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- 1 - 难点之十难点之十 电学实验电学实验 一、难点形成的原因一、难点形成的原因 1、对电流表、电压表的读数规则认识模糊,导致读数的有效数字错误 2、对滑动变阻器的限流、分压两种控制电路的原理把握不准,导致控制电路选用不当 3、对实验测量电路、电学仪器的选用原则把握不准,导致电路、仪器选用错误 4、对电学实验的重点内容“电阻的测量”方法无明确的归类,导致思路混乱 5、对于创新型实验设计平时缺乏对实验思想方法(如模拟法,转换法,放大法,比较法, 替代法等)进行归纳,在全新的实验情景下,找不到实验设计的原理,无法设计合理可行的 方案。受思维定势影响,缺乏对已掌握的实验原理,仪器的使用进行新情境下的迁移利用, 缺乏创新意识。 二、难点突破二、难点突破 1 1、电流表、电压表、电流表、电压表的读数规则:的读数规则: 电流表量程一般有两种0.10.6A,03A;电压表量程一般有两种03V,015V。 如图 10-1 所示: 因为同一个电流表、电压表有不同的量程,因此,对应不同的量程,每个小格所代表的 电流、电压值不相同,所以电流表、电压表的读数比较复杂,测量值的有效数字位数比较容 易出错。下面是不同表,不同量程下的读数规则: 电压表、电流表若用 03V、03A 量程,其最小刻度(精确度)分别为 0.1V、0.1A, 为 10 分度仪表读数,读数规则较为简单,只需在精确度后加一估读数即可。 如图所示,电压表读数为 1.88V,电流表读数为 0.83A。若指针恰好指在 2 上,则读数 为 2.00V(或 A) 。 电压表若用 015V 量程,则其最小刻度为 0.5V,为 2 分度仪表读数,所读数值小数点 后只能有一位小数,也必须有一位小数。 如图所示,若指针指在整刻度线上,如指在 10 上应读做 10.0V,指在紧靠 10 刻度线右 侧的刻度线上(即表盘上的第 21 条小刻度线)读数为 10.5V,若指在这两条刻度线间的中 间某个位置,则可根据指针靠近两刻度线的程度,分别读做 10.1V,或 10.2V,或 10.3V, 或 10.4V,即使是指在正中央,也不能读做 10.25V,若这样,则会出现两位不准确的数,即 小数点后的 2 和 5,不符合读数规则,如上图中所示,读数应为 9.3V。 电流表若用 0-0.6A 量程,则其最小刻度为 0.02A,为 5 分度仪表读数,其读数规则与 0 15V 电压表相似,所读数值小数点后只能有两位小数,也必须有两位小数。 如上图所示,电流表读数为 0.17A,若指针指在第 11 条刻度线上,则读数为 0.22A,指 在第 10 条刻度线上,读数为 0.20A,指在第 12 条刻度线上,读数为 0.24A。 2 2、滑动变阻器应用分析滑动变阻器应用分析 滑动变阻器是电学实验中常用的仪器, 近几年高考电学设计性实验命题对其应用多次直 接或渗透考查.如何选择滑动变阻器的接法设计控制电路仍是历届考生应考的难点. 图 10-1 - 2 - 滑动变阻器的限流接法与分压接法的特点:如图 10-2 所示的两种电路中,滑动变阻器 (最大阻值为R0)对负载RL的电压、电流强度都起控制调节作用,通常把图(a)电路称为 限流接法,图(b)电路称为分压接法. 负载RL上电压调节范围 (忽略 电源内阻) 负载RL上电流调节范 围(忽略电源内阻) 相同条件下电路消耗 的总功率 限流接法 0 RR R L L + EULE 0 RR E L + IL L R E EIL 分压接法 0ULE 0IL L R E E(IL+Iap) 比较 分压电路调节范围较大 分压电路调节范围较 大 限流电路能耗较小 限流法.如图(a)所示,待测电阻上电压调节范围为 0 L L R E E RR+ .显然,当 R0RL时,滑动触头在从 b 向 a 滑动的过程中,先是电流表、电压表的 示数变化不大,后来在很小的电阻变化范围内,电流表、电压表的读数变化很快,也不方便 读数,只有当 RL与 R0差不多大小时,才能对电流、电压有明显的调控作用.在同样能达到 目的的前提下,限流法较为省电,电路连接也较为简单. 分压法.如图(b)所示,待测电阻上电压调节范围为 0E,且 R0相对于 RL越小,R 上的电压变化的线性就越好.当 R0RL时,尽管 UL变化范围仍是 0E,但数据几乎没有可 记录性,因为在这种情况下,滑片从左端滑起,要一直快到右端时,电压表上示数一直几乎 为零,然后突然上升到 E,对测量几乎没有用处.因此,分压接法要用全阻值较小的滑动变 阻器。 滑动变阻器的限流接法与分压接法: 两种电路均可调节负载电阻电压和电流的大小, 但 在不同条件下,调节效果大不一样,滑动变阻器以何种接法接入电路,应遵循安全性、精确 性、节能性、方便性原则综合考虑,灵活选取. 1.下列三种情况必须选用分压式接法 (1)要求回路中某部分电路电流或电压实现从零开始可连续调节时(如:测定导体的 伏安特性、校对改装后的电表等电路) ,即大范围内测量时,必须采用分压接法. (2)当用电器的电阻RL远大于滑动变阻器的最大值R0时,必须采用分压接法.因为按 图(b)连接时,因RLR0Rap,所以RL与Rap的并联值R并Rap,而整个电路的总阻值约为 图 10-2 - 3 - R0,那么RL两端电压 UL=IR并= 0 R U Rap,显然ULRap,且Rap越小,这种线性关系越好,电 表的变化越平稳均匀,越便于观察和操作. (3)若采用限流接法,电路中实际电压(或电流)的最小值仍超过RL的额定值时,只 能采用分压接法. 2.下列情况可选用限流式接法 (1)测量时对电路中的电流或电压没有要求从零开始连续调节,只是小范围内测量, 且RL与R0相差不大或RL略小于R0,采用限流式接法. (2)电源的放电电流或滑动变阻器的额定电流太小,不能满足分压式接法的要求时, 采用限流式接法. (3)没有很高的要求,仅从安全性和精确性角度分析两者均可采用时,可考虑安装简 便和节能因素优先采用限流式接法. 例例 1:如图 10-3 所示,滑动变阻器电阻最大值为R,负载电阻R1=R, 电源电动势为E,内阻不计. (1)当K断开,滑动头c移动时,R1两端的电压范围是多少? (2)当K闭合,滑动头c移动时,R1两端的电压范围是多少? (3)设R的长度ab=L,R上单位长度的电阻各处相同,a、c间 长度为x,当K接通后,加在R1上的电压U1与x的关系如何? 【审题审题】电键断开或闭合导致电路出现两种截然不同的控制电路: 限流和分压,把握限流和分压电路的原理是关键 【解析】【解析】 (1)若 K 断开,则该控制电路为滑动变阻器的限流接法,故 2 E U1E (2)若 K 闭合,则该控制电路为滑动变阻器的分压接法,故 0U1E (3)U1=IR并,R并= R L R x R L R x + ,I= L R xLR E )(+ 并 得:U1= LxxL ELx + 22 【总结】【总结】该题考察两种控制电路的原理即两者获取的控制电压范围不同 例例 2:用伏安法测量某一电阻Rx阻值,现有实验器材如下:待测电阻Rx(阻值约 5 ,额定 功率为 1 W) ; 电流表A1(量程 00.6 A,内阻 0.2 ) ;电流表A2(量程 03 A, 内阻 0.05 ) ; 电压表V1(量程 03 V,内阻 3 k);电压表V2(量程 015 V,内阻 15 k);滑动变阻 器R0(050 ),蓄电池(电动势为 6 V) 、开关、导线. 为了较准确测量Rx阻值,电压表、电流表应选_,并画出实验电路图. 【审题审题】该题要求选择实验仪器、测量电路及控制电路,因为滑动变阻器的全阻值大于被测 电阻Rx,故首先考虑滑动变阻器的限流接法 【解析】【解析】由待测电阻Rx额定功率和阻值的大约值,可以计算待测电阻Rx的额定电压、额定 电流的值约为 U=51PRV2.2 V,I=5/1/RPA=0.45 A. 则电流表应选A1,电压表应选V1. 又因30002 . 0= VA RR=24.5 Rx,则电流表必须外接. 图 10-3 - 4 - 图 10-5 因为滑动变阻器的全阻值大于被测电阻Rx, 故首先考虑滑动变阻器的限流接法, 若用限 流接法, 则被测电阻Rx上的最小电流为Imin= 505 6 + = + RE E x =0.11 AI额,因该实验没有对电流、电压的调节范围未作特殊要求,故 用限流电路.电路如图 10-4 所示. 【总结】【总结】滑动变阻器全阻值相对待测电阻较大,用分压接法不便于 调节,故限流接法是首选,只要能保证安全且有一定的调节范围即 可。 例例 3: 用伏安法测量一个定值电阻的器材规格如下: 待测电阻 Rx(约 100 ) ;直流电流表 (量 程 010 mA、内阻 50 );直流电压表(量程 03 V、内阻 5 k);直流电源(输出电压 4 V、 内阻不计) ;滑动变阻器(015 、允许最大电流 1 A) ;开关 1 个,导线若干.根据器材的规 格和实验要求画出实验电路图. 【审题审题】本题只需要判断测量电路、控制电路的接法,各仪器的量程和电阻都已经给出,只 需计算两种接法哪种合适。 【解析】【解析】用伏安法测量电阻有两种连接方式,即电流表的内接法和外接法,由于Rx vAR R,故电流表应采用外接法.在控制电路中,若采用变阻器的限流接法,当滑动变阻 器阻值调至最大,通过负载的电流最小,Imin= xA RRR E + =24 mA10 mA,此时电流仍超过 电流表的量程, 故滑动变阻器必须采用分压接法.如图 10-5 所示. 【总结】【总结】任一种控制电路必须能保证电路的安全,这是电学实验的首要原则 ,限流接法虽 然简洁方便,但必须要能够控制电路不超过电流的额定值,同时,能够保证可获取一定的电 压、电流范围,该题中,即便控制电流最小值不超过电流表的量程,因滑动变阻器全阻值相 对电路其它电阻过小,电流、电压变化范围太小,仍不能用限流接法。 3 3、实验电路和电学仪器的选择、实验电路和电学仪器的选择 (1)电路的选择 安培表内、外接电路的选择 由于电压表的分流作用和电流表的分压作用, 造成表的示数与通过负载的电压或电流真 实值之间产生误差,为减小此系统误差,应慎重选择电流表的内外接法,选择方法如下: 1、直接比较法: 当待测电阻阻值RxRA时,安培表分压很小,选择安培表内接电路。 图 10-4 - 5 - 2、临界值计算比较法: 当待测电阻阻值与电压表、电流表的阻值相差不多时,如何确定被测电阻 R 是较大还 是较小呢?我们要计算两种接法的相对误差,可用 R RV 与 A R R 相比较. 当 A V R R R R 即 AVR RR 时,宜采用电流表外接法; 当 A V R R R R 即 AVR RR 时,宜采用电流表内接法; 而 AVR RR =时,电流表内外接法效果是一样的.此时的被测电阻值 R 我们称为临界 电阻。 3、测试判断法(试触法) 若 Rx、RA、RV的大小关系事先没有给定,可借助试触法确定内、外接法.具体做法是: 如图 10-6 所示组成电路,其中电流表事先已经接好,拿电压表的一个接线柱去分别试 触 M、N 两点,观察先后两次试触时两电表的示数变化情况。 如果电流表的示数变化比电压表示数变化明显(即 U U I I ),说明接 M 点时电压表 分流作用引起的误差大于接 N 点时电流表分压作用引起的误差,这时应采用内接法(即电压 表接 N 点)。 如果电压表的示数变化比电流
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