淺談物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)中關(guān)于電路設(shè)計(jì)和儀器的選擇問題

1、文章說明:本文選的題目為在一次廣東省高三物理高考教學(xué)研討會上,一位做典型發(fā) 言的物理教師的所選例題,為了使得教師與學(xué)生能夠更全面正確的解答此類試題,特撰文 如下淺談物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)中關(guān)于電路設(shè)計(jì)和儀器的選擇問題高中物理中電學(xué)是高考中的傳統(tǒng)重點(diǎn)內(nèi)容,實(shí)驗(yàn)技能的考核又是學(xué)生高考中的必考內(nèi)容,電學(xué)實(shí)驗(yàn) 基本年年都考考,而關(guān)于電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的電路設(shè)計(jì)以及電學(xué)儀器的選擇問題則是此重點(diǎn)中的難點(diǎn)。電學(xué)實(shí) 驗(yàn)的學(xué)習(xí),要立足課本,在精研教材的基礎(chǔ)上,做熟做透課本上的此類實(shí)驗(yàn),是做好此類實(shí)驗(yàn)題目的最 佳也是最基本的方法。尤其是現(xiàn)在適應(yīng)新形勢需要的出現(xiàn)的“設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)”或 “探究性實(shí)驗(yàn)”等試題, 已跳出了課本分組實(shí)驗(yàn)的范圍,

2、要解決好此等題目,更是要牢記各種電學(xué)儀器的使用方法、實(shí)驗(yàn)基本原 理、實(shí)驗(yàn)的方法和基本電路和以及一些常識性的知識。方可以較好的解決好相關(guān)實(shí)驗(yàn)試題。所謂常識性的知識是指諸如:干電池的單節(jié)電壓 1.5V ,內(nèi)電阻為零點(diǎn)幾歐到幾個歐姆,干電池在大 電流放電時,電動勢會明顯下降,內(nèi)阻也會明顯變大,所以,實(shí)驗(yàn)時電流一般在 0.3A ,短時間不要超過 0.5A ,電表讀完示數(shù)要立刻斷電;電阻箱的阻值可以直讀,不像滑動變阻器那樣阻值不可以直讀。 。 。 。 。 。 1.電路設(shè)計(jì)及電學(xué)儀器的選用原則:電學(xué)實(shí)驗(yàn)中電路設(shè)計(jì)的問題,在符合基本實(shí)驗(yàn)原理的情況下, 具有一定的靈活性,設(shè)計(jì)出的電路往往也具有非唯一性。解決時

3、應(yīng)掌握和遵循一些基本的原則,即“安全 性” 、 “方便性” 、 “精確性”原則,兼顧“誤差小” 、 “儀器少” 、 “耗電少”等各方面因素綜合考慮,靈活運(yùn) 用。1安全性:要注意到各種電表(電壓表、電流表均有量程;電源、電阻(電阻箱,滑動變阻器等 均有最大允許電流和最大功率;改變電阻箱的阻值時,不要輕易的直接改變倍率最大的旋鈕,以免燒壞儀 器等。設(shè)計(jì)的電路不能使得儀器或電源的損壞,實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中也不應(yīng)對人身造成危害。2方便性:實(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)便于操作,便于讀數(shù),便于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。3精確性:在實(shí)驗(yàn)電路、儀器、儀器量程的選擇上,應(yīng)使實(shí)驗(yàn)誤差盡可能的小:使指針有較大偏轉(zhuǎn)(一 般要大于滿偏度的 1/3 ,以減少

4、測讀誤差;對大阻值的變阻器,如果是滑動頭稍有移動,使電流、電壓有 很大變化的,不宜采用,相反對于滑動變阻器滑動時,電表示數(shù)變化很小的,也要更換滑動變阻器或者修 改設(shè)計(jì)的電路。4對于設(shè)計(jì)的電路要多方面分析,看其是否有違背上述原則的地方,一般要幾次分析幾次嘗試后,修 改電路符合實(shí)際要求。例題:從下列實(shí)驗(yàn)器材中選出適當(dāng)?shù)钠鞑?設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路來測量兩個電壓表的內(nèi)阻,要求方法簡捷, 操作方便,可進(jìn)行多次測量并有盡可能高的測量精度。A .待測電壓表 V1,量程 03V,內(nèi)電阻約 20k 40k B .待測電壓表 V2,量程 03V,內(nèi)電阻約 20k 40k F .滑動變阻器 R4,阻值 0 20,額定電流

5、2AH .單刀開關(guān)若干和導(dǎo)線若干請?jiān)O(shè)計(jì)一個測量電路,并在方框中畫出電路圖。實(shí)驗(yàn)器材選擇除 A 、 B 、 G 、 H 外,電阻箱應(yīng)選用:。 原解法如下 :關(guān)于電壓表內(nèi)阻計(jì)算的具體表達(dá)式在此不再列出。 解析: 最先想到的電路設(shè)計(jì)如下圖所示:2個電壓表串聯(lián)后外接在電源上,如下左圖所示,此時的兩個 電壓表就等同于兩個電阻的分壓, 由于兩個電壓表內(nèi)阻不同, 根據(jù)串聯(lián)電路的特點(diǎn)知道, 結(jié)果會導(dǎo)致 一個電壓表過量程而燒壞, 所以再想到串聯(lián)上滑動變阻器, 如下右圖所示, 至于串聯(lián)題中的哪個電阻箱, 看下面的數(shù)據(jù)分析:假如兩個電壓表的內(nèi)阻是較為極端的一個內(nèi)阻為 40K , 一個為 20K , 則 40K 電阻

6、上的電壓可容易計(jì)算出為 4V, 故要串入的電阻要為 10K 以上級別,由此可知應(yīng)該選擇 R1,阻 值范圍 0 99999.9。在下右圖的電路中, 12121216V V V V r r R -= 所以可以一次求出 1r 和 2r 的 數(shù)值。這樣的電路也符合了原題的方法簡捷,操作方便的要求。 右圖電路的測量誤差如何?且看下面的數(shù)據(jù)計(jì)算:沒有外接電壓表時,路端電壓為 U=E=6V;當(dāng)接入 2個電壓表時,外電阻最少為 2個電壓表的最小阻值 20k ,總電阻則為:40k 。 此時的路端電壓 400000.9999875400000.5U E E =+.所以由以上數(shù)據(jù)得知:此時的電源完全是一個非常理想的

7、電壓源。由于電壓表的內(nèi)阻都大于 20k , 加上接入的約 100k 的電阻箱 R1, 使得實(shí)際的路端電壓與源電動勢的差值更是小于上述計(jì)算值! 所以, 由計(jì)算數(shù)據(jù)得知, 上述電路的路端電壓在電阻箱調(diào)節(jié)的時候, 其數(shù)值變化之小, 是非常理想的! 且實(shí)驗(yàn)的方法簡捷,操作方便,可進(jìn)行多次測量并有很高的測量精度。數(shù)據(jù)的處理也更加方便快捷! 因?yàn)槭抢帽戎档姆椒▉碛?jì)算數(shù)據(jù),所以我們甚至都不需要知道電源電動勢的具體數(shù)值究竟是多大 (當(dāng)然,要保證使得 2個電壓表的示數(shù)不要超過其量程就好 。同樣的理由,我們可以計(jì)算出,在傳統(tǒng)的解法中,根據(jù)題中的數(shù)據(jù),電路中不管是采用 R3還是 R4提供圖中電壓表所想要的分壓,也

8、只是具有理論上的意義:采用 R3 400000.9995004000020=+ 采用 R4 400000.99378940000250=+兩種情況的電壓差別: 0. 005711U E = 由以上數(shù)據(jù)得知,電路采用 R3還是 R4,兩種電路的路端電壓之差的數(shù)值的測量精度的要求,已經(jīng) 大大超出中學(xué)物理儀器測量的極限, 甚至是超出了一些高檔電壓表的測量極限。 所以, 在題中所給的 數(shù)據(jù)情況下, 考查對于考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰κ遣焕? 容易造成學(xué)生的困惑和此類實(shí)驗(yàn)題講解的困難?；谕瑯拥脑?我們對于原解答中關(guān)于滑動變阻器的是分壓式接法,之所以選用較小的 R4,理 由是可以在其調(diào)整的過程中, 也較好的維持輸出電壓的基本穩(wěn)定。 實(shí)際上在分壓式電路中, 不管是采 用 R3還是采用 R4,對于電源的能耗,對于因此所引起的電壓的波動,以及實(shí)驗(yàn)的