电学实验设计中仪器和电路的选择

电学实验设计中仪器和电路的选择

中学电学实验因其原理丰富、操作容易、现象明显、误差相对较小且易于减小实验误差等特点,而成为各类考试考查中长盛不衰的“热点”,高考中更是年年必考。其中难点是实验仪器和电路的选择,它能充分反应学生对实验目的、实验原理、实验方法和步骤等的理解掌握情况以及对实验器材性能和操作的熟练程度,是对实验能力的一种综合性考查,因此它往往具有一定的难度,是学生学习的难点和重点。近几年高考中基本上都考查了实验仪器及电路的选择,学生得分率都不很高。下面我们来分析如何解决这一类型的习题。

首先,选择仪器和电路的目的是为了减小实验误差,使测量尽量准确。比如,选择安培表的内、外接法主要是为了减小系统误差;选择电表的量程主要是为了减小读数的偶然误差等等。因此,为了使测量尽量准确和保护仪器,选择仪器和电路时应注意如下总原则:

(1)电表的选择:①尽量选择较理想(即安培表内阻越小越好,伏特表内阻越大越好)的电表(电压表、电流表)；②选量程时应尽量使指针达半偏以上。这样有利于减小误差。

(2)变阻器的选择:原则上要便于调节。所以其电阻值应接近待测电阻,不要过大,也不要过小。额定电流则越大越好。

(3)安培表内、外接法的选择：当R R R R x A v x <时,用安培表外接法；当R R R R x A v x

>时,用安培表内接法。

(4)分压、限流电路的选择:①选择电路时优先考虑限流电路,当电路中最小电流仍超过电流表量程(或电路中额定电流)时,就用分压电路;②要求尽量多测几组实验数据时,用分压电路;③用图线法处理数据时,用分压电路。等。

【例1】有一电阻R x ,其阻值大约在40～50欧姆之间,需要进一步测定其阻值,手边

实验要求多测几组电流、电压值,画出电流−

电压关系图。

为了实验能正常进行并减小测量误差,而且要

求滑动变阻器便于调节,在实验中应选图_____所

示的电路,应选代号是______的毫安表和代号是

_____的滑动变阻器。 分析：先看不须选择的仪器。有待测电阻、

电源、电键、导线等,因为电源和待测电阻一定,故可估算出电路中电流的大致范围,于是

就可以确定该选择的电路。本题中需选择的器材有电流表和变阻器,为了便于调节,变阻器只能选R 1。

电路中最小电流为：

I R R A mA mA x min =+≈+≈>ε945100

6050 故安培表要选A 2 又R v /R x ≈400 > R x /R A ≈10,故安培表要采用外接法,即甲图所示电路。

【例2】某电压表内阻在20千欧～50千欧之间,现要测量其内阻,

实验室中提供了下列可供选用的器材:

待测电压表V(量程3V) 电流表A 1(量程200μA)

电流表A 2(量程5mA)

电流表A 3(量程0.6A)

滑动变阻器R(最大阻值1K Ω)

电源ε(电动势4V); 电键K

(1)所提供的电流表中,应选_________.

(2)为了尽量减小测量误差,要求测多组数据,试在方框中画出符合要求的实验电路图(其中电源和电键及连线已画出)

分析：第一,由题意要求多测几组实验数据,因此只能用分压电路。第二,需要选择的仪器是电流表的量程,这要根据电路中电流的大小来判定,电路中分压支路的电流最大值为:

I max =ε/R min =4A/20000=0.0002A=200μA

因此为了使电流表指针尽量半偏以上,电流表只能选A 1,电路如上图。

【3】用伏安法测一个电阻值约为25千欧、额定功率为1/20瓦的电阻阻值,备用器材有:

(1)量程为0～100μA 、内阻约为2K Ω的安培表A 1；

(2)量程为0～500μA 、内阻约为300Ω的安培表A 2；

(3)量程为0～1V 、内阻约为10K Ω的伏特表V 1；

(4)量程为0～10V 、内阻约为100K Ω的伏特表V 2；

(5)量程为0～50V 、内阻约为500K Ω的伏特表V 3；

(6)直流稳压电源E 1,输出电压15V,额定电流1A ；

(7)直流稳压电源E 2,输出电压50V,额定电流0.5A ；

(8)电位器.电阻值约1K Ω,额定功率1W ；

(9)待测电阻R x 、电键和导线若干.

为了使测量尽量准确,电源应选________,伏特表应选_______,安培表应选_______(只填代号)。并画出实验用电路图。

分析:(1)弄清已知条件:

待测电阻:额定电流为I e =P R =12025000

/A =1.41(mA);变阻器额定电流为:I 'e =11000

A ≈0.03A

(2)选电源:

若选E 2:限流电路分压电路:.:.min min I A mA I A A =++≈==⎧⎨⎪⎪⎩

⎪⎪5025001000300198501000005

若用限流电路,则最小电流大于任意电流表的量程,故不能限流电路;若能分压电路,则电路中最小电流大于变阻器的额定电流,故分压电路也不行,所以电源E 2不行.

若选E 1:限流电路分压电路:.:.min min I A A I A A mA =+≈===⎧⎨⎪⎪⎩

⎪⎪1525000100005761510000015150 因限流电路中最小电流大于电流表量程,故不可以;若用分压电路,则满足要求,故选用电源E 1可以。

(3)选电路

根据上面的分析,电源只能选E 1,电路只能选分压电路.

(4)选电表

因电源电动势为15V ，电表指针应半偏以上,故电压表选V 2；比较A 1和A 2,因电流表A 2的量程较大而内阻较小，支路中的电流最大值为I max =ε/R 测

=15A/25000=0.6mA,可以使它的指针半偏以上,故A 2.

(5)再根据待测电阻与安培表内阻的关系,知道安培表应内接.

所用电路图如右.

小结 此题型的解题思路如下：

1)由确定器材估算电路中电流或电压的极值(最大值或最小值);

2)由电流或电压的极值确定电路(分压或限流)

3)由电流或电压的极值确定电表量程;

4)由电表内阻与待测电阻的关系确定安培表接法(内接、外接)；

5)画好电路图。