电学实验仪器和电路的选择

电学实验仪器和电路的选择

在中学电学实验中，如用伏安法测电阻，测电源的电动势和内阻，测某一用电器的伏安特性曲线，都存在如何选择电学实验仪器，合理地设计电路。如何使学生学会电路设计和顺利进行实验，应从下面几方面考虑。

1、实验仪器的选择

根据中学教学大纲要求，电学仪器的选择主要是：电表、滑动变阻器、电源等仪器。

（1）电表的选择原则是：不使电表受损和尽量减少误差。首先保证流过电流表的电流和加在电压表的电压均不超过使用量程，然后考虑电压表、电流表在使用时，指针有较大偏转（一般取满偏度的2/3左右）。

（2）滑动变阻器选择原则：考虑被测对象要求的电流或电压变化范围，并且方便、节能。注意流过滑动变阻器的电流不超过它的额定值。对高阻值的变阻器，如果滑动头稍有移动，电流、电压变化很大的，不宜采用，应选用阻值小的变阻器。

例1 有一电阻R x，其阻值大约在40Ω-50Ω之间，需进一步测定其阻值，现有下列器材：

电池组ε（电动势为12V，内阻约0.5Ω）

电压表V（量程0-3-15V，内阻20KΩ）

电流表A 1（0-50mA ，内阻20Ω）

电流表A 2（0-300mA ，内阻4Ω）

电流表A 3（0-1A ，内阻0.1Ω）

滑动变阻器R 1（0-100Ω，额定电流1A ）

滑动变阻器R 2（0-1700Ω，额定电流0.3A ）

开关K 及导线若干，实验电路如图1所示，实验中要求多测几组电流、电压值。在实验中电流表

应选 ，电压表的量程应选 ，

滑动变阻器应选 。

解析：电源电动势为12V ，考虑耗电少， 加在被测电阻两端电压可达12V ，故电压表量程应选取0-15V 。

估算被测电阻可达到最大电流值，假设选电流表A 1，则A R R I A X m 20.01≈+≈

ε，超过了A 1的量程；假设选电流表A 2，则A R R I A X m 27.02

≈+≈'ε

，未超过A 2的量程，又从电流表读数精确度来考虑，应选电流表A 2。

对滑动变阻器的选择，因为滑动变阻器R 1和R 2的额定电流都大于0.27A ，从节电、方便，满足测多组电流、电压值的要求，选用阻值较小的变阻器R 1。

2、测量电路的选择

电压表和电流表连入电路有两种方法：一种是外接法（电流表外接电路）；另一种是内接法（电流表内接电路）。不管采用哪

图1

种接法，由于电表内阻的影响，计算值都有误差，为了减少误差，常用如下方法选择电路。

方法1 临界值计算法：当内、外接法相对误差相等时，有V X X X A R R R R R +=，即 V A X R R R = （R A ＜＜R V ）为临界值。

当R X ＞＞R A 或R X ＞V A R R 时，选择“内接法”;

当R X ＜＜R V 或R X ＜V A R R 时，选择“外接法”; 当V A X R R R =时，内、外接法均可。

方法2 测试判断法。

当R X 、R A 、R V 、均不知的情况下，可用试接法选择电路。如图2所示，将单刀双掷开关K 分别接触a 、b 点，设接触a 、b 点时，电流表示数分别为I a 、I b ，

电压表示数分别为U a 、U b 。 当

b b a I I I -＞a b a U U U -时，选用“内接法”; 当b b

a I I I -＜a

b a U U U -时，选用“外接法”。

例2 有一小灯泡上标有“3V 、0.6W ”，现要用伏安法测量这个灯泡的I-U 图线，可选用仪器有：电流表（0-0.3A ，内阻约1Ω）；电压表（0-3V ，内阻约20K Ω）；滑动变阻器（0-50Ω，额定电流2A ）；电源（直流9V ）；开关一只、

导线若干，为使实验误差尽量小，请

画出合理电路图。

图2

图3

解析：由于电压表内阻远大于灯泡的

最大阻值，故选用电流表外接法，电路图如图3所示。

3、供电电路的选择

供电电路一般由电源和滑动变阻器按一定的连接方式组成，滑动变阻器在供电电路中有两种连接方式：如图4为限流式：如图5为分压式，限流式可省一个耗电支路，具有节省电能、电路连接简单的优点，分压电路具有较大的电压可调范围。

选择原则：设滑动变阻器的全电阻为R 0，被测电阻的阻值为R X

当R 0＜2X

R 时，用分压电路；

当R 0＞10R X 时，用限流电路； 当20

R ＜R 0＜10R X 时，两种电路均可，优先采用限流电路。 例3 有一电阻R x （阻值约5Ω，额定功率1w ），需测定其阻值，现有下列器材：

电池组ε（电动势为6V ，内阻约0.5Ω）

电压表V 1（量程0-3V ，内阻3K Ω）

电压表V 2（量程0-15V ，内阻15K Ω）

图5

图4

电流表A 1（0-0.6A ，内阻0.2Ω）

电流表A 2（0-3A ，内阻0.05Ω）

滑动变阻器R 1（0-10Ω，额定电流1A ）

滑动变阻器R 2（0-1700Ω，额定电流1A ）

开关K 及导线若干，实验中要求多测几组电流、电压值。

（1）在实验中电压表、电流表应选 ，滑动变阻器应选 。

（2）画出实验电路图。

解析：先考虑测量电阻的方法，从题中给出的仪器，考虑用伏安法测电阻，（学生可讨论替代法、半偏法等等）

（1）确定了伏安法之后，考虑电压表、电流表的选择， 2.2≈=x PR U 额V ， A R P I x

45.0≈=额 电流表、电压表的量程应大于且接近被测电阻的额定值，所以电流表选A 1，电压表选V 1。

（2）测量电路确定：临界电阻的阻值R=V A R R =24.5Ω，因

为R X ＜R ，采用电流表外接法。

（3）供电电路确定

先考虑限流接法，假设用滑动变阻器R 2，此时电流变化范围的最大值约0.45A ，据此估算变阻器所需电阻值范围约9-60Ω，而变阻器总阻值为1700Ω，变阻器的

有效调节长度太小，滑动头稍在移动，