高中物理电学实验的设计技巧

高中物理电学实验的设计技巧

作者：汤光冬

来源：《神州·中旬刊》2013年第01期

物理实验是高考的重要组成部分，而实验考点中电学实验又是出现频率最高的类型之一。电学实验往往要进行器材选择和电路设计，使相当一部分同学对这种题型产生了恐惧心理。为了帮助同学们更有效地了解和掌握这类题型，我将自己教学过程中的一点体会作了归纳总结，希望与同学们分享后能使这种恐惧心理有所缓解！

目前高中的实验电路设计大体分为二类：一是测电源电动势和内电阻；二是测电阻。

测电源电动势和内电阻的实验相对简单一些，方法也较为单一，同学们掌握起来应该不会太难。常见电路设计方案有如图甲、乙所示的二种情形。但由于乙方案中所产生的系统误差过大而很少使用，所以通常只采用甲方案。下面就通过例题与大家一起来梳理一下这类实验的设计思路。

【例1】在“用电流表和电压表测定电池的电动势和内电阻”的实验中.

①备有如下器材：

A.干电池1节；

B.滑动变阻器（0～20Ω）；

C.滑动变阻器（0～1kΩ）；

D.电压表（0～3V，内阻约2kΩ）；

E.电流表（0～0.6A，内阻约2Ω）；

F.电流表（0～3A）；[来源：]

G.开关、导线若干

其中滑动变阻器应选，电流表选。（只填器材前的序号）

②用实线代表导线把图甲所示的实物连接成测量电路（图中有部分线路已连好）。.

③某同学记录的实验数据如下表所示，试根据这些数据在图中画出U-I图线，根据图线，得到被测电池的电动势E = V，内电阻r = Ω.

■

【解析】①、分析本实验的电路设计后，可从电源的电动势仅为1.5V左右入手，得出滑动变阻器的电阻不能选得过大（一般为20Ω左右），否则回路中的电流过小不便测量。再由所给电压和电阻的大小就可断定所选器材应为：B、E。

②、在连接实物图时，可先将电路图中的导线都标上号（如图所示），再把它对应到实物上。

③、根据U—I图中的物理意义可得知：E=1.46±0.03V，r=0.70±0.05Ω。

测量电阻的情形就要复杂得多，首先要确定实验中滑动变阻器是采用分压还是限流作用；接着要确定电压表、电流表是采用内接，还是外接；有时题中还不直接给出合适量程的电压表或电流表，而需要把它改装成符合要求的电表。下面还是通过例题来与大家共同分亨这类电路的设计技巧吧！

【例2】从下列器材中选出适当的器材，设计一测量金属丝的电阻率的电路.要求操作简便，又尽可能有较高的测量精度，并能得到多组数据.

金属丝L （已知其长度为L0，直径为D，电阻小于50Ω）；

电流表A1 （量程为10 mA ，内阻r1=40Ω）；

电流表A2 （量程為500μA ，内阻r2=750Ω）；

电压表V （量程为10v ，内阻为10kΩ）；

保护电阻R1（阻值为100 Ω）；

滑动变阻器R2（总阻值约为20Ω）；

滑动变阻器R3（总阻值约为2000Ω）；

电池E（电动势为1.5V ，内阻很小）；

开关S 及导线若干.

（1）在虚线框中画出电路图，并标明所用器材的代号。

（2）若选出测量数据中的一组数据计算电阻率ρ，则表达式ρ=____，写出题目中未给符号的意义是_____。

【解析】（1）、这是一道典型的电路设计，且在电路设计过程中要求选取合适的测量仪器。

■

关于电路的设计，笔者认为任何电路都离不开电源和电键，所以可以首先作出电路的电源和电键部分（如图1所示）。

然后确定好所需选用的滑动变阻器及其接法，滑动变阻器在电路中的接法有二种；一种是限流作用，另一种是分压作用。一般来说如果滑动变阻器的总阻值比待测电阻阻值大，则滑动变阻器应作为限流电阻使用；反之滑动变阻器的总阻值比待测电阻小，则滑动变阻器就要作为分压电阻使用。

接着设计如何测量待测电阻的阻值，在电阻测量中设计的思路笔者认为始终要以伏安法为基础，而伏安法测电阻也有二种方法：一种是内接法；另一种是外接法。究竟要采用那种方法可根据这样三个方面来判断：

①、题中所给条件如果能大致判定电表内阻和待测电阻的大小关系，则有：RV>>RX时用外接法；RA

②、在二者大小关系不太明确的情况下可由：■用外接法；■用内接法；

③、在电表电阻和待测电阻的阻值完全不清楚的情况下，就需采用试探法（如图3所示），如果电压表示数变化的百分率大些则用外接法，反之电流表的示数变化百分率大就用内接法。在弄楚电阻的测量方法后，还需确定电表的量程

■

（注：其中所述RV为电压表内阻，RX为待测电阻， RA为电流表内阻。）

（2）■式中I1为电流表A1的示数，I2为电流表A2的示数，D为金属丝的直径，L为金属丝的长度。