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结合高考谈伏安法测电阻 纵观近几年的实验题,题目年年翻新,没有一个照搬课本中的实验,全是对原有实验给予改造、改进、甚至创新,但题目涉及的基本知识和基本技能仍然立足于课本实验。 实验题作为考查实验能力的有效途径和重要手段,在高考试题中一直占有相当大的比重,而电学实验因其实验理论、步骤和完整性及与大学物理实验结合的紧密性,便成了高考实验考查的重中之重,电阻测量成为高考考查的焦点,伏安法测电阻是电阻测量最基本的方法,伏安法测电阻常涉及电流表内、外接法的选择与滑动变阻器限流、分压式的选择,前者是考虑减小系统误差,后者是考虑电路的安全及保证可读取的数据。另外考题还常设置障碍让考生去克服,如没有电压表或没有电流表等,这就要求考生根据实验要求及提供的仪器,发挥思维迁移,将已学过的电学知识和实验方法灵活运用到新情景中去。这样,就有效地考查了考生设计和完成实验的能力。本文结合今年的高考实验题(伏安法测电源电动势和内阻),就伏安法测电阻及其情景变式进行深入探讨,供广大师生参考。一. 伏安法测电阻基本原理 1. 基本原理:伏安法测电阻的基本原理是欧姆定律,只要测出元件两端电压和通过的电流,即可由欧姆定律计算出该元件的阻值。 2. 测量电路的系统误差控制: (1)当远大于时,电流表内接;当临界阻值时,采用电流表的内接;当采用电流表内接时,电阻测量值大于真实值,即(如图1所示)。 (2)当远小于时,电流表外接;当临界阻值时,采用电流表的外接;当采用电流表外接时,电阻的测量值小于真实值,即(如图2所示)。 3. 控制电路的安全及偶然误差:根据电路中各元件的安全要求及电压调节的范围不同,滑动变阻器有限流接法与分压接法两种选择。 (1)滑动变阻器限流接法。一般情况或没有特别说明的情况下,由于限流电路能耗较小,结构连接简单,应优先考虑限流连接方式。限流接法适合测量小电阻或与变阻器总电阻相比差不多或还小,(如图3所示)。图3 (2)测动变阻器分压接法。若采用限流电路,电路中的最小电流仍超过用电器的额定电流时,必须选用滑动变阻器的分压连接方式;当用电器电阻远大于滑动变阻器总电阻值,且实验要求的电压变化范围较大(或要求测量多组实验数据)时,必须选用滑动变阻器分压接法;要求某部分电路的电压从零开始可连续变化时,须选用滑动变阻器分压连接方式(如图4所示)。二. 伏安法测电阻基本情景变式 1. 无电流表。根据伏安法测电阻的基本原理可知,无电流表时只要找到能够等效替代电流表的其他器材即可,比如: (1)已知电阻与理想电表并联替代电流表(如图5所示); (2)用已知内阻的电压表替代电流表(如图6所示); (3)无电表时的替代法(如图7所示); (4)无电流表时的半偏法(测量电压表内阻)(如图8所示)。 2. 无电压表。根据伏安法测电阻的基本原理可知,无电压表时只要找到能够等效替代电压表的其他器材即可,比如: (1)已知电阻与理想电流表串联替代电压表(如图9所示); (2)无电压表时的等效替代法(如图10所示); (3)无电压表时的半偏法(测表头内阻)(如图11所示)。 3. 把实验题当作计算题处理。 (1)根据闭合电路欧姆定律列方程求解待测量; (2)根据欧姆定律的变式求解电阻。在利用伏安法测电源的电动势和内阻的实验中,只要测出外电路的电压变化量和电流的变化量(外电压的变化量始终等于内电压的变化量),就可以求出电源的内阻。三. 范例导引高考实验试题剖析范例导引一(05年高考题)测量电源B的电动势E及内阻r(E约为4.5V,r约为1.5)。器材:量程3V的理想电压表,量程0.5A的电流表(具有一定内阻),固定电阻,滑动变阻器,电键K,导线若干。 (1)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。 (2)实验中,当电流表读数为I1时,电压表读数为U1;当电流表读数为I2时,电压表读数为U2。则可求出E_,r_。(用I1、I2、U1、U2及R表示) 解析:本题是常规伏安法测电源电动势和内阻实验的情景变式题,本题与课本上实验的区别是电源电动势大于理想电压表的量程,但题目中提供的器材中有一个阻值不大的固定电阻,这就很容易把该情景变式题“迁移”到学过的实验上。把固定电阻接在电源的旁边,把它等效成电源的内阻即可(如图12所示),把电压表跨接在它们的两侧,显然,“内阻增大,内电压降落增大”,电压表所测量的外电压相应减小,通过定量计算,符合实验测量的要求。这样,一个新的设计性实验又回归到课本实验上。 实验电路原理图如图13所示; 根据,对于一个给定的电源B的电动势E及内阻r是一定的,I和U都随滑动变阻器的改变而改变,只要改变的阻值,即可测出两组I和U数据,列方程组得: 解(1)(2)方程组可得 注:也可直接用欧姆定律的变式求内阻r。 本题所提供的理想电压表量程小于被测电源电动势,需要学生打破课本实验的思维和方法定势,从方法上进行创新,运用所提供的器材创造性地进行实验设计。范例导引二(04年高考实验题)用以下器材测量一待测电阻的阻值(9001000); 电源E,具有一定内阻,电动势约为9.0V; 电压表V1,量程1.5V,内阻; 电压表V2,量程5V,内阻; 滑线变阻器R,最大阻值约为100; 单刀单掷开关S,导线若干。 (1)测量中要求电压表的读数不小于其量程的,试画出测量电阻的一种实验电路原理图(原理图中的元件要用相应的英文字母标注)。 (2)根据你所画的电路原理图在所给的实物上画出连线。(实物图略) (3)若电压表V1的读数用U1表示,电压表V2的读数用U2表示,则由已知量和测得量表示的公式为_。 解析 1. 画实验电路原理图 (1)测量方法的选定。本题提供了两只电压表,在没有电阻箱和定值电阻的情况下,不能用替代法和等效测量法,只能用伏安法测量。 (2)推断电路接法。在选用伏安法测量后,提供的电压表中必定有一只电压表要做电流表使用。 由于待测电阻的阻值范围在9001000之间,而电压表V1,内阻,电压表V2,内阻,待测电阻阻值与电压表内阻阻值比较接近,不存在明显关系,所以“电流表”内接和“电流表”外接应该都是可行的。 (3)角色定位。 将电压表V2作为电流表使用,实验电路原理图如图14所示,该情况下,r1与并联的最小电阻,串联总电阻。按题设要求电压表V1的读数不小于其量程的。从电压的角度考虑,降落在电压表V1上的电压降应不低于,并联再与串联,根据串联电路的电压分配: 若电压表V2上的电压降能达到3.0V,即能满足题设的读数不小于其量程的的要求。要想电路中电压值恰当,只要将电路接成分压电路,图14所示电路能满足试题要求。同理,如果把电压表V1当作电流表使用,接成14所示电路,将不行。 将电压表V1作为电流表使用,实验电路可接成电流表内接法,如图15所示,电压表V1与待测电阻串联,串联的电阻为,由于电压表V2与电压表V1和待测电阻串联后并联,故,所以,这个读数能使电压表V1的指针超过满偏的。 由上述分析和计算,两个电压表的读数均不低于其量程的,要想满足上述条件,电路也要接成分压电路,图15所示电路能满足试题要求。同理,如果把电压表V2当电流表使用,接成15所示电路,也将不行。 2. 实物连接(略) 3. 测电阻的表达式 按图14所示接法,设测量时电压表V1、V2的示数分别为,而,解得。 按图15所示接法,设测量时电压表V1、V2的示数分别为U1、U2,有成立,故。范例导引三(00年高考实验题)从下表中选出适当的实验器材,设计一电路来测量电流表A1的内阻r1,要求方法简捷,有尽可能高的测量精度,并能测得多组数据。 (1)在虚线方框中画出电路图,标明所用器材的代号。器材(代号)规格电流表(A1)电流表(A2)电压表(V)电阻(R1)滑动变阻器(R2)电池(E)电键(K)导线若干量程10mA,内阻r1待测(约40)量程500,内阻r2750量程10V,内阻r310k阻值约1000,作保护电阻用总电阻约50电动势1.5V,内阻很小 (2)若选测量数据中的一组来计算r1,则所用的表达式为r1_,式中各符号的意义是:_。 解析:(1)电流表本身读数可测得电流,若用电压表V测电压,由于A1两端最大电压为,故电压表的量程太大,不可取,故只能用电流表A2作电压表用,其量程为,因需多测几组数据,电源电路必须用分压电路,作出实验电路图如图16所示。 (2)合上电键K两表读数分别记为I1、I2,则。 这里用来测量电压的不是电压表,而是电流表,它与被测的电流表A1并联。实际上,它是通过比较A1、A2两表的电流,进而来比较两电流表的内阻大小关系,即运用了比较的方法来进行实验。 近几年的高考中,实验命题不再局限于课本,出现了一些利用教学大纲所列的实验的原理、方法、器材重新组合的实验考题;同时,编制了一些半开放的试题,运用一些简单的、设计性的实验来考查考生独立解决问题的能力、迁移能力。因此,考生必须掌握好物理实验的基本技能,并能独立地完成考试大纲中所列的实验,善于总结实验过程应用的物理原理和实验方法,进而应用学过的原理和方法去创新设计实验,处理与实验相关的问题。
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