物理：電學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

電學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

【考情分析】

電學(xué)實(shí)驗(yàn)成為理綜模式及單科模式下物理實(shí)驗(yàn)考題的首選題材已是不爭(zhēng)的事實(shí)．這一現(xiàn)象的形成有其必然性：

①電學(xué)實(shí)驗(yàn)不僅考查了大綱和考試說明所要求的獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的能力和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，同時(shí)也有效地考查了電學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)．它所具備的雙重考查功能是許多其他實(shí)驗(yàn)無法替代的；

②受考試時(shí)間和試卷篇幅的限制，大部分試卷都未對(duì)恒定電流這一章的知識(shí)另外單獨(dú)設(shè)題考查，電學(xué)實(shí)驗(yàn)自然肩負(fù)著考查恒定電流這一章的使命；

③電學(xué)實(shí)驗(yàn)尤其是設(shè)計(jì)性電學(xué)實(shí)驗(yàn)題最富于變化，最能體現(xiàn)考生的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力和思維的靈活性，從而為命題者提供了廣闊的命題空間．

【適用地區(qū)】

適用于全國(guó)大綱卷、山東新課標(biāo)卷、江蘇卷等

【題型預(yù)測(cè)】

1．電阻測(cè)量的新理念

【預(yù)測(cè)1】  為了測(cè)量量程為3V的電壓表V的內(nèi)阻（內(nèi)阻約2000Ω），實(shí)驗(yàn)室可以提供的器材有：電流表A₁，量程為0．6A，內(nèi)阻約為0．1Ω；電壓表V₂，量程為5V，內(nèi)阻約為3500Ω；電阻箱R₁的阻值范圍為0～9999Ω；電阻箱R₂阻值范圍為0～99．9Ω；滑動(dòng)變阻器R₃的最大阻值約為100Ω，額定電流1．5A；電源E，電動(dòng)勢(shì)6V，內(nèi)阻約0．5Ω；單刀單擲開關(guān)S，導(dǎo)線若干。

（1）請(qǐng)從上述器材中選擇必要的器材，設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)量電壓表V的內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)電路，畫出電路原理圖（圖中的元件要用題中相應(yīng)的英文字母標(biāo)注），要求測(cè)量盡量準(zhǔn)確。

（2）寫出計(jì)算電壓表V的內(nèi)阻R_v的計(jì)算公式為R_v＝________。

解析�。�1）由于題目中待測(cè)電壓表的量程為3V，內(nèi)阻約為2000Ω，所以電壓表中的最大電流為，而給定的電流表A₁的量程為0．6A，無法準(zhǔn)確測(cè)量通過電壓表的電流。所以只能借助于串聯(lián)分壓原理，設(shè)計(jì)的測(cè)量電壓表V的內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)電路如圖所示。

（2）閉合開關(guān)，電壓表V的示數(shù)為U，電壓表V₂的示數(shù)為U₂，電阻箱R₁的讀數(shù)為r₁。根據(jù)歐姆定律，利用通過電壓表的電流與電阻R₁的電流相等，算出電壓表的電阻為。

【誤區(qū)警示】  多數(shù)考生解答此題，毫不猶豫地套用伏安法，這是由于沒有考慮電流表的量程，待測(cè)電壓表的量程為3V，內(nèi)阻約為2000Ω，電壓表中的最大電流為，而給定的電流表A₁的量程為0．6A，通過電壓表的電流無法使電流表的偏轉(zhuǎn)達(dá)到以上，因而無法準(zhǔn)確測(cè)量通過電壓表的電流，所以電流表不能用。

2．電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻測(cè)量的變式

【預(yù)測(cè)2】  在測(cè)定一節(jié)干電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻的實(shí)驗(yàn)中，備有下列器材：

    ①干電池（電動(dòng)勢(shì)E約為1.5V，內(nèi)電阻r約為1.0Ω）；

    ②電流表G（滿偏電流3.0mA，內(nèi)阻）；

    ③電流表A（量程0～0.6A，內(nèi)阻約為0.5Ω）；

    ④滑動(dòng)變阻器R（0～20Ω，10A）；

    ⑤滑動(dòng)變阻器；

    ⑥定值電阻；

    ⑦開關(guān)和導(dǎo)線若干．

    （1）為了能準(zhǔn)確地進(jìn)行測(cè)量，也為了操作方便，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)選用的滑動(dòng)變阻器是__________．（填寫數(shù)字代號(hào)）

    （2）請(qǐng)畫出實(shí)驗(yàn)原理圖．

    解析  （1）由閉合電路歐姆定律可知，只要能測(cè)出兩組路端電壓和電流即可，但題目中只給出兩個(gè)電流表且其中一個(gè)電流表G的內(nèi)阻已知，可以把內(nèi)阻已知的電流表和定值電阻串聯(lián)改裝成一個(gè)電壓表。為了減少誤差，滑動(dòng)變阻器需選④

（2）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)原理圖如圖所示．

    分別測(cè)兩組電流表G和A的讀數(shù)，即有

    可得

    ．

3．非理想電表的非常規(guī)使用

【預(yù)測(cè)3】  某電壓表的內(nèi)阻在之間，現(xiàn)要測(cè)量其內(nèi)阻，實(shí)驗(yàn)室提供下列可選用的器材：

　?Ａ．待測(cè)電壓表Ｖ（量程3Ｖ）

　?Ｂ．電流表Ａ₁（量程200μＡ）

　?Ｃ．電流表Ａ₂（量程0.6ｍＡ）

　?Ｄ．電流表Ａ₃（量程0.6Ａ）

　?Ｅ．滑動(dòng)變阻器Ｒ（最大阻值1ｋΩ）

　?Ｆ．電源E（電動(dòng)勢(shì)4Ｖ）

　?Ｇ．開關(guān)Ｓ，導(dǎo)線若干

　?（1）所提供的電流表中，應(yīng)選用______________（填寫字母代號(hào)）；

　?（2）為了盡量減小誤差，要求測(cè)量多組數(shù)據(jù)，試畫出符合要求的實(shí)驗(yàn)電路圖．

　?解析�。�1）要測(cè)量電壓表的內(nèi)阻，它兩端的電壓可由電壓表的示數(shù)讀出，流過電壓表的電流要用電流表與它串聯(lián)才能測(cè)出．因?yàn)殡妷罕砹砍虨?Ｖ，內(nèi)阻，所以流過電壓表的最大電流為

　?

則電流表選擇Ａ₁．

　?（2）因?yàn)榛瑒?dòng)變阻器電阻比電壓表內(nèi)阻小得多，且要求盡量減小誤差，測(cè)量多組數(shù)據(jù)，所以采用分壓電路，電路如圖所示．

4．定值電阻的妙用

【預(yù)測(cè)4】  某同學(xué)為了測(cè)電流表A₁的內(nèi)阻精確值，有如下器材：

電流表A₁（量程300 mA，內(nèi)阻約為5Ω）；

電流表A₂（量程600 mA，內(nèi)阻約為1Ω） ；

電壓表V（量程15 V，內(nèi)阻約為3 kΩ） ；

定值電阻R₀ （5Ω） ；

滑動(dòng)變阻器R₁（0～10Ω，額定電流為1 A）；

滑動(dòng)變阻器R₂（0～250Ω，額定電流為0. 3 A） ；

電源E（電動(dòng)勢(shì)3 V，內(nèi)阻較�。�．

導(dǎo)線、開關(guān)若干．

（1）要求電流表 A₁的示數(shù)從零開始變化，且多測(cè)幾組數(shù)據(jù)，且電表的偏轉(zhuǎn)必須同時(shí)達(dá)到以上，以保證有盡可能高的精確度．在如圖所示線框內(nèi)畫出測(cè)量用的電路圖，并在圖中標(biāo)出所用儀器的代號(hào)．

（2）若選測(cè)量數(shù)據(jù)中的一組來計(jì)算電流表A₁的內(nèi)阻r₁，則所用電流表A₁的內(nèi)阻r₁表達(dá)式為r₁ =       ；式中各符號(hào)的意義是             。

解析  （1）大多數(shù)考生看到此題，第一感覺考慮的就是伏安法，由于沒有考慮電表的量程，當(dāng)然做不正確。少數(shù)考生想到要滿足“有盡可能高的精確度”的條件，認(rèn)為電壓的測(cè)定，不能選量程是15V的電壓表。因?yàn)殡娏鞅鞟₁上允許通過的最大電壓為1.5V，因而電壓表測(cè)不出電流表的兩端的電壓。要滿足“多測(cè)幾組數(shù)據(jù)”，滑動(dòng)變阻器應(yīng)采用分壓接法；要滿足“兩表的偏轉(zhuǎn)必須同時(shí)達(dá)到以上”，則需要將定值電阻與A₁并聯(lián)，以擴(kuò)大A₁的量程。實(shí)驗(yàn)電路如圖3所示。

（2）若電路表A₁、A₂的讀數(shù)分別為I₁、I₂，則通過定值電阻R₀的電流為I₂－I₁，A₁兩端的電壓為（I₂－I₁）R₀，則所用電流表A₁的內(nèi)阻r₁表達(dá)式為

答案  （1）電路如圖所示  （2 ）    I₁、I₂分別為電流表示數(shù)，R₀是定值電阻大小．

5．電路實(shí)物連線的技巧

【預(yù)測(cè)5】有一待測(cè)的電阻器R_x，其阻值約在40～50Ω之間，實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備用來測(cè)量該電阻值的實(shí)驗(yàn)器材有：

電壓表V（量程0～10 V，內(nèi)電阻約20 kΩ）；

電流表A₁,（量程0～300 mA，內(nèi)電阻約20Ω）；

電流表A₂,（量程0～800 mA，內(nèi)電阻約4Ω） ；

滑動(dòng)變阻器R₁,（最大阻值為10Ω,額定電流為2 A） ；

滑動(dòng)變阻器R₂（最大阻值為250Ω，額定電流為0.1 A）；

直流電源E（電動(dòng)勢(shì)為9V，內(nèi)電阻約為0. 5Ω）；

開關(guān)及若干導(dǎo)線．

實(shí)驗(yàn)要求電表讀數(shù)從零開始變化，并能多測(cè)出幾組電流、電壓值，以便畫出I－U圖線．