伏安法测电阻之仪器角色转换

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1、Vo1 3 6 NO 3 ( 2Ol 5) 物 理 教 师 PH Y SI CS 1 r E AC H ER 第 3 6卷第 3期 2 O 1 5年 伏 安法测 电阻之仪器角色转换 黄 尚鹏 ( 湖北省监利县实验高级 中学 ， 湖北 监利4 3 3 3 0 0 ) 摘 要 ：本文通过 4道 改编试题全面 系统地介绍 了在伏安法测 电阻设 计性 实验 中， 如何 转移实验仪器 的功能 ， 转换实验仪器 的角色 ， 巧 妙设 计电路 ， 以期起到举一反三、 触类 旁通之功效 关键词 ：电路设计 ； 伏安法； 角色 转换 ； 量程匹配； 满偏检验 电学 设计 性 实验 是高 三 物理 实验 教 学

2、中 的一 个难点 ， 也是 高考 中考查频率很 高的一类 实验题 型 此类题 型 的 出现也 符 合 当今 高 考 改革 的精 神 ， 强调了“ 着眼综合 、 立足基础 、 突出能力” 的命题原 则 ， 故 这种题 型经 常被 高 考命 题 专家 所关 注 而 最 常 见 、 最基本 的 电学 实验 是 伏安 法 测 电 阻 ， 以此 为 切 入点 衍生 的设 计 性 实 验 题 可 谓 名 目繁 多 伏 安 法 测 电阻 实 验 的 基 本 原 理 是 电 阻 的 定 义 式 ： R r 。所 需 要 的基 本 仪 器 是 电 流表 、 电 压 表 但 很 多 试题 为 了考 查 学 生 的

3、创 新 能力 ， 题 目 中给 出 的 电 流表 、 电压 表 往 往 不 是 多 就 是 少 或 给 出 的量 程 不 是大就 是小 ， 有 时题 目中还 给 出一 两 个 定值 电阻 ， 它们有 什 么 作 用 ， 如 何 利用 ? 高 三 学 生 对 此 类 题 日普 遍 感 到 十 分 困惑 ， 甚 至无 从 下 手 其 实 ， 对 于 这类 问题 ， 只要 根据 实验 的基 本原 理 和 题设 要 求 ， 认 真选 择器 材 ， 巧妙 转 移实 验 仪器 的功 能 ， 转 换 实 验仪 器 的角色 ， 是不 难 解决 的 所 谓转 换 实 验仪 器 的角 色 ， 主要是 指下 面几种

4、 情形 ( 1 )已知 内阻 的 电流 表 ( 非 理 想 电流 表 ) 可 当 电压 表使 用 ( 2 )已知 内阻 的电压 表 ( 非 理 想 电压 表 ) 可 当 电流表使 用 ( 3 )定值 电阻与 电表 串联 充 当分压 电阻 ， 扩 大 电压 的范 围 ( 4 )定 值 电阻与 电表并 联充 当分 流 电阻 ， 扩 大 电流 的范 围 ( 5 )定 值 电阻 串联在 测 量 电路 中或控 制 电路 即供电电路中充当保护电阻 ， 防止烧坏仪器 ( 6 )已知 电压 的定值 电阻 可 当电流表 使用 ( 7 )已知电流的定值电阻可当电压表使用 为 了有 效 突破 教学 中 的 上 述

5、难 点 ， 笔 者 根 据 部 分实 验 试 题 ， 通 过 组 合 、 改 编 ， 筛选 了 4道 极 具 代 表性 的试 题 ， 全 面 系 统 地 介 绍 了在 伏 安 法 测 电 阻设计 性实 验 中 ， 如 何转 移 实 验仪 器 的功 能 ， 转换 实验仪器的角色 ， 巧妙设计 电路 ， 以期起到举一反 三 、 触类 旁 通之功 效 例 1 某实 验小 组要 精确 测 量额 定 电压 为 3 V 的 I E D灯 正常 工作 时 的 电阻 ， 已知该 灯 正 常 工作 时 电阻大约 为 5 0 0 Q， 电学 符号 与小 灯泡 电学 符 号 相 同 ， 供选 择 的仪 器 如下 ：

6、 解得 ， 一3 rag ( 1 +c o s p ) ， N 一 一N 同理 可得 ， G 点 质 点 对轨 道 的压 力 与 G 点 相 同 依次 类推 ： 在 A、 B、 C、 D 各点 ， 质点 对轨 道压 力 极 限如 表 3 表 3 压 力 A B C D Ox上方 oz下方 位置 医 丸 O 3 mg 6 rag 3 mg 3 mg( 1 一 C O S a ) 3 rag ( 1 +C O s G ) 沿法线 沿法线 沿 法线 方 向 指外 指外 指外 指外侧 指外 指外 当质点从 A 到 B 或 从 A 到 D 运 动 时 ， F 随 增大而增大； 当质点从 C到 B 或从

7、C 到 D 运动 一一 86 一 时 ， F 随 增 大 而减 小 ， O 。 9 0 。 ， O 。 卢 9 0 。 且分 别按 F一3 rag ( 1 一c o s a ) 和 F一3 rag ( 1 +C O s p ) 变化 ， 而且 以 Oy轴 为对 称轴 ， 压力 也 具有 对 称性 ， 图像 如 图 7 3 mg N = ra g ( 1一Co s a ) 0 ： 6 mg I 3 mg 啪 0 i 扣 图 7 质 点从 顶 端 A 到底 点 C 的运 动 过程 中 ， 压 力 值 从 O增加 6 rag ( 收稿 日期 ： 2 0 1 40 9 2 5 ) 第 3 6 卷第 3

8、 期 2Ol 5年 物 理 教 师 PH YSl CS T EA( H ER Vo1 36 NO3 ( 2 O1 5) ( A)电流表 G( 量程为 3 mA， 内阻 R 一5 0 0 Q) ( B )电压表 V( 量程为 1 2 V， 内阻 一1 0 0 0 Q ) ( C)定值 电阻 R ， ( 1 5 0 0 Q) ( D)滑动 变 阻器 R( 0 2 O Q) ( E )电源 E( 电动 势约 为 1 2 V， 内阻不 计 ) ( F )开关 S及 导线若 干 请利用上述所有器材 ， 设计出合理 的、 便于多 次测 量 的实 验 电 路 图 ， 并 将 图 中元 件 标 上 相 应 符

9、 1 号 测量时要求各电表的示数超过其量程的 解析 ： 首 先我们估 算一 下 待测 电阻 的电 流约 为 r 0、， 多 少 ， L E D 灯 正 常 工 作 时 的 电 流 ， 一 一 志一 6 mA， 显然给 的 电流表 G量 程不 够 ， 同时 额定 电压 3 V仅为电压表 V量程的， 不足以提供精确读数 的电压 ， 故不 能采用 常规接法测 电阻 但 电压 表 内阻 1 9、， 已知 ， 它 的满 偏 电流 为 一 一 1 2 mA， 这个 电流 与 I E D灯 的额 定 电流 基本匹配 ， 如 果把 电压表 V 串联在测 量 电路 中， 它 的角色 不 就转 化 为 电流表 了

10、吗?同时电流表 内阻也 已知， 它 的满偏 电压为 I x R 一3 1 0 5 0 0 V一1 5 V， 直接 当电压 表量程当然不够， 但题 中给出了一个定值电阻 R】 ， 如果 将定 值 电阻充 当分 压 电 阻与 电流 表 G 串联 改 装 为 电 压 表 ， 则 改 装 后 的 电 压 表 量 程 为 ， 一 ， ( R +R 、 ) 一3 1 O _ 。 2 0 0 0 V一6 V， 这 个 电压 与 I E D灯 的额定 电压基本 匹配 ， 将 改装后 的电压 表与 L E D 灯 并 联 ， 就 可 以 测 出 I E D灯 两 端 电压 了 ， 问题 便 迎 刃 而 解 同

11、时 注 意 滑 动 变 阻 器 的 最 大 阻 值 比待 测 电 阻小 很 多 ， 所 以 只 能 采 用 分 压 式 电 路 实 验 电路 图 如 图 1所 示 ， 由 于 改 装 后 的 电压 表 相 对 于 待 测 电 阻 而 言 不 图 1 能 看 为 理想 表 ， 故必 须 考 虑 改 装 后 的 电压 表 的 分 流 ， 则待测 L E D灯正常工作时的电阻为 R L 一 垦 一 J R v 其 中 、 u分 别 为 L E D灯 正 常 工作 时 电流 表 G 和 电压 表 V 的示 数 可以估算一下 L E D灯正常工作时 电流表 G 和 电压 表 V 的示数 当 U 一 3

12、V 时 ， 一 6 mA， 电 流 表 G 的 示 数为 I 一 一 5 mA_ ( 电 流 表 G2 0 0 0 R ，+尺 Q 。 半 偏 ) 电压表 V 的示 数为 U 一 ( j + ， L)Rv一 7 5 mA 1 0 00 Q 一 7 5 V ( 电压表 V超过 半偏 ) 显然 完全 满 足题 中 “ 测 量 时要 求 各 电 表 的 示 数超过其量程的” 的要求 可能 读 者 会 提 出 疑 问 ： ( 1 )能 否 将 定 值 电 阻 R 。充 当分 流 电阻 与 电流 表 G 并 联 改 装 为 电 流 表 A， 再 将 电流 表 A 与 L E D 灯 串联 ?答 案 是

13、否 定 的 因为如 果这 样连 接 ， 改 装后 的 电流表 A 的量 程 为 + = = = 4 mA， 此 电流 小 于 I E D灯 正 常 工 作 时的 电流 ， 电流表 A量 程仍 不够 ( 2 )能 否 将 L E D 灯 与 电压表 V 串联 后 再 与 改 装 后 的 电 压 表 并 联 ? 答 案 也 是 否定 的 因 为 如果 这 样 连 接 ， 如 图 2所 示 。 当 I E D灯 图 2 正 常工 作时 ， U， 一3 V， I 一6 mA， 电压 表 V 的 示 数 U J L Rv 一 6 IT I A 1 0 0 0 Q一 6 V， 则 U+ U， = = ：

14、9 V， 超 过 了改装 后 的电压 表量 程 如 果将 本题 的定 值 电 阻 的 阻值 改 为 3 5 0 0 Q， 则 改装后 的电压 表量 程为 U_ 一 ( R +R ) 31 0 。 4 0 0 0 V一 1 2 V， 这样 就 必须 采 用 如 图 2所 示 的 连 接 方 式 ， 且 待测 I E D灯正 常工 作 时的 电阻 为 RI = = ， R 、 ， 其中 J 、 分别为 I E D灯正 常工作时电流表 G和 电压 表 V 的示数 点评 ： ( 1 )本题给出的电流表 和 电压表相对 于待 测 电阻而言都 不是理想 表 ， 且 电流表量 程不够 、 电压 表量程过 大

15、 ， 故不 能采用 常规接 法测 电阻 由于两 表 内阻都 已知 ， 故可 以转移 电表 的功能 ， 转换 电表 的角 色 ， 采用非常规接法测 电阻 ， 从而使问题顺利解决 ( 2 )设 计 电路 时 ， 电表 选择 应 注 意 3个 方 面 ： 安全 性 ， 要求 量 程 不 能 太小 ， 电 表正 、 负接 线 柱 不反 接 ； 精 确 性 ， 要 求 量 程不 能太 大 ， 读 数 一 般 要超过量程的， 最好能达到半偏以上； 若电表 量程不够 ， 可利用 已知 内阻的 电表和定值 电阻 串 联 或并 联 进行 改装 ( 3 )控制 电路 选 择方 法 以小 控 大 用 分 压 ， 相 VO1 3 6 NO 3 ( 2 01 5) 物 理 教 师 PH YSI CS 1 r EA C H ER 第 3 6 卷第 3 期 2 01 5芷 差无 几用 限流 ， 即 当滑动 变 阻 器 的阻 值较 小 时 ， 常 采用 分压 式 接法 ； 当滑 动 变 阻 器 的阻 值 与 负 载 相 差不 大时 ， 常采 用 限流 式接 法 另 外 滑动 变 阻器 必 须接 为 分压 式 的情 况 主要 有 3种 ： 电压 要求 从 零开始调节， 如“ 描绘 小灯 泡的伏安特性 曲线” 实 验 ； 滑 动 变 阻 器 阻 值 太 小 ， 不 能 起 到 限 流