高考物理电学实验如何选择仪器和电路

高考物理电学实验如何选择仪器和电路

　　在电学实验中，例如用伏安法测电阻．测量电源的电动势和内电阻，测某一用电器的伏安特性图线，都存在如何选择电学实验器材，如何选择测量电路、控制电路的问题．合理地选择实验器材和实验电路，可以使实验顺利进行，而且实验操作方便，实验误差较小．
　　正确地选译议器和电路的问题，有一定的灵活性．解决时应掌握和遵循一些基本的原则、即“安全性”、“精确性”、“方便性”和“误差小”、“仪器少”、“耗电少”等各方面要综合考虑．灵活运用．
一、实验仪器的选择
　　根据教学大纲及高考考试的要求，选择电学实验仪器主要是选择电表、滑动变阻器、电源等器件，通常可以从以下三方面人手：

　　1．根据不使电表受损和尽量减少误差的原则选择电表．首先保证流过电流表的电流和加在电压表上的电压均不超过使用量程．然后合理选择量程。务必使指针有较大偏转（一般取满偏刻度的2/3左右），以减少测读的误差．

　　2．根据电路中可能出现的电流或电压范围需选择滑动受阻器．注意流过滑动变阻器的电流不超过它额定值．对高阻值的变阻器，如果滑动头稍有移动，使电流电压有很大变化的，不宜采用．

　　3．应根据实验的基本要求来选择仪器．对于这种情况．只有熟悉实验原理．才能作出恰当的选择．
【例1】有一电阻R，其阻值大约在40Ω至50Ω之问，需进一步测定其阻值，现有下列器材：电池组，电动势为9V，内阻忽略不计；电压表V，量程为0至10V，内阻20Ω；电流表A1，量程为0至50ｍA，内阻约20Ω；电流表A2，量程为0至300mA，内阻约4Ω；滑动变阻器R1，阻值范围为0至100Ω，额定电流1A；滑动变阻器R2，阻值范围为0至1700Ω，额定电流0.3A，开关Ｓ及导线若干．实验电路图如图１所示，实验中要求多测几组电流、电压．在实验中应选_________电流表和__________滑动变阻器．
【分析与解】首先估算电路中可能达到的最大电流值，假设选电流表A1，则，超过了A1的量程，及假设选电流表A2，则，未超出A2的量程，故应选电流表A2，这一选择遵循了安全性原则．
　　对滑动变阻器的选择。假设选R1，电路中的最小电流约为
　　故电路中的电流强度范围为0.06A～0.18A．又假设选R2，电路中的最小电流约为
　　故电路中的电流强度范围为0.005A~0.18A，因为电流表A2的量程为0.3Ａ，电流强度为0.06Ａ时，仅为电流表A2量程的1/5，如果移动滑动变阻器阻值再增大，其电流表的示数将更小，读数误差会更大，因此对于R2而言，有效的调节长度大小，将导致电流强度值随滑动片位置的变化太敏感．调节不方便，故应选滑动受阻器R1．这一选择就遵循了方便性原则．
二、实验电路（电流表内外接法）的选择
　　电压表和电流表连入电路可以有两种方法：一种是如图２甲所示的电路叫做电流表外接电路（简称“外接法”）；一种是如图2乙所示电路叫做电流表内接电路（简称“内接法”）．由于电流表、电压表内阻的影响，不管采用电流表内接还是外接都将会引起误差．

　　外接法的测量误差是由于电压表的分流作用而产生，由并联电路中电流分配与电阻成反比可知当时，电压表的分流作用可忽略不计，此时,可见对于小电阻的测量宜采用外接法电路．

　　内接法产生的误差是电流表的分压作用，由串联电路的电压分配与电阻成正比可知，当时，电流表的分压作用很小，可忽略不计，此时，所以对大电阻应采用内接法电路．

　　那么如何确定R值是较大还是较小呢？根据以上分析可知，当被测电阻与电压表内阻的关系满足即时应采用“外接法”较准确；当被测电阻与电流表的内阻相比满足即时，采用“内接法”测量误差较小．若当时，电压表的分流作用和电流表的分压作用对测量结果的影响是相同的，此时既可选择“内接法”也可选择“外接法”．，此时的Ｒ我们常称为临界电阻．当时，电流表的分压作用较电压表的分流作用明显，应采用外接电路，当时，电压表的分流作用较电流表的分压作用明显，应采用内接电路．
【例2】有一小灯泡上标有“6V,0.6W”的字样，现在要用伏安法测量这个灯泡的图线，已知所用器材有：是电流表（0～0.3A，内阻1Ω）；电压表（0～15V，内阻20kΩ）；滑动变阻器（0～30Ω，2A）；学生电源（直流9V）；开关一只、导线若干．为使实验误差尽量减小，画出合理的实验电路图．
【分析与解】因为电压表内阻远大于灯泡的最大阻值60Ω，因此选择电流表外接法．电路如图３所示．
【例３】用伏安法测量阻值约为几十欧的线圈的电阻R，己知所用电流表的量程为（0～0.6V），内阻0.125Ω，电压表的量程为（0～15V），内阻为15kΩ，蓄电池组电压为12V，问应采用哪一种连接电路？
【分析与解】因为，而题目给出的被测电阻阻值约为几十欧，可能大于43Ω，也可能小于43Ω，因此内接法、外接法两种电路均可采用。
　　在具体的实验中若RA、RV均不知的情况下，可用试触法判定，即通过改变电表的连接方式看电流表、电压表指针变化大小来确定．
三、控制电路的选择
　　为改变被测电阻两端的电压（或被测电阻中的电流强度），常用滑动变阻器与电源的连接有两种不同的形式，如图４所示，图４甲为限流接法，图４乙为分压接法，这两种接法区别之处是：

　　⑴测电阻R上的电压调节范围不同．当滑动触头P由a→b移动过程中（电源内阻不计）．被测电阻两端电压调节的范围，图4甲为，图4乙为；

　　⑵对被测电阻R上的电流强度的控制情况有区别．对于图４甲有时，调节R0的大小可使通过被测电阻的电流有明显变化，但当时，无沦怎样改变R0的大小，也不会使通过R的电流有明显变化，可见，只有在（或两者相差不多）的情况下，改变变阻器的触头的位置才会使电阻R上的电流有明显变化，从而起到对电阻R上的电流的控制作用．但对于图４乙中，不管电阻R的大小如何，调节滑动变阻器触头位置都可以使通过被测电阻R的电流由０变到，通过被测电阻R的电流有明显变化；

　　⑶从电能损耗方面分析图4甲比图4乙要小，且图４甲具有电源负担轻、电路连接简便等优点．
　　综合上述，可得到如下结论：

　　⑴若需要被测电阻R两端电压变化范围较大，或需要从零开始连读可调电压，应选图4乙的分压电路；

　　⑵若采用限流电路时，如果电路中最小电流大于或等于被测电阻Ｒ的额定电流，必须采用汁压电路；

　　⑶当时．为使被测电阻中电流有明显变化，也应选分压电路；

　　⑷当时（或两者相差不多），虽然两种电路都可以对负载电流有明显的调节和控制．或两种电路都满足实验要求时．但图４甲的限流电路具有节省电能、电源负担轻、电路连接简便等优点，应选图4甲的限流电路较好．
　　例如在例2中，电路若采用限流电路，电路中的最小电流为等于小灯泡额定电流，滑动变阻器无法对电流进行调节，故必须采用分压电路，如图３所示．
　　所以，我们在选择电学实验仪器和实验电路时，应先依据题意确定电流表、电压表和滑动变阻器等仪器，然后确定电流表的内外接怯，再选择控制电路并画出实验电路图．
【例４】用伏安法测量某电阻的阻值，现有实验器材如下：侍测电阻（阻值大约为5Ω，额定功率为1Ｗ）；电流表A1（量程０～０.６A，内阻0.2Ω）；电流表A2（量程0~3A，内阻0.05Ω）；电压表V1（量程0~3V，队阻3kΩ）；电压表V2（量程0~15V，内阻15kΩ）；滑动变阻器（0~50Ω），蓄电池（电动势为6V）开关、导线。
为了较准确测量阻值，保证器材的安全，以及操作方便，电流表、电压表应选择___，并画出实验电路图。
【分析与解】

　　1．确定电压表、电流表。
　　被测电阻的额定电压、额定电流分别约为
　　 
　　则电流表选用A1，电压表选用V1。
　　2．确定电流表内外接法。
　　临界电阻的阻值为 
　　因为＜R，则电流表必须外接。
　　3．确定控制电路
　　因滑动变阻器的全值R0大于被测电阻值，故首先考虑滑动变阻器的限流接法。
　　限流接法上的电流取值范围为
　　因为，那么滑动变阻器的阻值（滑动头移动时）不得小于
　　若采用滑动变阻器的分压接法，因为R0＞，会使操作不方便，因此应选择滑动变阻器的限流接法，电路如图5所示。