的适当量程进行测量。

电压表、电流表的指针应指到满偏刻度的三分之一
以上。

欧姆表读数时应使指针指到中值电阻（满偏二分之一处）附近（可更换不同的倍率档调整），注意每次改变倍率档时
要欧姆调零。

③方便性原则：在保证实验能够顺利进行的条件下，使实验操作方便易行。

在电学实验中，主要表现在滑动变阻器规格
的选择、分压式电路与限流式电路的选择等。

在分压接法中，一般选择电阻较小而额定电流较大的；在限流接法中，变阻器
的阻值应与电路中其他电阻的阻值比较接近。

④经济性原则：损耗最小为原则。

2、对器材选择的一般步骤是：
①选出唯一性器材。

②草画电路图（暂不接入电流表、电压表）。

③估算电流和电压的最大值，在考虑电表指针有较大偏转但不超量程的情况下，结合已知实验器材的规格，确定实验电
路和其他实验器材。

二、电路设计
电学设计型实验大体可分为两部分：被测量部分的电路和电表选择与设计，提供电压部分的电路和变阻器的选择与设计。

前一部分涉及到电阻的基本测量方法和电表的内外接法，后一部分主要涉及到滑动变阻器的分压接法和限流接法。

1、变阻器的限流和分压作用的选择
滑动变阻器有两种基本连接方法：限流式接法和分压式接法。

变阻器的分压与限流接法是高考的热点，虽然两种电路均可调节负载电阻电压和电流的大小，但在不同条件下，调节效果大不一样。

下表是对两种连接方式的比较：
滑动变阻器的连接方式及特点
接法电路图特点适用条件
限流式接法1．用电器R0与滑动变阻器R的部分电
阻串联，另一部分不起作用
2．R0上电压调节范围为～E
R0与R的阻值差不多，且不
要求R0上电压能调至零
分压式接法1．用电器R0与滑动变阻器的部分电阻
并联后再与另一部分串联
2．R0上电压调节范围为0～E
1．要求电压调节能从0开始
增大
2．R比R0小，一般取
说明：
①负载电阻的阻值R x远大于变阻器的总电阻R，须用分压电路。

②要求负载上电压或电流变化范围较大，且从零开始连续可调，须用分压式电路。

③负载电阻的阻值R x小于变阻器总电阻R或相差不多，且电压电流变化不要求从零调起时，可采取限流接法。

④两种电路均可使用的情况下，应优先采用限流式接法，因为限流法总功消耗较小。

⑤特殊问题中还要根据电压表和电流表量程以及电阻允许通过的最大电流值来反复推敲，以更能减小误差的连接方式为好。

2、电流表的内接法、外接法的选择
（1）两种测量电路的比较
类别电流表内接法电流表外接法
实验电路
误差来源电流表的分压电压表的分流
测量结果测量值大于真值
测量值小于真值
适用于测量大电阻小电阻
（2）为减小伏安法测电阻的系统误差，应对电流表外接法和内接法作出选择，其方法是：
①阻值比较法：
先将待测电阻的粗约值与电压表、电流表内阻进行比较，若R x＜＜R V，宜采用电流表外接法；若R x＞＞R A，宜采用电流表内接法。

②临界值计算法：
当内外接法相对误差相等时，有∴为临界值。

内、外接法均可。

当时，即选用电流表内接法；
当时，即选用电流表外接法。

③实验试探法（试触法）：按图接好电路，让电压表的一根接线P先后与a、b处接触一下，如果电压表的示数有较大
的变化，而电流表的示数变化不大，则可采用电流表外接法；如果电流表的示数有较大的变化，而电压表的示数变化不大，
则可采用电流表内接法。

典型例题：
例1．用伏安法测电阻时，若事先既不知道准备使用的电流表和电压表的内阻R A和R V，也不知道被测电阻的粗略值（手
头没有万用表供测量），那么就无法比较
R V / R x 和R A / R x 的比值大小，也就无法决定应用电流表的内接法还是外接法。

这
时，可采用如图所示的电路，把与电压表相连的导线的另一端（图中用箭头表示）先后接触点1和2，根据电流表，电压表
两次示数变化的大小可作出判断：（
）
A ．若电流表的示数变化明显，应采用电流表外接法
B ．若电流表的示数变化明显，应采用电流表内接法
C ．若电压表的示数变化明显，应采用电流表内接法
D ．若电压表的示数变化明显，应采用电流表外接法
解析：当电流表的示数变化明显时，说明电压表的分流作用明显，应设法保证测量的电流准确，即采用电流表内接法。

另外，只有当
R x ＞＞R A 时，才会出现电压表示数变化不明显，故采用电流表内接法。

当电压表的示数变化明显时，说明电流表的分压作用明显，应设法保证测量的电压准确，即采用电流表外接法。

另外，只有当R V ＞＞R x 时，才会出现电流表示数变化不明显，故采用电流表外接法。

答案
BD
例2．某电压表内阻在20～50 k Ω之间，现要测量其内阻，实验室提供下列可选用的器材：
待测电压表
V （量程 3 V ）
电流表A 1（量程200μＡ）电流表A 2（量程 5 mA ）电流表A 3（量程0.6 A ）滑动变阻器
R （最大阻值
1 k Ω）
电源E （电动势 4 V ）电键S
（1）提供的电流表中，应选用
________。

（填写字母代号）
（2）为了尽量减小误差，要求测多组数据，试在图中的方框中画出符合要求的实验电路图。

（其中电源和电键及其连线已画出）
解析：
（1）在不超过电压表量程（
3 V ）的前提下，通过电压表的电流
I 0=U 0 / R V ，R V 在20～50 k Ω之间，电流最
大I 0≈1.5×10－4
A=150 μＡ。

因此电流表选
A 1。

（2）电压表可视为一特殊的电阻，第一它的阻值较大；第二该电阻的电压可以从表盘的示数上读数。

测电表的内阻时应注意的就是不要超出它的量程。

本题电源电动势E=4 V ，滑动变阻器的最大值
R 0=1 k Ω，这样，如果滑动变阻器与电压表
电阻串联，电压表所获得的电压就超过了它的量程（
3 V ），因此必须采用分压电路，电路连线如图所示：
例3．（1）在测金属导体的电阻率时，用螺旋测微器测金属丝的直径如图所示。

该金属丝的直径为______mm。

（2）已知电阻丝的电阻约为10Ω，现备有下列器材供测量电阻丝的电阻时选用，应选用的器材有________（只填序号）。

A．量程是0.6 A，内阻是0.5Ω的电流表
B．量程是 3 A，内阻是0.1Ω的电流表
C．量程是 3 V，内阻是 6 kΩ的电压表
D．量程是15 V，内阻是30 kΩ的电压表
E．阻值为0～1 kΩ，额定电流为0.5 A的滑动变阻器
F．阻值为0～20Ω，额定电流为 2 A的滑动变阻器
G．蓄电池 6 V
H．开关一个，导线若干
（3）画出用伏安法测上述电阻丝的电阻电路。

解析：
（1）0.350，注意估读到千分位
（2）A、C、F、G、H
显然G、H是唯一的，为当然选用器材。

选电流表：估算最大电流I max=0.6 A，选A；
选电压表，用D项电压表量程过大，由 6 V / 15 V=1 / 2.5知，电压表指针偏转范围0～1 / 2.5，
不足 1 / 3，误差较大。

C项电压表虽量程小些，我们可通过变阻器调控，使总电流在0.3 A以下，这时A项电流表指针可接
近半偏，可见应选C。

选滑动变阻器：由上述所选电压表要求，滑动变阻器必须采用分压电路，应选F项变阻器。

（显然，0～1 kΩ的变阻器值太大，变化不明显，也不易操作，即可能烧坏电表，也会损坏本身。

）
（3）画电路时，还要确定内外接法：因R V / R x=600＞R x / R A=20，所以应选电流表外接法。

如图所示：
三、注重创新性物理实验的训练
创新性实验试题从解题要求来看，可分为两类：一类根据课本中已经出现过的物理实验的基本原理，所使用的基本材料，以及在这些实验中学过的有关方法，设计一些新的实验问题，让学生按照实验设计方案及要求，完成实验有关内容；另一类
是提供有关的实验器材以及实验要求，让学生根据有关知识以及在实验中学过的方法，自己设计实验方案，并完成实验。

这
已成为近几年高考实验试题的一个新特点。