三思而后選 破解電學(xué)實(shí)驗(yàn)器材選取難點(diǎn)

牛紅標(biāo)

(河北省保定市第一中學(xué) 071000)

電學(xué)實(shí)驗(yàn)一直是每年高考中必考點(diǎn)，因電學(xué)理論的抽象性，測量對象的多變性，很多同學(xué)缺少直觀的現(xiàn)實(shí)經(jīng)驗(yàn)，容易出錯(cuò)；對發(fā)散思維及邏輯思維能力具有很強(qiáng)的挑戰(zhàn)性.很多同學(xué)甚至一些教師對于電學(xué)實(shí)驗(yàn)題的設(shè)計(jì)及儀器的選取更是犯怵，對給定的器材總有一種“千挑萬選不合理”的感覺，可是經(jīng)過論證之后還會(huì)發(fā)現(xiàn)“總有一款適合你”.那么怎樣才能快速找到適合的那一款呢，希望本文對各位讀者能有一定的啟發(fā).

設(shè)計(jì)好電學(xué)實(shí)驗(yàn)首先需對以下知識(shí)有足夠的認(rèn)識(shí)及熟練.

一、認(rèn)識(shí)電表的三重身份

首先是電表的自身屬性，電流表和電壓表的自身測定相應(yīng)的電流和電壓，歐姆表測定導(dǎo)體的電阻；第二是它的本質(zhì)屬性，電流表和電壓表的自身是一只電阻，歐姆表本質(zhì)上是一個(gè)電源；第三是在給定內(nèi)阻的條件下電壓表可以“反串”為電流表，及電流表在給定內(nèi)阻的條件下可以“反串”為電壓表；歐姆表在確定檔位時(shí)可以從中值電阻得知?dú)W姆表的內(nèi)阻，對于可知電壓或電流的定值電阻可以替代電流表或電壓表.

二、把握實(shí)驗(yàn)題給定的條件，突破疑難點(diǎn)

三、熟悉伏安法的變化，熟練應(yīng)用歐姆定律

變化一：安安法

若電流表內(nèi)阻已知，則可將其當(dāng)做電流表、電壓表以及定值電阻來使用，定值電阻在已知電流時(shí)可以做為電壓表來使用.

變化二：伏伏法

若電壓表內(nèi)阻已知，則可將其當(dāng)做電流表、電壓表或定值電阻來使用.

四、下面進(jìn)行幾個(gè)實(shí)例分析

題型一、電流表改裝為電壓表

例1用伏安法測定一個(gè)待測電阻Rx的阻值(阻值約為200Ω)，實(shí)驗(yàn)室提供如下器材：

電池組E：電動(dòng)勢3V，內(nèi)阻不計(jì)；

電流表A1：量程0～15mA，內(nèi)阻約為100Ω；

電流表A2：量程0～300μA，內(nèi)阻1000Ω；

滑動(dòng)變阻器R1：阻值范圍0～20Ω，額定電流2 A；

電阻箱R2：阻值范圍0～9999Ω，額定電流1 A；

開關(guān)S、導(dǎo)線若干．

要求實(shí)驗(yàn)中盡可能準(zhǔn)確地測量Rx的阻值，請回答下列問題：

(1)為了測量待測電阻兩端的電壓，可以將電流表____(填寫器材代號(hào))與電阻箱串聯(lián)，并將電阻箱阻值調(diào)到____Ω，這樣可以改裝成一個(gè)量程為3.0V的電壓表．

(2)在圖7中畫完整測量Rx阻值的電路圖，并在圖中標(biāo)明器材代號(hào).

(3)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R1，兩表的示數(shù)如圖8所示，可讀出電流表A1的示數(shù)是____mA，電流表A2的示數(shù)是____μA，測得待測電阻Rx的阻值是____.本次測量存在一定的系統(tǒng)誤差，考慮這個(gè)原因測量值比真實(shí)值____(選填“偏大”或“偏小”).

故答案為：(1)A2；9000 (2)電路如圖9 (3)8.0；150；187.5；偏小.

點(diǎn)評應(yīng)用伏安法測電阻，需要用電壓表測待測電阻電壓，題目中沒有電壓表，電流表A2給定了內(nèi)阻，與電阻箱串聯(lián)改裝成電壓表，其次是確定滑動(dòng)變阻器的接法與電流表接法來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路圖；還要能根據(jù)電表量程確定電表分度值，得出相應(yīng)電壓值；由歐姆定律可以求出待測電阻阻值，根據(jù)電路結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)誤差.

題型二、電流表量程的擴(kuò)大(改裝)

例2有一個(gè)待測電阻R的阻值約為7.5Ω，現(xiàn)要精確測量該待測電阻的阻值.有下列器材供選用：

A.電壓表(0～3 V，內(nèi)阻未知)

B.電流表(0～3 A，內(nèi)阻約為0.5 Ω)

C.電流表(0～100 mA，內(nèi)阻為4.0 Ω)

D.定值電阻R0=1.0Ω

E.滑動(dòng)變阻器(10 Ω，2 A)

F.滑動(dòng)變阻器(1 kΩ，0.5 A)

G.學(xué)生電源(直流4 V)，還有開關(guān)一個(gè)，導(dǎo)線若干

(1)實(shí)驗(yàn)中所用電流表應(yīng)選用____(填“B”或“C”).

(2)實(shí)驗(yàn)中所用滑動(dòng)變阻器選用____(填“E”或“F”).

(3)實(shí)驗(yàn)時(shí)要求精確測量待測電阻R的值，測量電壓從零開始多取幾組數(shù)據(jù)，請?jiān)谔摼€方框中畫出滿足實(shí)驗(yàn)要求的測量電路圖.

(4)某同學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到一組數(shù)據(jù)為電壓表示數(shù)為1.60 V，電流表示數(shù)為40.0 mA，由此數(shù)據(jù)可得待測電阻Rx=____Ω.(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)．

(1)C(2)E(3)如圖10 (4)7.2

Rx兩端實(shí)際電壓為：Ux=1.60V-0.04×4=1.44V；

點(diǎn)評本題是關(guān)于伏安法測電阻的基本問題；關(guān)鍵是對儀器的選擇，題目中所給的電流表在直接使用時(shí)，量程太大，而對應(yīng)條件中相應(yīng)給出了小量程電流表的內(nèi)阻和定值電阻，經(jīng)過改裝后恰好滿足測量條件——“總有一款適合你”，因而在已知電表內(nèi)阻時(shí)應(yīng)該想到電表的改裝問題.

題型三、電壓表替代電流表(替代)

例3用以下器材測量電阻Rx的阻值(1000-1500 Ω)：

電源E，具有一定內(nèi)阻，電動(dòng)勢約為9.0 V；

電流表A，量程0.6A，內(nèi)阻約為2Ω

電壓表V1，量程為1.5 V，內(nèi)阻r1=750 Ω；

電壓表V2，量程為5 V，內(nèi)阻r2=2 500 Ω；

滑動(dòng)變阻器R，最大阻值約為100 Ω；

單刀單擲開關(guān)S，導(dǎo)線若干.

(1)測量中要求測量儀表的讀數(shù)不小于其量程的二分之一，試畫出測量電阻Rx的一種實(shí)驗(yàn)電路原理圖(原理圖中的元件要用題圖中相應(yīng)的字母標(biāo)注).

(2)測得量表示Rx的表達(dá)式為Rx=____.對應(yīng)物理量符號(hào)的物理意義____.

點(diǎn)評本題看條件為典型伏安法測電阻，可電流表不能使用，此時(shí)應(yīng)結(jié)合條件想到利用電壓表替代電流表完成實(shí)驗(yàn).

題型四、定值電阻替代電流表(替代)

例4現(xiàn)要精確測量某電壓表V1(量程0.6V，內(nèi)阻約500Ω)的內(nèi)阻，可選用的器材如下：

A.電流表A(量程0.6A，內(nèi)阻約1Ω)；

B.電壓表V2(量程3V，內(nèi)阻約3kΩ)；

C.滑動(dòng)變阻器R1(最大電阻10Ω)；

D.定值電阻R2(阻值2kΩ)；

E.電源E(電動(dòng)勢3V，內(nèi)阻約為1Ω)；

F.開關(guān)S及導(dǎo)線若干．(1)實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)選用的電表____(填器材序號(hào)字母)；

(2)在虛線框內(nèi)畫出實(shí)驗(yàn)電路圖并標(biāo)明各器材的符號(hào)；

(3)待測電壓表V1的內(nèi)阻表達(dá)式為RV=____(用所測物理量的符號(hào)表示)．

點(diǎn)評本題的關(guān)鍵是通過估算待測電壓表的滿偏電流遠(yuǎn)小于電流表的量程，不能直接使用電流表，由定值電阻R2來替代電流表；由于變阻器的全電阻遠(yuǎn)小于待測電壓表的內(nèi)阻，變阻器應(yīng)用分壓式接法．

題型五、定值電阻替代電壓表

例5某物理興趣小組要精確測量一只電流表G(量程為1mA、內(nèi)阻約為100Ω)的內(nèi)阻.實(shí)驗(yàn)室中可供選擇的器材有：

電壓表V：量程為3V內(nèi)阻約為3KΩ

電流表A1：量程為3mA內(nèi)阻約為200Ω；

電流表A2：量程為0.6A，內(nèi)阻約為0.1Ω；

定值電阻R1：阻值為10Ω；

定值電阻R2：阻值為60Ω；

滑動(dòng)變阻器R3：最大電阻20Ω，額定電流1.5A；

直流電源：電動(dòng)勢1.5V，內(nèi)阻0.5Ω；

開關(guān)，導(dǎo)線若干．(1)為了精確測量電流表G的內(nèi)阻，使用的電表要達(dá)到半偏以上，你認(rèn)為該小組同學(xué)應(yīng)選擇的電表為____、定值電阻為____.(填寫器材的符號(hào))

(2)在方框中畫出你設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)電路圖

(3)按照你設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測得選用電表的示數(shù)為x，電流表G的示數(shù)為I，則電流表G的內(nèi)阻的表達(dá)式為rg=____．

故答案為：(1)A1、R2(2)如圖13所示

點(diǎn)評本題關(guān)鍵是沒有合適的電壓表，只能由定值電阻替代，由電流表A1測出并聯(lián)總電流，然后由并聯(lián)電路特點(diǎn)及歐姆定律求出待測電流表內(nèi)阻；使用滑動(dòng)變阻器的分壓接法；據(jù)此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路，求出電流表G的內(nèi)阻．

題型六、電阻的精確測量(系統(tǒng)誤差消除)

例6有一根細(xì)長的空心金屬管線樣品，長為60mm，電阻約4Ω，橫截面如圖14甲所示．(1)用螺旋測微器測量金屬管線的外徑，示數(shù)如圖14乙所示，則所測外徑為____mm．

(2)現(xiàn)有如下器材：

A.電流表A1(量程0～3A，內(nèi)阻為3Ω)

B.電流表A2(量程0～0.6A，內(nèi)阻為1Ω)

C.電壓表V1(量程0～15V，內(nèi)阻約為15kΩ)

D.電壓表V2(量程0～3V，內(nèi)阻約為3kΩ)

E.滑動(dòng)變阻器R1(1750Ω,0.3A)

F.滑動(dòng)變阻器R2(25Ω,1A)

G.電源E(3V，內(nèi)阻很小可忽略)

H.開關(guān)一個(gè)，帶夾子的導(dǎo)線若干

要用伏安法較精確測量空心金屬管線樣品的阻值，電流表應(yīng)選____，滑動(dòng)變阻器應(yīng)選____.(均填序號(hào)字母)

(3)實(shí)驗(yàn)中記錄電壓表的示數(shù)和對應(yīng)電流表的示數(shù)，作出的U-I圖像如圖14丙所示.請用筆畫線代替導(dǎo)線將圖14丁所示的實(shí)驗(yàn)電路補(bǔ)充完整．

(4)____Ω.若金屬管線的電阻率為1.0×10-6Ω·m，則管線中空部分橫截面積為____m2.(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)

點(diǎn)評本題主要考查伏安法測電阻的精確測量原理及數(shù)據(jù)處理，知道螺旋測微器的讀數(shù)方法、熟悉實(shí)驗(yàn)內(nèi)接法消除實(shí)驗(yàn)誤差原理是解題的關(guān)鍵.

綜合以上幾例可以看出，只要熟練掌握歐姆定律，靈活運(yùn)用電表的多重屬性，對于量程不合適的問題“三思而后選”，總有“一款適合你”，電學(xué)實(shí)驗(yàn)中儀器的選取及電路設(shè)計(jì)就均不算什么難題啦.