专题讲座六：电学实验设计题的设计思路和方法

专题讲座：电学实验设计题的解答思路与方法

电学实验设计题能有效地考查学生的实验技能和创造性思维能力，在高考中的考查频率很高。不少学生面对这类题感到无从下手。实际上，只要做到“三个明确”“两个选择”，问题便可迎刃而解。

一、明确题目的要求

解答一道电学实验设计题，首先要认真审清题意，看清题目的要求。即要看清题目要求测定什么物理量，验证、探究什么物理规律，或者要求设计达到何种标准的电路等。对实验的目的要求明确了，才能保证解题思路正确、明朗，方法对头。

二、明确实验设计的原理

测量电路、控制电路、实验仪器的选择，实验方法、步骤的确定，数据处理、误差分析等问题，都是从实验原理派生出来的，只有明确实验原理，其他问题才可得以解决。如果设计测定型实验，应弄清待测物理量可通过哪些规律、公式求得，与哪些物理量有直接联系，可用哪些物理量定量地表示，用何种方法测定相关量，进而得出待求量。如果设计验证型实验，应弄清在相应的物理现象中，何种定量关系成立，才能使待验证的结论成立。对于设计符合一定标准的电路问题，则应根据实验的要求和相关物理规律，器材的规格、性能等，合理选择、连接电路。

三、明确设计电路的原则

设计电路一般应遵循“安全性”原则、“精确性、方便性”原则，兼顾“运用仪器少，耗电少”等三条原则。

(1)安全性原则

选用仪器组成电路，首先要保证实验正常进行。例如通过电流表的电流和加在电压表上的电压均不得超过其量程，滑动变阻器、被测电阻不得超过其额定电流(额定功率)等，使实验安全进行。

(2)精确性、方便性原则

“精确”是指选用仪器组成实验电路时要尽可能减小测量误差，提高精确度。例如所用电流表、电压表的指针应有较大的偏转，一般应使指针偏转在满刻度的1/3以上，以减小因读数引起的偶然误差。

“方便”是指实验中便于调节控制，便于读数。例如应根据电路可能出现的电流、电压范围选择滑动变阻器。对大阻值的滑动变阻器，如果滑片稍有移动就使电路中的电流、电压有很大变化，则不宜采用。对于滑动变阻器，还要权衡用分压式电路还是限流式电路。对于什么条件下用分压式电路，什么条件下用限流式电路，在下面的“选择控制电路”中有详细讲述。

(3)运用仪器少，耗电少原则

在达到实验目的，各项指标均符合要求的前提下，还应注意运用的仪器尽量少和节约电能。例如控制电路有限流式与分压式两种调节电路，若这两种调节电路均能满足要求，从消耗功率小，节约电能的角度，则应选用限流式电路。

四、选择测量电路

1．用伏安法测电阻或用电器的电功率时电流表内接或外接的选择

2．两种电路的选择

(1)阻值比较法：先将待测电阻的估计值与电压表、电流表内阻进行比较，若R x 较小，宜采用电流表外接法；若R x 较大，宜采用电流表内接法。简单概括为“大内偏大，小外偏小”。

(2)临界值计算法：

R x R V R A 时，用电流表内接法。

(3)实验试探法：按图实1所示接好电路，让电压表一根接线柱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。

图实1

(4)若已知电流表内阻，而不知电压表内阻，应采用“电流表内接法”；若已知电压表内阻，而不知电流表内阻，应采用“电流表外接法”。若电流表内阻、电压表内阻均为已知，采用内接、外接均可。实验中读出电表的示数后，根据已知电表的内阻进行数据处理，可以

消除电表内阻影响造成的系统误差。若不定量计算由电表内阻影响造成的系统误差，则应按(1)确定连接方式。

[典例1] 图2－1甲、乙是两组同样的实验器材实物图，用来测量待测电阻R 的阻值，每组器材中包括：电池、滑动变阻器、电压表、电流表、待测电阻R 、开关，若干导线(图中未标出)。

图2－1

(1)如果待测电阻R 的阻值比电压表的内阻不是小很多，但待测电阻R 的阻值比电流表的内阻大很多，试在图2－1甲中连线，使之成为测量电路；如果待测电阻R 的阻值比电流表的内阻不是大很多，但待测电阻R 的阻值比电压表的内阻小很多，试在图2－1乙中连线，使之成为测量电路。

(2)如果已知上述电压表的内阻为R V 和电流表的内阻为R A ，要求尽可能多测几组数据，对图2－1甲和图乙连成的测量电路，分别写出计算待测电阻的表达式(用测得的量和给出的电表内阻来表示)。

[解析] 用伏安法测电阻是一种基本测量方法，其原理是欧姆定律。为了减小测量的系统误差，要注意电流表内接法和外接法的选择。

(1)当待测电阻R 的阻值比电流表的内阻大很多时，应采用电流表内接法，实物连接如图2－2甲所示。滑动变阻器应采用分压式接法，以增加可调范围，多测几组I 、U 值，从而得出电阻的多个测量值，再求出平均值，以减小偶然误差。

图2－2

当待测电阻R 的阻值比电压表的内阻小很多时，应采用电流表外接法，实物连接如图乙所示。滑动变阻器也采用分压式接法。

(2)用图甲测量时，R ＝U －U A I A ＝U －I A R A

I A

；

用图乙测量时，R ＝U I A －I V

＝U

I A －

U R V 。

3．用伏安法测电表内阻时电路的选择 (1)测量方法

①如图3所示，用小量程电压表测出电流表两端的电压U ，读出电流表的示数I ，则电流表的内阻为R A ＝U

I

。

图3

②如图4所示，用小量程的电流表测出电压表中通过的电流I ，读出电压表的示数U ，则电压表的内阻R V ＝U

I

。

图4

(2)仪器选择

①用电流表的满偏电流乘以内阻确定电压表的量程。若没有合适的电压表，可采用已知内阻的电流表代替(安安法)或采用定值电阻乘以通过的电流计算出电压。

②用电压表的量程除以内阻确定电流表的量程。若没有合适的电流表，可采用已知内阻的电压表代替(伏伏法)或采用定值电阻分流确定通过电压表的电流。

[典例2] 某电流表的内阻在0.1～0.2 Ω之间，现要测量其内阻，可选用的器材如下：

A ．待测电流表A 1(量程0.6 A)

B ．电压表V 1(量程3 V ，内阻约2 kΩ)

C ．滑动变阻器R 1(最大电阻10 Ω)

D ．定值电阻R 2(阻值5 Ω)

E ．电源E (电动势4 V)

F ．开关S 及导线若干

(1)在虚线框中画出实验电路图；

(2)若测得电压表V 1的读数为U ，电流表A 1的读数为I ，则电流表A 1内阻的表达式为R A1＝________。

[解析] 本题必须将一个阻值为5 Ω的定值电阻R 2与电流表A 1串联，再接到电压表V 1