非理想電表在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

山西 石有山

創(chuàng)新是物理實(shí)驗(yàn)考查永遠(yuǎn)的方向。

非理想電表在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

電流表與電壓表都是由靈敏電流計(jì)改裝的，電流計(jì)并聯(lián)一個小電阻即為電流表，電流計(jì)串聯(lián)一個大電阻即為電壓表。在許多情況下，電壓表和電流表都被視為理想的，即電壓表內(nèi)阻無窮大，電流表內(nèi)阻為零，此時電表對電路是沒有影響的，但在許多題目中電表并不是理想的，這時的電表既是一個測量儀表，又是連接在電路中的一個電阻，具有二重性。近幾年的高考試題來源于課本的基本實(shí)驗(yàn)，但又高于課本的基本實(shí)驗(yàn)，注重實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，下面談非理想電表在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。

創(chuàng)新一 電流表當(dāng)電壓表使用

【例1】測量一個長約5 cm、電阻R1約為30 Ω、橫截面為圓形、粗細(xì)均勻的導(dǎo)電材料的電阻率，所用器材如下：

游標(biāo)卡尺(20分度)；

螺旋測微器；

直流電源E(電動勢為18 V，內(nèi)阻可忽略不計(jì))；

標(biāo)準(zhǔn)電流表A1(量程1．5 A，內(nèi)阻r1=6 Ω)；

電流表A2(量程2 A，內(nèi)阻r2約為5 Ω)；

滑動變阻器R2(最大阻值10 Ω)；

開關(guān)S，導(dǎo)線若干。

(1)用游標(biāo)卡尺測得該材料的長度如圖1所示，讀數(shù)L=________cm；用螺旋測微器測得該材料的直徑如圖2所示，讀數(shù)D=________mm。

(2)請根據(jù)給出的儀器設(shè)計(jì)測電阻的實(shí)驗(yàn)電路原理圖，要求獲得較多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(3)若某次測量中兩電流表A1、A2的讀數(shù)分別為I1、I2，則由已知量和測量量計(jì)算電阻率的表達(dá)式為ρ________。

【答案】(1)5．020 2．150

圖3

(2)電路如圖3所示

【點(diǎn)評】本題的電流表當(dāng)電壓表使用。在非理想電表中，電流表不必串入電路，電壓表不必并入電路，在電表的內(nèi)阻已知時，電流表能當(dāng)電壓表使用，電壓表能當(dāng)電流表使用。

創(chuàng)新二 電壓表當(dāng)電流表使用

【例2】有一較大阻值的電阻R，電阻大約幾十千歐，現(xiàn)要測其電阻，除了導(dǎo)線和開關(guān)外，實(shí)驗(yàn)室還備有以下器材可供選用

電流表A1，量程0～1 A，內(nèi)阻r1約為0．5 Ω

電流表A2，量程0～30 mA，內(nèi)阻r2約為200 Ω

電壓表V1，量程0～6 V，內(nèi)阻RV1等于20 kΩ

電壓表V2，量程0～10 V，內(nèi)阻RV2約為30 kΩ

滑動變阻器R1，0～20 Ω，額定電流2 A

滑動變阻器R2，0～2 000 Ω，額定電流1 mA

電源E(電動勢為12 V，內(nèi)阻r約2 Ω)

(1)請選擇合適的器材，設(shè)計(jì)出便于精確測量的電路圖，請?jiān)诜娇騼?nèi)畫出電路圖，其中滑動變阻器應(yīng)選________；

(2)選用一組電表的數(shù)據(jù)，分別是________________________ (指出是哪些電表的示數(shù)，用給出數(shù)據(jù)的物理量符號)，待測電阻R的表達(dá)式為________ 。

【解析】(1)待測電阻較大，滑動變阻器用分壓式，選用小阻值電阻，即選R1，待測電阻很大，最大電流不足1 mA，因此不能選擇電流表，由于電壓表V1內(nèi)阻已知，因此電壓表V1當(dāng)電流表使用，電路圖如圖4所示，需要記錄電壓表V1、V2的示數(shù)U1、U2。

圖4

【答案】(1)電路如圖4所示R1

【點(diǎn)評】本題電壓表內(nèi)阻已知，當(dāng)電流表使用，本題測電阻的原理仍然為伏安法，但由于加在待測電阻上的電壓和通過待測電阻的電流值都為準(zhǔn)確值，因此利用理想電表測待測電阻時，一般無系統(tǒng)誤差。

創(chuàng)新三借助非理想電表，定值電阻當(dāng)電壓表使用或電流表使用

【例3】(湖南省衡陽市2017屆高三下學(xué)期第三次聯(lián)考)(1)某同學(xué)選擇多用電表的“×10”擋測量一電阻Rx的阻值。正確操作后得到如圖5所示的指針?biāo)肝恢们闆r，則電阻Rx的阻值約為________Ω。

圖5

(2)為了精確測量該電阻的阻值，該同學(xué)從實(shí)驗(yàn)室找來了下列器材：

A．待測電阻Rx

B．電流表A1(量程40 mA、內(nèi)阻r1=15 Ω)

C．電流表A2(量程100 mA、內(nèi)阻r2≈5 Ω)

D．滑動變阻器R(范圍0～10 Ω)

E．定值電阻R0(阻值R0=100 Ω)

F．電源E(電動勢6 V、有內(nèi)阻)

G．開關(guān)、導(dǎo)線若干

①實(shí)驗(yàn)中要求調(diào)節(jié)范圍盡可能大，請?jiān)诜娇騼?nèi)畫出符合要求的電路圖，并標(biāo)出所選器材的符號。

②用I1、I2分別表示電流表A1、A2的示數(shù)，該同學(xué)通過描點(diǎn)得到了如圖6所示的I1-I2圖象，則該電阻的阻值為________Ω。

【解析】(1)歐姆表的讀數(shù)為12×10 Ω=120 Ω。

(2)①滑動變阻器用分壓式，電流表A1內(nèi)阻已知，方案一可以把定值電阻R0當(dāng)電壓表使用，方案二把定值電阻R0和電流表A1串聯(lián)當(dāng)電壓表使用。

【答案】(1)120

(2)①如圖7所示 ②85

或①如圖8所示 ②115

山西介休市第一中學(xué))