高三物理电路设计与仪器选择

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二轮能力专题：,电路设计与仪器选择,实验电路设计的原则,1、安全性,2、精确性,3、方便性,4、误差小,5、仪器少,6、耗电少,专题解说,知识概要与方法,专题解说,一.仪器的选择,对实验仪器的选择，在进行正确测量的前提下，一般遵循以下原则：,安全性原则：,要保证所用仪器的安全，注意考虑电源的电压、电表的量程、滑动变阻器允许通过的最大电流等。选择电表时，保证其电流和电压均不超过使用的量程。选择滑动变阻器时，流经滑动变阻器的电流不能超过允许通过的最大电流。,精确性原则：,尽量减小实验误差。选择电表时，在保证电流和电压均不超过使用量程的前提下，合理选择量程。务必使指针有较大偏转（一般取满偏度的2/3），一般能用小时不用大。选择滑动变阻器时，注意其阻值的大小对实验操作和对实验的影响，一般能用小时不用大。,对某个实验来讲，精确程度够用即可，并不是精度越高越好。,专题解说,操作性原则：,实验时需考虑调节方便，便于操作，如滑动变阻器的选择，既要考虑它的额定电流，又要考虑它的阻值范围，在二者都能满足实验要求的情况下，还要考虑阻值大小对实验操作中是否调节方便的影响。,选择的一般步骤是：,找出唯一性的器材；,草画电路图（暂不把电表接入）；,估算最大值（在限流电路中把滑动变阻器触头推向最小值）；,考虑能否都使电表达到满偏的1/3以上。,专题解说,二.供电电路与滑动变阻器的选择, 限流电路,设路端电压为,U,，滑动变阻器的有效,电阻为接线柱,a,和,P,之间的电阻,R,aP,，,灯泡的电阻为,R,L,，则通过灯泡的电流强度为,R,L,P,a,b,灯泡两端的电压为,若滑动变阻器的总阻值为,R,，则灯泡两端电压的变化范围是,可见,滑动变阻器的总阻值,R,越大，灯泡两端电压的变化范围越大,。但若,R,比,R,L,大得多，则滑动头稍有移动，电流电压便有很大变化,则不便于调节,R,L,两端的电压,不宜采用。,专题解说, 分压电路,设路端电压恒为,U,，这个电压分布在,滑动变阻器的全部电阻丝上，而灯只,分得其中接线柱,a,和,P,之间的电压。移,动滑动变阻器的滑片,P,，增加,a,和,P,之间的电阻,R,aP,，灯泡两端的电压就会随之增大。,R,L,p,a,b,灯泡两端电压的变化范围是,如果只从用电器两端电压的变化范围看，好像滑动变阻器的阻值多大都行，但是滑动变阻器的阻值越大越不便于调节用电器两端电压，且耗能越大.,使用限流电路时,一般选用滑动变阻器的全电阻和用电器的电阻相差不多或大几倍,在25倍为好,这样既便于调节,用电器两端电压变化范围又比较大.若过小,则不能有效地控制电流,过大则控制电流不平稳,会造成电流值跳跃太大.,专题解说,a,用电器两端电压要求变化范围较大，或从零开始连读可调，应选分压电路。,b,如果采用限流电路时，电路中最小电流等于或大于用电器的额定电流，应选分压电路。,c,如果滑动变阻器的全阻值比用电器的阻值小得多，为了能使用电器两端电压有较大变化，应选分压电路。,d,如果滑动变阻器的全阻值比用电器的阻值相差不多，两种电路都可以对用电器的电压（电流）进行有效方便的控制，可以任选其中一种电路。此时假如从节省电能和电路简单考虑，应选限流电路。,使用分压电路时，,一般选用滑动变阻器的全电阻小于用电器的电阻,在0.10.5倍之间为好,。即阻值小些,以获得较大的电流输出。,选用限流电路还是选用分压电路,以下几点可作参考 :,由于电流表、电压表内阻的影响，不管采用电流表内接还是外接都将会引起实验的误差。（,如在伏安法测电阻时，内接法测量结果偏大，外接法测量结果偏小。）,内接法的测量误差是由于电流表的,分压作用而产生的,由串联电路中电,压与电阻成正比,可知当R,A,R时，电压表的分流作用可忽略不计，此时测量值很接近真实值，可见，测量小电阻时宜采用外接法。,专题解说,三、测量电路的选择,V,A,R,内接法,V,A,R,外接法,专题解说,如何确定R值是较大还是较小？,当被测电阻与电压表内阻的关系满足R,V,R即R,V,/R1时应采用“外接法”较准确；,当被测电阻与电流表的内阻相比满足 R,A,R即R,A,/R R/R,A,即R 时，电流表的分压作用较电压表的分流作用明显，应采用外接电路,当R,V,/R 时，电压表的分流作用较电流表的分压作用明显，应采用内接电路,四.实验设计要求误差小.仪器少.耗电少.,为减小实验误差，在设计电路时，要注意实验原理的完善，尽量选用精密的仪器；选择合适的量程（使指针有较大偏转）；读数时至少保证一个表（电流表或电压表）的指针与刻度线对齐。,专题解说,在进行实验的设计时，根据实验要求选择必须的实验仪器，,要充分发挥仪器的功能，,在能完成实验的前提下，尽可能地减少仪器的使用数目。,同时也还要求实验电路的耗电要少，节约能源。,如在用滑动变阻器作为控制电路时，滑动变阻器的限流接法较分压接法节省电能，不是非用分压接法不可的时候，通常用限流接法。,专题解说,五.如何正确的读数，记录正确的实验数据？,1、读数前要明确实验中所用电表的量程，最小刻度是多少；,2、掌握读数最基本的原则：最小刻度的下一位要估读；人眼估读时通常是将最小刻度等分为十等分，然后估计指针的位置是多少等分，最后确定估读数；,3、根据高中实验要求，仪器的最小刻度除以2，所得数字的首位即为估读到的位数；,如量程为00.6A的电流表，其最小刻度是0.02A，误差出现在电流表的百分位上（0.02A/2=0.01A）。,专题聚焦,例1.,某电压表的内阻在20 k50 k之间，现要测量其内阻，实验室提供下列可选用器材：待测电压表,V,(量程3 V)，电流表,A,(量程200,A)，电流表,A,2,(量程5 mA)，电流表,A,3,(量程0.6 )，滑动变阻器,R,(最大阻值1 k)，电源,E,(电动势4 V)，电键,S,.,(1)所提供的电流表中，应选用_(填写字母代号).,(2)为了尽量减小误差，要求测量多组数据，试在图中画出符合要求的实验电路图(电源和电键及连线已画出).,解:,电源电动势,E,=4V,电压表内阻最大50k,故电流最小值,I,=,V,A,1,=80A,，A,2,、A,3,量程都太大，故选A,1,.,由于R,V,在20k,50k之间,远大于滑动变阻器的阻值1k,故应连成分压电路.,专题聚焦,例2.,用伏安法测量某电阻的阻值，现有实验器材如下：待测电阻Rx（阻值大约为5，额定功率为1W）；电流表A,1,（量程为00.6A，内阻为0.2）；电流表A,2,（量程为03A，内阻为0.05）；电压表V,1,（量程为03V，内阻为3K）；电压表V,2,（量程为015V，内阻为15K）；滑动变阻器R（050）；蓄电池（电动势为6V），开关、导线。,为了较准确测量Rx的阻值，保证器材的安全，以及操作方便，电流表、电压表应选择,，并画出实验电路图。,1、确定电压表、电流表,被测电阻Rx的额定电压、额定电流分别为2.2V和0.45A，则电流表选用A,1,，电压表选用V,1,。,解,2、确定测量电路,由于待测电阻Rx的阻值大约是5，而所用电流表的内阻为0.2，所用电压表内阻为3K，即RvRx，故采用电流表的外接法。,3、确定控制电路,因滑动变阻器的全值R,0,大于被测电阻阻值Rx，故考虑滑动变阻器的限流接法（采用限流接法时，通过Rx的最大电流为0.45A，最小电流为0.11A，较符合实验要求）。,专题聚焦,专题聚焦,例3.,有一电阻R,其阻值大约在40至50之间,需进一步测定其阻值,现有下列器材：,电池组,电动势为9V,内阻忽略不计；,电压表,量程为0至10,内阻20；,电流表A,1,量程为0至50,内阻约20；,电流表A,2,量程为0至300m,内阻约4；,滑动变阻器R,1,阻值范围为0至100,额定电流1A；,滑动变阻器R,2,阻值范围为0至1700,额定电流0.3;,开关及导线若干,实验电路图如图所示，实验中要求多测几组电流、电压值在实验中应选,电流表和,滑动变阻器,V,A,R,X,r,R,解:,首先估算电路中可能达到的最大电流值，假设选电流表A,1,，则,I,m,0.14A,超过了,A,1,的量程.,专题聚焦,假设选电流表,A,2,，则,I,/,m,0.18A，,未超出A,2,的量程，故应选电流表A,2,.,对滑动变阻器的选择。假没选R,1,，电路中的最小电流约为,I,min, 0.06A，,故电路中的电流强度范围为0.06A,0.18A,假设选R,2,，电路中的最小电流约为,I,/,min,0.005A,故电路中的电流强度范围为0.005A,-,0.18A，,因为电流表A,2,的量程为0.3,电流强度为0.06时,仅为电流表A,2,量程的1/5,如果移动滑动变阻器阻值再增大,其电流表的示数将更小,读数误差会更大,因此对于R,2,而言,有效的调节长度太小,将导致电流强度值随滑动片位置的变化太敏感.调节不方便,故应选滑动受阻器R,1,.,专题聚焦,例4.(,04全国）用以下器材测量一待测电阻,R,x,的阻值（9001000）：,电源E，具有一定内阻，电动势约为9.0V；,电压表,V,1,，量程为1.5V，内阻,r,1,=750；,电压表,V,2,，量程为5V，内阻,r,2,=2500；,滑线变阻器R，最大阻值约为100；,单刀单掷开关K，导线若干。,测量中要求电压表的读数不小于其量程的 ，试画出测量电阻,R,x,的一种实验电路原理图（原理图中的元件要用题图中相应的英文字母标注）,解:,电源电动势约为9.0V、而电压表中最大量程只有5V，故经滑线变阻器分压后才可使被测电阻两端的电压不超过5V.,题中给出的两个都是已知内电阻的电压表，应将其中的一个已知内电阻的电压表当作电流表来使用，以实现电流值的间接测量.,专题聚焦,若选择外接法:,应将电压表V,2,作电流表使用,因为电,压表V,2,的量程较大,电压表V,1,与被测,电阻Rx并联后再与作电流表使用的,电压表V,2,串联,这样在不超过V,1,、V,2,量程的前提下,可使电压表V,1,上的示数尽可能地接近满偏（1.5V）,从而减小电压值测量的读数误差，提高测量精确程度.,若选择内接法:,因为电压表V,1,的量程较小,应将电压表,V,1,作电流表使用,电压表V,2,的量程较大,应将电压表V,2,作测量电压表使用.电压,表V,1,与被测电阻Rx串联后再与作电压,表使用的电压表V,2,并联,这样在不超过,V,1,、V,2,量程的前提下,可使电压表V,1,上的示数尽可能地接近满偏（1.5V）,从而减小电压值测量的读数误差，提高测量精确程度.,专题聚焦,根据你所画的电路原理图在题给的实物图上画出联线.,专题聚焦,若电压表V,1,的读数用,U,1,表示，电压表V,2,的读数用,U,2,表示，则由已知量和测得量表示,Rx,的公式为,Rx,=_。,解:,外接法:,电压表V,1,上的读数值是被测电阻Rx上的真实压降值,而电压表V,2,中通过的电流值是流过V,1,、Rx中电流的和,闭合电键K,调节滑线变阻器的滑动头,使V,1,、V,2,尽可能地接近满偏,读出V,1,、V,2,两表的读数值U,1,、U,2,由欧姆定律和串并联电路电压、电流的分配关系,有,专题聚焦,内接法:,电压表V,1,上的读数值间接地测量出被测电阻Rx上的真实电流值，而电压表V,2,测量的是 V,1,、Rx上两部分的电压降之和，闭合电键K，调节滑线变阻器的滑动头，使 V,1,、V,2,尽可能地接近满偏，读 V,1,、V,2,两表的读数值U,1,、U,2,，由欧姆定律和串并联电路电压、电流的分配关系，有,例5,.(00全国)利用下表中的实验器材，设计一个电路来测量电流表,A,1,的内阻,r,1,，,要求方法简捷，有尽可能高的测量精度，并能测得多组数据，画出电路图,标明器材代号;若选测量数据中的一组来计算,r,，则所用的表达式为,_，式中各符号的意义是：_,。,专题聚焦,器材(代号),规格,电流表(,),电流表(,),电压表(,V,),电阻(,R,),滑动变阻器(,R,),电池(,E,),电键(,K,),导线若干,量程10 m，内阻,r,待测(约40 ),量程500 A，内阻,750 ,量程10 V，内阻,10 k,阻值约100 ，作保护电阻用,总阻值约50 ,电动势1.5 V，内阻很小,专题聚焦,解:,题中直接判定必选的器材是电池,E,，电键,K,，导线若干.,由A,1,量程是10mA，r,1,约为40，E是电动势1.5V，可判定必须再选电阻R,1,，滑动变阻器R,作为保护，才保证通过A,1,的电流不至于超过10mA.,要测,1,的电阻，通过A,1,的电流值I,1,可由,1,读出，只要能测出A,两端的电压U,，则可求出,r,测电压要用电压表，但是若将电压表与A,1,并联，电流表A,1,上的电压最多是,1,40V0.43V,而电压表的量程是10V，对0.43V的电压来说，电压表的指针只是稍微偏转了一点点，这样测得的阻值误差太大.不符合题目要求，因而不能用电压表测电压.,A,1,R,1,V,A,2,。,R,2,。,E,S,专题聚焦,而电流表,A,的内阻,r,知道，通过电流表,A,的电流,I,可以读出，因而,A,两端的电压,.,若将,A,与,并联，则,即,A,两端的电压，由此可以求出,A,的内阻,r,式中I,1,、,2,分别是电流表A,、A,2,的读数，r,1,、r,2,分别是电流表A,1,、A,2,的内阻.滑动变阻器R,限流，分压接法均可.,A,1,R,1,。,。,A,2,A,1,E,S,R,1,R,2,E,S,。,。,A,2,A,1,R,2,R,1,例6.,(,03上海),图1为某一热敏电阻R(电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感)的,I,-,U,关系曲线图。,为了通过测量得到图1所示,I,-,U,关系的完整曲线，在图2和图3两个电路中应选择的是图,；简要说明理由：,。(电源电动势为9V,内阻不计,滑线变阻器的阻值为0-100),2,电压可从0V调到所需电压，调节范围较大,I,/mA,U,/V,1 2 3 4 5 6 7,50,0,图1,10,20,30,40,图3,V,A,图2,V,A,专题聚焦,专题聚焦,在图4电路中，电源电压恒为9V，电流表读数为70mA，定值电阻,R,1=250。由热敏电阻的,I,-,U,关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为_V；电阻,R,2,的阻值为,。,举出一个可以应用热敏电阻的例子：_。,5.2,111.6112.0,热敏温度计,解,:, I,1,=9/250=0.036A=36mA,I,2,=34mA,由图1得 U,R,=5.2V,R,2,=(9-5.2) / 0.034=111.8 ,A,R,1,R,2,热敏电阻,9V,图4,R,例7.(,04年江苏),某同学对黑箱中一个电学元件的伏安特性进行研究通过正确测量，他发现该元件两端的电压,U,ab,(,U,ab,=,U,a,-,U,b,)与流过它的电流,I,之间的变化关系有如下规律,当 -15,V,U,ab,（1）如答图,往保温杯中加入一些热水,待温度稳定时读出温度计值;,调节滑动变阻器，快速测出电流表和电压表的值；,重复，测量不同温度下的数据；,绘出各测量温度下热敏电阻的伏安特性曲线。,专题训练,（04北京）为了测定电流表A,1,的内阻，采用如图1所示的电路。其中：A,1,是待测电流表，量程为300A内阻约为100；,A,2,是标准电流表，量程是200A；,R,1,是电阻箱，阻值范围0999.9；,R,2,是滑动变阻器；R,3,是保护电阻,E是电池组，电动势为4V，内阻不计；,S,1,是单刀单掷开关，S,2,是单刀双掷开关。,（1）根据电路图1，请在图2中画出连线，将器材连接成实验电路.,专题训练,（2）连接好电路,将开关S,2,扳到接点a处,接通开关S,1,调整滑动变阻器R,2,使电流表A,2,的读数是150A;然后将开关S,2,扳到接点b处,保持R,2,不变,调节电阻箱R,1,使A,2,的读数仍为150,A.若此时电阻箱各旋钮的位置如图3所示,电阻箱R,1,的阻值是,则待测电流表A,1,的内阻R,3,=,.,86.3,86.3,专题训练,（3）上述实验中，无论怎样调整滑动变阻器R,2,的滑动端位置，都要保证两块电流表的安全。在下面提供的四个电阻中，保护电阻R,3,应选用：,（填写阻值相应的字母）。,A200KB20KC15KD20,（4）下面提供最大阻值不同的四个滑动变阻器供选用。即要满足上述实验要求，又要调整方便，滑动变阻器,（填写阻值相应的字母）。,A1kB5kC10kD25k,B,C,专题训练,