《（三维设计）2016年高考物理一轮（广东专版+习题课件+高考题库+考点通关）第八章 恒定电流 热点专题课(四) 电学实验设计题的解答思路与方法》由会员分享，可在线阅读，更多相关《（三维设计）2016年高考物理一轮（广东专版+习题课件+高考题库+考点通关）第八章 恒定电流 热点专题课(四) 电学实验设计题的解答思路与方法（54页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、热点专题课 ( 四 ) 电学实验设计题的解答思路与方法 电学实验设计题能有效地考查学生的实验技能和创造性思维能力，在高考中的考查频率很高。不少学生面对这类题感到无从下手。实际上，只要做到 “ 三个明确 ”“ 两个选择 ” ，问 题便可迎刃而解。 一、明确题目的要求 解答一道电学实验设计题，首先要认真审清题意，看清题目的要求。即要看清题目要求测定什么物理量，验证、探究什么物理规律，或者要求设计达到何种标准的电路等。对实验的目的要求明确了，才能保证解题思路正确、明朗，方法对头。 二、明确实验设计的原理 测量电路、控制电路、实验仪器的选择，实验方法、步骤的确定，数据处理、误差分析等问题，都是从实验原
2、理派生出来的，只有明确实验原理，其他问题才可得以解决。如果设计测定型实验，应弄清待测物理量可通过哪些规律、公式求得，与哪些物理量有直接联系， 可用哪些物理量定量地表示，用何种方法测定相关量，进而得出待求量。如果设计验证型实验，应弄清在相应的物理现象中，何种定量关系成立，才能使待验证的结论成立。对于设计符合一定标准的电路问题，则应根据实验的要求和相关物理规律，器材的规格、性能等，合理选择、连接电路。 三、明确设计电路的原则 设计电路一般应遵循 “ 安全性 ” 原则、 “ 精确性、方便性 ” 原则，兼顾 “ 运用仪器少，耗电少 ” 等三条原则。 ( 1) 安全性原则 选用仪器组成电路，首先要保证实
3、验正常进行。例如通过电流表的电流和加在电压表上的电压均不得超过其量程，滑动变阻器、被测电阻不得超过其额定电流 ( 额定功率 ) 等，使实验安全进行。 ( 2) 精确性、方便性原则 “ 精确 ” 是指选用仪器组成实验电路时要尽可能减小测量误差，提高精确度。例如所用电流表、电压表的指针应有较大的偏转，一般应使指针偏转在满刻度的 1/3 以上，以减小因读数引起的偶然误差。 “ 方便 ” 是指实验中便于调节控制，便于读数。例如应根据电路可能出现的电流、电压范围选择滑动变阻器。对大阻值的滑动变阻器，如果滑片稍有移动就使电路中的电流、电压有很大变化，则不宜采用。对于滑动变阻器，还要权衡用分压式电路还是限流
4、式电路。对于什么条件下用分压式电路，什么条件下用限流式电路，在下面的 “ 选择控制电路 ” 中有详细讲述。 ( 3) 运用仪器少，耗电少原则 在达到实验目的，各项指标均符合要求的前提下，还应注意运用的仪器尽量少和节约电能。例如控制电路有限流式与分压式两种调节电路，若这两种调节电路均能满足要求，从消耗功率小，节约 电能的角度，则应选用限流式电路。 四、选择测量电路 1 用伏安法测电阻或用电器的电功率时电流表内接或外接的选择 ( 1) 若被测电阻或用电器电阻为大电阻，应选用 “ 电流表内接法 ” ；若被测电阻或用电器电阻为小电阻，应选用 “ 电流表外接法 ” 。当被 测电阻 被测电阻 (2) 若已
5、知电流表内阻，而不知电压表内阻，应采用 “ 电流表内接法 ” ；若已知电压表内阻，而不知电流表内阻，应采用 “ 电流表外接法 ” 。若电流表内阻、电压表内阻均为已知，采用内接、外接均可。实验中读出电表的示数后，根据已知电表的内阻进行数据处理，可以消除电表内阻影响造成的系统误差。若不定量计算由电表内阻影响造成的系统误差，则应按 (1) 确定连接方式。 典例 1 图 4 1 甲、乙是两组同样的实验器材实 物图，用来测量待测电阻 R 的阻值，每组器材中包括：电池、滑动变阻器、电压表、电流表、待测电阻 R 、开关，若干导线 ( 图中未标出 ) 。 图 4 1 ( 1) 如果待测电阻 R 的阻值比电压表
6、的内阻不是小很多，但待测电阻 R 的阻值比电流表的内阻大很多，试在图 4 1 甲中连线，使之成为测量电路；如果待测电阻 R 的阻值比电流表的内阻不是大很多，但待测电阻 R 的阻值比电压表的内阻小很多，试在图 4 1 乙中连线，使之成为测量电路。 ( 2) 如果已知上述电压表的内阻为 A，要求尽可能多测几组数据，对图 4 1 甲和图乙连成的测量电路，分别写出计算待测电阻的表达式 ( 用测得的量和给出的电表内阻来表示 ) 。 解析 用伏安法测电阻是一种基本测量方法，其原理是欧姆定律。为了减小测量的系统误差，要注意电流表内接法和外接法的选择。 图 4 2 (1) 当待测电阻 R 的阻值比电流表的内阻
7、大很多时，应采用电流表内接法，实物连接如图 4 2 甲所示。滑动变阻器应采用分压式接法，以增加可调范围，多测几组 I 、 U 值，从而得出电阻的多个测量值，再求出平均值，以减小偶然误差。 当待测电阻 R 的阻值比电压表的内阻小很多时，应采用电流表外接法，实物连接如图乙所示。滑动变阻器也采用分压式接法。 (2) 用图甲测量时， R U 用图乙测量时， R 答案 见解析 2 用伏安法测电表内阻时电路的选择 ( 1) 测量方法 如图 4 3 所示，用小量程电压表测出电流表两端的电压U ，读出电流表的示数 I ，则电流表的内阻为 I。 图 4 3 如图 4 4 所示，用小量程的电流表测出电压表中通过的
8、电 流 I ，读出电压表的示数 U ，则电压表的内阻 I。 图 4 4 ( 2) 仪器选择 用电流表的满偏电流乘以内阻确定电压表的量程。若没有合适的电压表，可采用已知内阻的电流表代替 ( 安安法 ) 或采用定值电阻乘以通过的电流计算出电压。 用电压表的量程除以内阻确定电流表的量程。若没有合适的电流表，可采用已知内阻的电压表代替 ( 伏伏法 ) 或采用定值电阻分流确定通过电压表的电流。 典例 2 某电流表的内阻在 之间，现要测量其内阻，可选用的器材如下： A 待测电流表 量程 ) B 电压表 量程 3 V ，内阻约 2 k ) C 滑动变阻器 最大电阻 10 ) D 定值电阻 阻值 5 ) E
9、电源 E ( 电动势 4 V) F 开关 S 及导线若干 ( 1) 在虚线框中画出实验电路图； ( 2) 若测得电压表 ，电流表 ，则电流表 _ 。 解析 本题必须将一个阻值为 5 的定值电阻 1串联，再接到电压表 满足实 验要求；电压表 V 小于电源电动势 4 V ， 可在电路中接入滑动变阻器进行保护；滑动变阻器在本实验中采用分压与限流的连接方式均符合要求。故本题可设计成如图 4 5所示电路图；电流表 I 图 4 5 答案 ( 1) 如图 4 5 所示 ( 2) R 2 3 用伏安法测电源电动势和内阻，电流表两种接法的选择 用伏安法测电源电动势和内阻有如图 4 6 甲、乙所示两种接法。根据闭
10、合电路的欧姆定律列方程分析求解，可得下面的结论： 图 4 6 若考虑电压表内阻 流表内阻 图 4 6甲接法测量时有 r 测 r ) E 测 ( r ) 可见内阻的测量值 r 测 小于真实值 r ，绝对误差为 | r | r r ) 相对误差为 | r | / r r / ( r ) 电动势的测量值 E 测 小于真实值 E ，绝对误差为 | E | E ( r ) 相对误差为 | E | / E r / ( r ) 从以上分析可以看出，用图 4 6 甲电路测量，电动势与内阻的测量值均小于真实值，相对误差的大小取决于电压表的内阻，与电流表的内阻无关。 对于用图 4 6 乙电路测量，作类似分析可知，
11、 r 测 r ，E 测 E 。可见内阻的测量值偏大，绝对误差为 | r | r 测 r 对误差为 | r | / r r 。可见用图乙电路测量，电动势的测量值与真实值相同，不产生系统误差。内阻的测量值偏大，其大小取决于电流表的内阻 以： ( 1) 若电源内阻较小 ( 与电流表的内阻相近 ) 应选用图甲电路； 若电源内阻很大 ( 与电压表的内阻相近 ) 应选用图乙电路。 应该指出的是，在中学物理实验中，一般是测量干电池的电动势和内阻。若用图乙电路测量，虽然电动势不产生系统误差，但电流表内阻 r 相差不大，所以测内阻的相对误差会很大。用图甲电路测量，虽然电动势和内阻都有相对误差，但 r 的条件很易
12、得到满足，电动势和内阻的相对误差都很小，所以在中学物理实验中，一般都采用图甲电路测量干电池的电动势和内阻。 ( 2) 若已知电压表内阻，而不知电流表内阻，应采用图甲电路，以消除 ( 3) 若已知电流表内阻，而不知电压表内阻，应采用图乙电路，以消除 ( 4) 电流表内阻、电压表内阻均为已知，原则上甲、乙两种接法均可用，但应注意消除 不定量考虑电表内阻的影响，则应按 ( 1) 选择接法。 典例 3 在做 “ 测干电池的电动势和内阻 ” 的实验中，备有下列器材供选用： A 干电池一节 ( 电动势约为 ) B 直流电流表 ( 量程 0 3 A,0 挡内阻为 ，3 A 挡内阻为 ) C 直流电压表 (
13、量程 0 3 V 15 V ,3 V 挡内阻为 5 k ， 15 5 k ) D 滑动变阻器 ( 阻值范围 0 15 ，允许最大电流为 1 A) E 滑动变阻器 ( 阻值范围 0 1 000 ，允许最大电流为 ) F 电键 G 导线若干 H 电池夹 图 4 7 (1) 将选定的器材按实验要求的电路 ( 系统误差较小 ) ，在如图 4 7 所示的实物图上连线。 (2) 根据实验记录，画出的 U I 图象如图 4 8 所示，可知待测电池的内阻为 _ _ 。 图 4 8 (3) 按本实验要求的电路测出的 E 测 _ _ E 真 ， r 测_ r 真 。 ( 填 “ 大于 ”“ 小于 ” 或 “ 等于 ” ) 解析 ( 1) 连接图如图 4 9 所示。此问涉及三点： 仪器的选择，应选 A 、 B(0 ) 、 C( 0 3 V) 、 D 、 F 、 G 、 H 。 电路设计，要求系统误差较小，因干电池的内阻很小，与直流电流表 ( 挡 ) 的内阻相近，应采用电流表外接法 ( 相对于电源而言 ) 。 连接实物图，要按设计的电路顺序连线。 图 4 9 ( 2) 将图线延长知 E 1. 5 V ，与横轴的交点电流 I ， r 1 。 ( 3) 按本实验要求的电路测出的
