求解设计类电学实验应具备的六个意识

求解设计类电学实验应具备的六个意识吕宝印电学实验是高考实验考查的热点，而设计类电学实验以其灵活多变，易于发散、有利于对实验综合能 力进行考查等特点，更是成为热点中的焦点。这类题目层出不穷，常考常新。求解设计类电学实验，要在 把握“安全、准确、有效、节能”这一总原则的前提下，兼备如下六个意识。一、电路选择意识：根据实验目的、实验原理、实验器材的，不同灵活选用伏安法（又分内接和外接）、 替代法、比较法、半偏法等测量电路。从供电方式上又可分为限流电路，分压电路。例1 （ 2005年高考广东物理试题第 12题）.热敏电阻是传感电路中常用的电子元件。现用伏安法研究 热敏电阻在不同温度下的伏安特性曲线，要求特性曲线尽可能完整。已知常温下待测热敏电阻的阻值约45Q。热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中，杯内有一定量的冷水，其它备用的仪表和器具有：盛有热水的热水杯（图中未画出）、电源（3V、内阻可忽略）、直流电流表（内阻约 1Q）、直流电压表（内阻约 5k Q）、滑动变阻器（020Q）、开关、导线若干。画出实验电路图，要求测量误差尽可能小。、略。解析：为了得到尽可能完整的伏安特性曲线，要求加在热敏电阻上的电压由零逐渐 增大。因此从供电电路上讲应选择分压电路。又由于常温下待测热敏电阻的阻值约 Q,与给定直流电流表的内阻接近，因此，电阻测量部分应选伏安法中的外接法。得电 路如图1二、极值预判意识：计算电流、电压极大值，以便用来判断电表的量程是否够用或 者用来预判实验中表针的偏转是否会过小（如偏转过小，则读数误差过大、甚至于无法 读数）；计算电流、电压极小值，看限流供电方式是否能满足要求、电表量程是否够用。例2 （ 2005年上海高考物理卷第 16题）.一根长为1m的均匀电阻丝需与一 “ 的灯同时工作。电源电压恒为 100V。电阻丝阻值 R=100Q （其阻值不随温度变化） 分压电路从电阻丝上获取电能，使灯正常工作。在右面方框中完成所需电路；图2电路中电流表的量程应选择 （选填：“00.6A”或“03A”）； （3）略解析：依据题目要求，得到分压电路图，如图 2.在调节灯泡电压，使其正常工作过程中，干路中的最小电流为1A,正常工作时，干路电流约1.1A,故电流表的量程应选择“03A”三、调节有效意识：滑动变阻器的选取要与供电电路匹配，使得通过调节滑动触头位 置来灵活改变被测电阻上的电压（电流）。在限流式接法中，应选用电阻与待测电阻比较接近的变阻器；在 分压式接法中，应选用电阻较小而额定电流较大的变阻器。例3 （ 2005年北京高考物理卷第 22题）.为了测定电流表 A的内阻，采用如图3所示的电路。其中:A是待测电流表，量程为 300 “A,内组约为100Q;备是标准电流表，量程是 200 “A;R是电阻箱，阻值范围 0999.9 Q;R2是滑动变阻器；R是保护电阻；E是电池组，电动势为 4V,内阻不计；&是单刀单掷开关，S2是单刀双掷开关。（1）根据电路图，将器材连接成实验电路。（略）（2）连接好电路，将开关 S扳到接点a处，接通开关调整滑动变阻器R使电流表A的读数是150 “A;然后将开关S板到接点b处，保持 R不变，调节电阻箱 R,使A的读数仍为150“A。若此时电阻箱各旋钮 的位置如图所示，电阻箱 R的阻值是 Q,则待测电流表 A的内阻Rg= Q。（3）上述实验中，无论怎样调整滑动变阻器R的滑动端位置，都要保证两块电流表的安全。在下面提出来供的四个电阻中，保护电阻R应选用： （填写阻值相应的字母）。A. 200k Q B. 20k Q C. 15k Q D. 20 Q（4）下面提供最大阻值不同的四个滑动变阻器供选用。既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）是最佳选择。A. 1k Q B.5 k Q C.10 k Q D.25 k Q解析：本题测电阻原理为替代法。用电阻箱取代被测电表接入电路，调节电阻箱阻值，使标准表A的读数仍为第一种电路状态数值，此时的电阻箱便等效替代了第一种电路中的被测表电阻。电阻箱读数为 86.3 Q,待测电流表 Ai的内阻 Rg为86.3 Q。应用极值预判来确定保护电阻R的阻值。滑动变阻器 R短路时，电路中的电流最大，应保证电流表 A不损坏，可估算得R42 1020 K在实验中电流表的阻值为 150 VA时，电路中总电阻为 R E 4267K ，可知此时R2接入7 1.5 10 4电路阻值约为6.7 k Qo再结合调节有效原则，选择滑动变阻器C最佳。四、电路保护意识：当预判的结果超出电表量程（或用电器超额定电压）时，可改限流供电为分压供 电方式，或串接合适的保护电阻；在实验操作时要先调节滑动变阻器滑动触头的位置，使电键闭合后被测 电阻上的电压（或电流）最小。例4 （2005年全国理综卷1第22题）。测量电源B的电动势E及内电阻r（E约为4.5V, r约为1.5Q）,器材：量程3V的理想电压表，炀 0.5A的电流表（具有一定的内阻），固定电阻R=4Q,滑动变阻器R ,电键K,导线若干。画出实验电路原理图。图中各元件需用题目中给出的符号或字母标出。略LAhV/_E,r K图4解析：本题给出的器材是“两表一变”，测量原理源于课本实验。本实验高于课本实验 之处在于理想电压表的量程略小。先以课本实验为基础，进行极值预判：实验中电流最大值为0.5A,此时电源内电压约0.75V,外电压高于3V,无法用电压表直接测量路端电压。基于此点，可将定值电阻用作保 护电阻，进行串联分压，使得电压表测量外电路的部分电压。设计电路如图4五、电表变用意识：如果题中给出了电表的量程与具体的内阻值，则可将电流表当做 小量程的电压表来使用 （反之亦然）；还可利用题中给出的定值电阻或电阻箱，将电流表扩大量程或改装成 大量程电压表。也可以将电表视为能显示自身电压或电流值的特殊电阻。六、分压、分流意识：可借助串、并联电路的分压、分流特点，得到被测电阻的电压、电流值，直接 依据比例或欧姆定律（伏安法思想）得到被测电阻或电表的电阻值。例5 （2004高考四川吉林卷第22题）.用以下器材测量一待测电阻 R的阻值（9001000 Q）:电源E,具有一定内阻，电动势约为 9.0V; 电压表V1,量程为1.5V,内阻1=750Q;电压表Vz,量程为5V,内阻= 2500 Q;滑线变阻器R,最大阻值约为100 Q;1 ,试画出测量电阻 R的一种实验电路原理图（原理3单刀单掷开关K,导线若干。（1）测量中要求电压表的读数不小于其量程的图中的元件要用题图中相应的英文字母标注）。（2）根据你所画的电路原理图在题给的实物图上画出连线。（略）（3）若电压表V1的读数用U表示，电压表 V2的读数用U表示，则由已知量和测得量表示 R的公式为R =。解析：首先确定供电方式。由于滑动变阻器阻值比电压表和被测电阻小好多，如采用限流供电方式， 既起不到调节作用，也无法保证安全供电，故应采用分压供电方式。具体测量电路有两种选择。思路一：应用电表变用思想。 本题中电压表的内阻已给出， 除发挥电压表功用外， 又 可变用为电流表，量程均为2mA.电路如图5所示。在此实验中，加在 R上的电压由电压表测出，U=U；流过R的电流可借助两电压表变用后的差值求出IU2 U1。故。riUxRx IxUium2riUiri2;此方法是使用的伏安法思想。U 2r1 U ir2思路二：利用分压思想。电路如图6所示.被测电阻与电压表 Vi串联，电阻与电压成正比。电压表电压由自身测得， 被测电阻上的电压由两表差值测得。易知RU2 UiiUi此方法又称为比较法。比较上述两种方法可以发现，当电压表V2的内阻值未知时，只能用图 6电路进行测量。当然，如果 R的阻值给出但两块电压表的内阻值未知时，也可利用图6方便地测出电压表 V的内阻.例6 （2005年全国理综3第22题）。利用图中给定的器材测量电 压表V的内阻R。图中B为电源（内阻可忽略不计），R为电阻箱，K为 电键。将图中实物连接为测量所用的电路。写出实验中必须记录的数据（用符号表示），并指出各符号的意义。用中记录的数据表示 R的公式为R=。解析：本题中电源内阻可忽略不计，故路端电压恒为E,将电压表和电阻箱组成串联电路，如图 7所示。调节电阻箱，分别计下电阻箱接入电路的阻值 R、R和对应的电压 表示数U、U。电压表电压自身测得，电阻箱上电压由电动势 E和电压 表示数之差表示。依分压、分流思想可知，旦 Ui R U2Ri E Ui ; R2 E U2解彳导R U2R2 URvUi U2综观历年的高考试题，不难发现电路设计、器材选择一直是实验考查的重点，在复习电学实验时，要 立足于考纲规定的学生实验，在实验原理、实验电路、实验器材、实验步骤、数据处理、误差分析等方面 进行认真地研究，并且综合运用、自觉强化上述六种意识，透过现象看本质，深入地体会、总结、归纳， 不断提高自身的实验能力。