電表、電路測(cè)量及設(shè)計(jì)
2007-12-31 00:00:00陳臣騫
物理教學(xué)探討 2007年10期
縱觀歷年高考物理實(shí)驗(yàn)試題，第一重點(diǎn)和熱點(diǎn)首推“電學(xué)試驗(yàn)”，而剖解試題內(nèi)容不難發(fā)現(xiàn)主要關(guān)鍵詞是“電表”、“測(cè)量”、“設(shè)計(jì)”。本文圍繞這三個(gè)關(guān)鍵詞就電學(xué)實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)作一歸類(lèi)分析。
1電表的認(rèn)識(shí)：
1.1電流表串聯(lián)于電路中測(cè)電流I；電壓表并聯(lián)于電路中測(cè)電壓U。
1.2電表的“雙重性”：作為實(shí)際電表，內(nèi)阻均不可忽略，所以本質(zhì)上講實(shí)際電表就是一個(gè)可讀I或U的定值電阻。
1.4電表讀數(shù)越接近滿偏值相對(duì)誤差越小，故一般正確讀數(shù)要求范圍為：1／3滿偏~滿偏，這是實(shí)驗(yàn)中電表量程準(zhǔn)確選擇的主要依據(jù)。
2電路測(cè)量的目標(biāo)量設(shè)定多為電阻，具體包括定值電阻、電表內(nèi)阻、電源內(nèi)阻及非線性電阻的伏安特性。電阻測(cè)量的幾種常見(jiàn)方法：
2.1歐姆表直接測(cè)量(注意不能在通電電路中進(jìn)行)
2.2半偏法(常針對(duì)于測(cè)小阻值，如○A內(nèi)阻)
——也可延伸為比例法
2.3等效替代法
S連1，調(diào)節(jié)R1，使○A為某讀數(shù)；S連2，凋節(jié)R2，使○A為同讀數(shù)。則有Rx=R2。
3如何認(rèn)識(shí)伏安法?
伏安法是進(jìn)行電阻測(cè)量的主要方法之一，更因兼以實(shí)驗(yàn)誤差的分析和實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)而成為高考的熱點(diǎn)。其理論基礎(chǔ)為歐姆定律R=U/I，而因電表為實(shí)際電表（內(nèi)阻不可忽略，由此產(chǎn)生對(duì)電路的分流或分壓)，則有兩種接法。
總之，伏安法測(cè)電阻中，伏、安兩表總是“一準(zhǔn)一誤”，為魚(yú)和熊掌不可兼得，實(shí)驗(yàn)取舍區(qū)別為：哪一種接法帶來(lái)的相對(duì)誤差更小而已。
4電路設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想
電路設(shè)計(jì)思想是考查學(xué)生電路知識(shí)、電學(xué)器材的基本運(yùn)用、誤差分析和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ染C合素質(zhì)的好載體，尤其于培養(yǎng)、挖掘和檢查學(xué)生創(chuàng)造性思維能力和實(shí)際應(yīng)用能力為一個(gè)不可替代的好題型。故歷年為高考的重?zé)狳c(diǎn)所在。如何進(jìn)行電路設(shè)計(jì)?基本指導(dǎo)思想為分解電路結(jié)構(gòu)：測(cè)量部分+控制部分+供電部分，進(jìn)而分而理之。
4.1測(cè)量電路部分：對(duì)伏安測(cè)量電表的正確連接，以達(dá)到減小實(shí)驗(yàn)誤差。分三種常見(jiàn)情形：
4.1.3反常規(guī)伏安法(前提已知RV或RA而題目要求是“準(zhǔn)確測(cè)量”—即排除系統(tǒng)誤差的測(cè)量)
例已知電流表(0-0.6A，內(nèi)阻約10Ω)；電壓表(0-6V，內(nèi)阻RV=2kΩ)：要求準(zhǔn)確測(cè)量Rx約為1kΩ的待測(cè)電阻阻值。(審題關(guān)注：“準(zhǔn)確測(cè)量”要求，及兩電表內(nèi)阻給予的用詞區(qū)別“約”和“=”)
4.2控制電路部分：實(shí)驗(yàn)電路都需借助滑動(dòng)變阻器進(jìn)行電路的安全控制或多次測(cè)量減小偶然誤差，而作為電路控制的滑動(dòng)變阻器在電路中有兩種接法：
兩種接法對(duì)測(cè)量電路部分工作電壓Ux實(shí)際控制范圍比較如下(取測(cè)量電路電阻為Rx、滑動(dòng)動(dòng)變阻器總電阻為R0、電源內(nèi)阻r不計(jì))：
兩種接法實(shí)際工作電壓UX范圍結(jié)論
由于限流式接法簡(jiǎn)明，能耗小，故一般情況下取限流式，而針對(duì)下列幾種情形則需取分壓式。
①測(cè)量范圍盡可能大(或要求用圖像法進(jìn)行結(jié)果處理);
②測(cè)量范圍及0(電表的校準(zhǔn)、要求或只允許小電壓、小電流進(jìn)行工作);
③Rx raquo;R0——限流式的測(cè)量范圍實(shí)在小。
4.3供電部分：電源+電鍵
例1用伏安法較準(zhǔn)確的測(cè)定一個(gè)阻值約為100Ω的電阻，所給的器材規(guī)格如下：
A.電流表(0-0.6A，內(nèi)阻0.1Ω)；
B.電壓表(0-6V，內(nèi)阻5kΩ)；
C.電池(4.5V，內(nèi)阻不計(jì))；
D.滑動(dòng)變阻器(0-50Ω，1A)；
E.開(kāi)關(guān)一個(gè)；
F.導(dǎo)線若干。
在用圖象法求Rx，試畫(huà)出所采用的電路圖。
分析這是一道典型的電路設(shè)計(jì)問(wèn)題。而簡(jiǎn)化此類(lèi)問(wèn)題的常用方法就是“分而理之”：第一供電部分：電源+電鍵；第二控制部分：滑動(dòng)電阻器分壓或限流的選擇；第三測(cè)量部分：伏安內(nèi)外接法的選擇。
由于一般情況下滑動(dòng)變阻器的限流接法具有接法簡(jiǎn)明、能耗低的優(yōu)點(diǎn)而為優(yōu)先選擇。運(yùn)用分壓接法時(shí)，題目必有所指——“范圍大”(特別是從0開(kāi)始)，此也是我們審題的著眼所在。本題要求用分壓法的所指用詞就是“在用圖象法求RX”，圖象法即要求盡可能多次測(cè)量。而測(cè)量部分由于滿足RxRA，故采用○A內(nèi)接法。
例2用如圖所示的兩個(gè)電路測(cè)量同一個(gè)電阻R，用(a)圖的電路時(shí)，伏特表示數(shù)為U1=6.0V，電流表示數(shù)I1=6.0mA。用(b)圖的電路時(shí)，伏特表示數(shù)為U2=5.9V，電流表示數(shù)I2=10.0mA．問(wèn)：①用哪個(gè)電路所測(cè)電阻誤差較小?測(cè)量值是多少?測(cè)量值是偏大還是偏小?②如果已知RA=2Ω，則待測(cè)電阻的真實(shí)值為多大?③如果P、Q間電壓恒定不變，則待測(cè)電阻R的真實(shí)值多大?
分析本題是伏安接法結(jié)果處理及誤差分析、誤差修正的延伸和拓展。
(2)若電壓表V1的讀數(shù)用U1表示，電壓表V2的讀數(shù)用U2表示，則由已知量和測(cè)得量表示Rx的公式為_(kāi)_____。
分析此題的關(guān)鍵點(diǎn)在于只有○V表而沒(méi)有○A表，則還能運(yùn)用伏安法嗎?答案是肯定的，由于告知○V表內(nèi)阻RV，由○V讀數(shù)來(lái)間接得到所測(cè)電流IV=UV/RV，正是命題意圖所在，這就是所謂的“電表另用”。由題目要求電壓表讀數(shù)不小于其量程的13，可選定兩表的連接位置。而題設(shè)Rx的阻值（900Ω~1000Ω）滑動(dòng)變阻器R最大阻值約為100Ω，故控制電路采用分壓式。由上分析可得設(shè)計(jì)圖如下。
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