1、专题 电学设计性实验一、设计性实验的解题思路与方法1.明确实验目的认真审清题意,看清题目的要求,即审题时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。2.明确实验原理解决设计性实验题的关键在于选择实验原理。如果实验需要测定某些电学量,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。3.正确地选择实验电路(1)控制电路的选择滑动变阻器选用限流式接法或分压式接法的依据:负载电阻两端的电压要求变化范围较大,且从零开始连续可调,应选分压电路。若负载电阻的阻值Rx远大于滑动变阻器总
2、阻值R,应选分压电路。若负载电阻的阻值Rx小于滑动变阻器总阻值R或相差不多,且没有要求电压从零可调,应选限流电路。两种电路均可时,限流电路优先,因为限流电路消耗的总功率小。特殊问题要具体问题具体分析。(2)测量电路的选择对伏安法测电阻,应根据待测电阻的大小选择电流表的不同接法。阻值判断法当RVRx时,采用电流表“外接法”,如图甲所示;当RxRA时,采用电流表“内接法”,如图乙所示;倍率比较法a.当=,即Rx=时,既可选择电流表内接法,也可选择电流表外接法。b.当 ,即Rx 时,采用电流表外接法;VxRRAxRRVARRVxRRAxRRVARRc.当 时,采用电流表内接法。试触法(如图所示)与
3、比较大小:VxRRAxRRVARRUUIIa.若 ,则选择电流表外接法;b.若 ,则选择电流表内接法。例1 有一额定电压为10 V、额定功率在10 W15 W之间的用电器,小李同学想测定它的额定功率。实验室的工作人员提供了以下实验器材供其选用:A.直流电源E一个(电动势为15 V,内阻不计)B.直流电压表V一个(量程为03 V,内阻为2 k)C.直流电流表A一个(双量程00.6 A3 A,内阻约为20 和4)D.滑动变阻器一个:R阻(规格05、3.8 A)UUIIIIUUE.定值电阻三个:R1=2 k,R2=4 k,R3=6 kF.单刀单掷开关1个,导线若干根(1)小李同学研究以后发现,电压表
4、量程不能满足实验要求。为完成测量,他将电压表进行了改装:在电压表V上串联一个定值电阻,利用分压关系,以满足电压表指针偏转的要求。在三个给定的定值电阻中应选用 。(填写所用器材的符号)(2)改装后的电压表用 表示,选好器材后,他设计了三个实验电路图,如图所示。根据实验的要求,电路 较为合理。(3)若该用电器正常工作时,电流表的指针如图所示,则它的额定功率为 W。(保留两位有效数字)解析(1)用电器的额定电压为10 V,所以电压表的量程至少应为10 V,假设改装后的电压表的量程为10 V,则有=,解得Rx=4.67 k,所以应选用R3,此时改装后的电压表量程为12 V。(2)用电器的电阻值约为R=
5、10。由于滑动变阻器的电阻R阻R,所以滑动变阻器应采用分压式接法。又因为R,故应采用电流表外接法。所以电路B能较准确地完成该实验。(3)由题图可知,电流表的示数为I=1.20 A,所以用电器的功率为P=UI=101.0VURVxURR2UPVA()xRRR20 W=12 W。答案(1)R3(2)B(3)12二、实验方法及数据处理方法的迁移应用1.实验方法的迁移基本的实验方法包括:实验原理的设计方法、实验误差的控制方法和实验数据的处理方法,将基本的实验方法和物理原理合理迁移,可设计出测量不同的物理量、可探究不同问题的实验方案。教材中所学过的物理规律、物理公式中只要含有某一物理量,则该规律、公式就
6、可作为研究或测定该物理量的原理基础而进行相应的实验方法设计。如用伏安法测电阻,R=,也可迁移到测电压表内阻和电流表内阻上去。UI2.缺少电压表、电流表或电表量程不够的处理方法在电学实验中,有时实验器材中有两只电压表没有电流表,有时有两只电流表而没有电压表,遇到这类问题时可将电流表作为电压表用或将电压表作为电流表用,但要注意量程是否合适,必要时需进行改装,扩大量程。3.实验数据处理方法的应用与创新数据探究性实验的主要功能是通过实验提供的数据信息,分析各数据的内在联系,找出数据中所包含的物理规律。常用的数据处理方法(如平均值法、图象法、逐差法、比较法等)和误差分析方法应该掌握。对于用图象法处理实验
7、数据,一定要明确纵轴、横轴所表示的物理量,正确地进行描点连线,然后根据物理规律列出与该图线对应的方程式;若题目不需要利用斜率和截距进行求解(或题目没有给出斜率和截距的大小),可在直线图象中找出两个点的坐标代入方程,组成方程组进行求解。若题目给出了斜率和截距的大小,须将方程化简成y=kx+b的形式求解。例2 待测电阻Rx的阻值约为20,现要测量其阻值,实验室提供器材如下:A.电流表A1(量程150 mA,内阻约为10)B.电流表A2(量程20 mA,内阻r2=30)C.电压表V(量程15 V,内阻约为3 000)D.定值电阻R0=100 E.滑动变阻器R1,最大阻值为5,额定电流为1.0 AF.
8、滑动变阻器R2,最大阻值为5,额定电流为0.5 AG.电源E,电动势为4 V(内阻不计)H.开关S及导线若干(1)为了使电表调节范围较大,测量准确,测量时电表读数不得小于其量程的,请从所给的器材中选择合适的实验器材 (均用器材前对应的序号字母填写);(2)根据你选择的实验器材,请你在虚线框内画出测量Rx的最佳实验电路图并标明元件符号;(3)待测电阻的表达式为Rx=,式中各符号的物理意义为 。解析(1)由于电源电动势为4 V,电压表V的量程为15 V,达不到其量程的13三分之一,故电压表不能使用;可用电流表A2与定值电阻R0串联扩大其电压量程,当做电压表与电流表A1配合使用伏安法测量待测电阻阻值
9、,由于改装的电压表内阻已知,故电流表用外接法,改装的电压表量程为20 mA130=2.6 V;滑动变阻器最大阻值为5,无法起到限流作用,故滑动变阻器采用分压式接法;此时考虑到干路最小电流约为=0.8 A,故滑动变阻器只能选择R1,经过估算当电流表A1满偏时,电流表A2也正好满偏,非常匹配,因此满足电表读数不得小于其量程的三分之一要求。故实验器材选择AB-DEGH。ER 解析(1)由于电源电动势为4 V,电压表V的量程为15 V,达不到其量程的(3)待测电阻Rx=,其中I1、I2分别为电流表A1和A2的示数。答案(1)ABDEGH20212()IRrII(2)如图所示(2)图见解析(3)I1、I
10、2分别为电流表A1和A2的示数20212()IRrII例3 某课题研究小组,选用下列器材测定某型号手机所用锂电池的电动势E和内阻r(电动势约为4 V,内阻在几欧到几十欧之间)A.电压表(量程6 V,内阻约为6.0 k)B.电流表(量程2 mA,内阻约为50)C.电阻箱R(0999.9)D.开关S一只、导线若干(1)某同学从上述器材中选取了电流表和电阻箱测锂电池的电动势和内阻,你认为可行吗?请说明理由:(2)今用上述器材中的电压表和电阻箱测锂电池的电动势和内阻,请在虚线框中画出实验电路图。(3)用(2)中实验电路测得的8组U、R数据,已在-坐标系中描出了各点,如图所示,请在图中作出-图线。根据图线求得E=V,r=。(保留两位有效数字)1U1R1U1R(3)根据-坐标系中描出的各点,画出-的图线,如图所示。1U1R1U1R 解析(1)将电流表、电阻箱串联在锂电池上,估算通过电路的最小电流大于2 mA。故该同学的设计不可行。(2)实验电路图如图所示 根据I=,U=E-Ir推出=+由此可知图线与纵轴的截距为电动势的倒数,斜率为内阻和电动势的比值,ERr1U1ErE1R由此可得出E=3.6 V,r=9.9。答案 见解析
