高考物理電學實驗如何選擇儀器和電路

高考物理電學實驗如何選擇儀器和電路

　　在電學實驗中，例如用伏安法測電阻．測量電源的電動勢和內電阻，測某一用電器的伏安特性圖線，都存在如何選擇電學實驗器材，如何選擇測量電路、控制電路的問題．合理地選擇實驗器材和實驗電路，可以使實驗順利進行，而且實驗操作方便，實驗誤差較小．
　　正確地選譯議器和電路的問題，有一定的靈活性．解決時應掌握和遵循一些基本的原則、即“安全性”、“精確性”、“方便性”和“誤差小”、“儀器少”、“耗電少”等各方面要綜合考慮．靈活運用．
一、實驗儀器的選擇
　　根據教學大綱及高考考試的要求，選擇電學實驗儀器主要是選擇電表、滑動變阻器、電源等器件，通常可以從以下三方面人手：

　　1．根據不使電表受損和盡量減少誤差的原則選擇電表．首先保證流過電流表的電流和加在電壓表上的電壓均不超過使用量程．然后合理選擇量程。務必使指針有較大偏轉（一般取滿偏刻度的2/3左右），以減少測讀的誤差．

　　2．根據電路中可能出現的電流或電壓范圍需選擇滑動受阻器．注意流過滑動變阻器的電流不超過它額定值．對高阻值的變阻器，如果滑動頭稍有移動，使電流電壓有很大變化的，不宜采用．

　　3．應根據實驗的基本要求來選擇儀器．對于這種情況．只有熟悉實驗原理．才能作出恰當的選擇．
【例1】有一電阻R，其阻值大約在40Ω至50Ω之問，需進一步測定其阻值，現有下列器材：電池組，電動勢為9V，內阻忽略不計；電壓表V，量程為0至10V，內阻20Ω；電流表A1，量程為0至50ｍA，內阻約20Ω；電流表A2，量程為0至300mA，內阻約4Ω；滑動變阻器R1，阻值范圍為0至100Ω，額定電流1A；滑動變阻器R2，阻值范圍為0至1700Ω，額定電流0.3A，開關Ｓ及導線若干．實驗電路圖如圖１所示，實驗中要求多測幾組電流、電壓．在實驗中應選_________電流表和__________滑動變阻器．
【分析與解】首先估算電路中可能達到的最大電流值，假設選電流表A1，則，超過了A1的量程，及假設選電流表A2，則，未超出A2的量程，故應選電流表A2，這一選擇遵循了安全性原則．
　　對滑動變阻器的選擇。假設選R1，電路中的最小電流約為
　　故電路中的電流強度范圍為0.06A～0.18A．又假設選R2，電路中的最小電流約為
　　故電路中的電流強度范圍為0.005A~0.18A，因為電流表A2的量程為0.3Ａ，電流強度為0.06Ａ時，僅為電流表A2量程的1/5，如果移動滑動變阻器阻值再增大，其電流表的示數將更小，讀數誤差會更大，因此對于R2而言，有效的調節長度大小，將導致電流強度值隨滑動片位置的變化太敏感．調節不方便，故應選滑動受阻器R1．這一選擇就遵循了方便性原則．
二、實驗電路（電流表內外接法）的選擇
　　電壓表和電流表連入電路可以有兩種方法：一種是如圖２甲所示的電路叫做電流表外接電路（簡稱“外接法”）；一種是如圖2乙所示電路叫做電流表內接電路（簡稱“內接法”）．由于電流表、電壓表內阻的影響，不管采用電流表內接還是外接都將會引起誤差．

　　外接法的測量誤差是由于電壓表的分流作用而產生，由并聯電路中電流分配與電阻成反比可知當時，電壓表的分流作用可忽略不計，此時,可見對于小電阻的測量宜采用外接法電路．

　　內接法產生的誤差是電流表的分壓作用，由串聯電路的電壓分配與電阻成正比可知，當時，電流表的分壓作用很小，可忽略不計，此時，所以對大電阻應采用內接法電路．

　　那么如何確定R值是較大還是較小呢？根據以上分析可知，當被測電阻與電壓表內阻的關系滿足即時應采用“外接法”較準確；當被測電阻與電流表的內阻相比滿足即時，采用“內接法”測量誤差較小．若當時，電壓表的分流作用和電流表的分壓作用對測量結果的影響是相同的，此時既可選擇“內接法”也可選擇“外接法”．，此時的Ｒ我們常稱為臨界電阻．當時，電流表的分壓作用較電壓表的分流作用明顯，應采用外接電路，當時，電壓表的分流作用較電流表的分壓作用明顯，應采用內接電路．
【例2】有一小燈泡上標有“6V,0.6W”的字樣，現在要用伏安法測量這個燈泡的圖線，已知所用器材有：是電流表（0～0.3A，內阻1Ω）；電壓表（0～15V，內阻20kΩ）；滑動變阻器（0～30Ω，2A）；學生電源（直流9V）；開關一只、導線若干．為使實驗誤差盡量減小，畫出合理的實驗電路圖．
【分析與解】因為電壓表內阻遠大于燈泡的最大阻值60Ω，因此選擇電流表外接法．電路如圖３所示．
【例３】用伏安法測量阻值約為幾十歐的線圈的電阻R，己知所用電流表的量程為（0～0.6V），內阻0.125Ω，電壓表的量程為（0～15V），內阻為15kΩ，蓄電池組電壓為12V，問應采用哪一種連接電路？
【分析與解】因為，而題目給出的被測電阻阻值約為幾十歐，可能大于43Ω，也可能小于43Ω，因此內接法、外接法兩種電路均可采用。
　　在具體的實驗中若RA、RV均不知的情況下，可用試觸法判定，即通過改變電表的連接方式看電流表、電壓表指針變化大小來確定．
三、控制電路的選擇
　　為改變被測電阻兩端的電壓（或被測電阻中的電流強度），常用滑動變阻器與電源的連接有兩種不同的形式，如圖４所示，圖４甲為限流接法，圖４乙為分壓接法，這兩種接法區別之處是：

　　⑴測電阻R上的電壓調節范圍不同．當滑動觸頭P由a→b移動過程中（電源內阻不計）．被測電阻兩端電壓調節的范圍，圖4甲為，圖4乙為；

　　⑵對被測電阻R上的電流強度的控制情況有區別．對于圖４甲有時，調節R0的大小可使通過被測電阻的電流有明顯變化，但當時，無淪怎樣改變R0的大小，也不會使通過R的電流有明顯變化，可見，只有在（或兩者相差不多）的情況下，改變變阻器的觸頭的位置才會使電阻R上的電流有明顯變化，從而起到對電阻R上的電流的控制作用．但對于圖４乙中，不管電阻R的大小如何，調節滑動變阻器觸頭位置都可以使通過被測電阻R的電流由０變到，通過被測電阻R的電流有明顯變化；

　　⑶從電能損耗方面分析圖4甲比圖4乙要小，且圖４甲具有電源負擔輕、電路連接簡便等優點．
　　綜合上述，可得到如下結論：

　　⑴若需要被測電阻R兩端電壓變化范圍較大，或需要從零開始連讀可調電壓，應選圖4乙的分壓電路；

　　⑵若采用限流電路時，如果電路中最小電流大于或等于被測電阻Ｒ的額定電流，必須采用汁壓電路；

　　⑶當時．為使被測電阻中電流有明顯變化，也應選分壓電路；

　　⑷當時（或兩者相差不多），雖然兩種電路都可以對負載電流有明顯的調節和控制．或兩種電路都滿足實驗要求時．但圖４甲的限流電路具有節省電能、電源負擔輕、電路連接簡便等優點，應選圖4甲的限流電路較好．
　　例如在例2中，電路若采用限流電路，電路中的最小電流為等于小燈泡額定電流，滑動變阻器無法對電流進行調節，故必須采用分壓電路，如圖３所示．
　　所以，我們在選擇電學實驗儀器和實驗電路時，應先依據題意確定電流表、電壓表和滑動變阻器等儀器，然后確定電流表的內外接怯，再選擇控制電路并畫出實驗電路圖．
【例４】用伏安法測量某電阻的阻值，現有實驗器材如下：侍測電阻（阻值大約為5Ω，額定功率為1Ｗ）；電流表A1（量程０～０.６A，內阻0.2Ω）；電流表A2（量程0~3A，內阻0.05Ω）；電壓表V1（量程0~3V，隊阻3kΩ）；電壓表V2（量程0~15V，內阻15kΩ）；滑動變阻器（0~50Ω），蓄電池（電動勢為6V）開關、導線。
為了較準確測量阻值，保證器材的安全，以及操作方便，電流表、電壓表應選擇___，并畫出實驗電路圖。
【分析與解】

　　1．確定電壓表、電流表。
　　被測電阻的額定電壓、額定電流分別約為
　　 
　　則電流表選用A1，電壓表選用V1。
　　2．確定電流表內外接法。
　　臨界電阻的阻值為 
　　因為＜R，則電流表必須外接。
　　3．確定控制電路
　　因滑動變阻器的全值R0大于被測電阻值，故首先考慮滑動變阻器的限流接法。
　　限流接法上的電流取值范圍為
　　因為，那么滑動變阻器的阻值（滑動頭移動時）不得小于
　　若采用滑動變阻器的分壓接法，因為R0＞，會使操作不方便，因此應選擇滑動變阻器的限流接法，電路如圖5所示。