1、第十一章 电路及其应用电学实验的基本问题一、仪器的读数及改装【典例】小明在实验室测量某金属丝的电阻率时,经分析需要一个量程为6 V的电压表与一个量程为0.6 A的电流表,但实验室为其提供的器材有两个满偏电流为Ig=3 mA、内阻为Rg=120 的电流表,两个最大阻值为9 999.9 的电阻箱。现用以上器材改装成满足上述要求的电压表和电流表,要得到量程为6 V的电压表需将_联的电阻箱调到_,要得到量程为0.6 A的电流表需将_联的电阻箱调到_。【解析】要将提供的电流表改装成量程为6 V的电压表,应串联一个电阻,设应串联电阻的阻值为R1,则Ug=IgRg=310-3120 V=0.36 V,=U-
2、Ug=6 V-0.36 V=5.64 V,根据串联电路中的电压分配关系可得R1=Rg=120 =1 880 ,即应串联一个1 880 的电阻,故串联的电阻箱应调到1 880 。要将提供的电流表改装成量程为0.6 A的电流表,应并联一个电阻,设应并联电阻的阻值为R2,则=I-Ig=0.6 A-310-3 A=0.597 A,根据并联电路中的电流分配关系可得R2=Rg=120 =0.6 ,即应并联一个0.6 的电阻,故并联的电阻箱应调到0.6 。答案:串1 880并0.6【方法技巧】1.两种电表的读数方法:电流表电压表符号参数量程:00.6 A,03 A内阻:小于1 量程:03 V,015 V内阻
3、:3 k,15 k读数方法视线垂直于刻度盘表面,一般都需估读,3 A量程估读到最小分度的,0.6 A量程的估读到最小分度的视线垂直于刻度盘表面,一般都需估读,3 V量程估读到最小分度的,15 V量程的估读到最小分度的2.电表的改装:项目小量程电流表G改装成大量程电压表V小量程电流表G改装成大量程电流表A电路结构R的作用分压分流扩大量程的计算U=Ig(R+Rg)R=-RgIgRg=(I-Ig)RR=Rg电表的总内阻RV=Rg+RRA=使用并联在被测电路中,“+”接线柱接电势较高的一端串联在被测支路中,电流从“+”接线柱流入【素养训练】1.如图甲所示为某次测量时电压表的刻度盘的情形,若当时使用的是
4、该表的03 V量程,那么电压表读数为_V,若当时使用的是该表的015 V量程,那么电压表读数应为_V;如图乙所示的电阻箱的读数为_。【解析】03 V量程最小刻度是0.1 V,要向下估读一位,读1.15 V(由于最后一位是估读的,有偶然误差,读成1.141.16 V都算正确)。015 V量程最小刻度为0.5 V,只要求读到0.1 V这一位,所以读5.7 V(5.65.8 V都算正确)。图乙中的电阻箱有6个旋钮,每个旋钮上方都标有倍率,将每个旋钮上指针所指的数值(都为整数)乘以各自的倍率,从最高位依次往下读,即可得到电阻箱的读数为84 580.2 。答案:1.155.784 580.22.用螺旋测
5、微器测圆柱体的直径时,示数如图甲所示,此示数为_mm。用游标为50分度的卡尺(测量值可准确到0.02 mm)测定某圆柱的直径时,卡尺上的示数如图乙所示,可读出圆柱的直径为_mm。【解析】螺旋测微器读数时,首先要明确其精确度为0.01 mm,读取固定刻度上的数值时,要看半毫米刻度线是否露出;游标卡尺读数时应注意精确度、单位,读法为主尺读数加游标尺读数。螺旋测微器读数为(8+11.60.01) mm=8.116 mm。游标卡尺读数为(42+60.02) mm=42.12 mm。答案:8.11642.12二、测量电路与控制电路的选择与设计【典例】有一个电阻Rx,其阻值大约是10 ,请选择适当的器材,
6、以便测量其阻值。可供选择的电路如图。可供选择的器材是:A.电动势4.5 V、内阻不计的电源EB.量程为15 V、内阻10 k的电压表V1C.量程为3 V、内阻6 k的电压表V2D.量程为300 mA、内阻4 的电流表A1E.量程为5 A、内阻2 的电流表A2F.最大阻值20 、额定电流1.5 A的滑动变阻器R1G.最大阻值500 、额定电流0.5 A的滑动变阻器R2H.开关和若干根导线。则选用的电路是_(选填“甲”或“乙”),选用的器材是_(填器材的字母代号)。【解析】Rx的阻值大约为10 ,与电流表内阻接近,因此用电流表外接法,同时Rx的阻值小于滑动变阻器的总阻值,因而采用限流接法,故选用甲
7、电路;电源电动势E=4.5 V,E=Im(Rx+RA),Im= A=0.321 A=321 mA或Im= A=0.375 A=375 mA,电流表选D。U=ImRx=0.32110 V=3.21 V,因而电压表选C,变阻器R2最大值为500 ,与Rx偏差太大,因此变阻器选F。答案:甲A、C、D、F、H【方法技巧】1.测量电路:(1)电流表的内接法和外接法的比较。(2)两种电路的选择。阻值比较法:先将待测电阻的估计值与电压表、电流表内阻进行比较,若Rx较小,宜采用电流表外接法;若Rx较大,宜采用电流表内接法。简单概括为“大内偏大、小外偏小”。临界值计算法:Rx时,用电流表内接法。实验试探法:按图
8、所示接好电路,让电压表一根接线柱P先后与a、b处接触一下,如果电压表的示数有较大的变化,而电流表的示数变化不大,则可采用电流表外接法;如果电流表的示数有较大的变化,而电压表的示数变化不大,则可采用电流表内接法。2.控制电路:(1)滑动变阻器的限流式接法和分压式接法。(2)必须选用分压式的“3种情况”。若采用限流式接法不能控制电流满足实验要求,即若滑动变阻器阻值调到最大时,待测电阻上的电流(或电压)仍超过电流表(或电压表)的量程,或超过待测电阻的额定电流(或电压),则必须选用分压式接法。若待测电阻的阻值比滑动变阻器总电阻大得多,以致在限流电路中,滑动变阻器的滑片从一端滑到另一端时,待测电阻上的电
9、流或电压变化不明显,此时,应改用分压式接法。若实验中要求电压从零开始调节,则必须采用分压式接法。【素养训练】为了测量某待测电阻Rx的阻值(约为30 ),有以下一些器材可供选择。电流表A1(量程050 mA,内阻约10 );电流表A2(量程03 A,内阻约0.12 );电压表V1(量程03 V,内阻很大);电压表V2(量程015 V,内阻很大);电源E(电动势约为3 V,内阻约为0.2 );定值电阻R(20 ,允许最大电流1.0 A);滑动变阻器R1(010 ,允许最大电流2.0 A);滑动变阻器R2(01 k,允许最大电流0.5 A);单刀单掷开关S一个,导线若干。(1)电流表应选_,电压表应
10、选_,滑动变阻器应选_。(填字母代号)(2)请在虚线框内画出测量电阻Rx的实验电路图。(要求所测量范围尽可能大)(3)某次测量中,电压表示数为U时,电流表示数为I,则计算待测电阻阻值的表达式为Rx=_。【解析】(1)首先选取唯一性器材:电源E(电动势约为3 V,内阻约为0.2 ),定值电阻R(20 ,允许最大电流1.0 A),单刀单掷开关S,导线。电源电动势约为3 V,所以电压表选择V1(量程03 V,内阻很大);待测电阻Rx的阻值约为30 ,流过Rx的最大电流为=0.1 A=100 mA,如果电流表选择A2(量程03 A,内阻约0.12 ),指针偏转很小,测量不准确,所以只能选择A1(量程0
11、50 mA,内阻约10 );滑动变阻器R2的全值电阻太大,操作不便,所以滑动变阻器应选R1(010 ,允许最大电流2.0 A)。(2)因为实验要求所测量范围尽可能大,所以滑动变阻器应采用分压接法;因为待测电阻Rx的阻值远小于电压表内阻,所以电流表采用外接法;为了使流过电流表的电流不超过其最大量程,即50 mA,应给待测电阻串联一个定值电阻R,起保护作用。实验原理图如图所示。(3)根据欧姆定律可得Rx=-R。答案:(1)A1V1R1(2)见解析图(3)-R三、多用电表检测电路故障的分析方法【典例】如图是某同学连接的实验实物图,合上开关S后,发现灯A、B都不亮。他采用下列两种方法检查故障:(1)用
12、多用电表的直流电压挡进行检查:那么选择开关应置于下列量程的_挡。(用字母序号表示)A.2.5 VB.10 VC.50 VD.250 V在测试a、b间直流电压时,红表笔应接触_(选填“a”或“b”)。该同学测试结果如表所示,根据测试结果,可以判定故障是_(假设只有下列中的某一项有故障)。测试点电压表示数a、b有示数c、b有示数c、d无示数d、f有示数A.灯A断路B.灯B短路C.c、d段断路D.d、f段断路(2)用欧姆挡检查:测试前,应将开关S_(选填“断开”或“闭合”)。测量结果如表所示,由此可以断定故障是()测试点表头指针示数c、d有示数e、f有示数d、e无穷大A.灯A断路B.灯B断路C.灯A
13、、B都断路D.d、e间导线断路【解析】(1)用多用电表的直流电压挡进行测量时,实质上是用电压表测量,而电压表内阻很大,若并联在断路处(设有一处发生断路)时,电路接通,电压表示数应为电源的电动势,并联在未断路处,示数为零。因此,用多用电表的直流电压挡进行检查电路时,电压表的量程必须大于电源的电动势,为了使示数明显,选择量程不宜过大,而电源的电动势约为6 V,故选10 V量程即可。测试时红表笔应接电势高的a点。因合上开关S后,A、B灯都不亮,又只有某一项有故障,所以只发生断路的故障。根据测试结果,a、b间有示数,说明a电源b完好;c、b间有示数,说明ca电源b完好;c、d间无示数,说明c灯Ad间完
14、好;d、f有示数,说明dca电源bf完好。综上分析应是d、f段断路。(2)用欧姆挡检查时,测试前应首先将开关S断开。根据测试结果,接c、d时有示数,说明不是灯A断路;接e、f时有示数,说明也不是灯B断路;接d、e间时电阻无穷大,可以断定是d、e间导线断路。答案:(1)BaD(2)断开D【方法技巧】1.用电压表检查故障:(1)断路故障判断:用电压表与电源并联,若有示数,再逐段与电路并联,若电压表指针偏转,则说明该段电路中有断点。(2)短路故障判断:用电压表与电源并联,若有示数,再逐段与电路并联,若电压表示数为零,则说明该段电路被短路。2.用欧姆表检查故障:用欧姆表检查故障,一定要注意将待测部分与
15、电路断开。若测得某段电路的电阻为零,说明该部分短路;若测得某段电路的电阻无穷大,说明该部分断路。【素养训练】在如图甲所示的电路中,四节干电池串联,小灯泡A、B的规格均为“3.8 V,0.3 A”,合上开关S后,无论怎样移动滑动片,A、B灯都不亮。(1)用多用电表的直流电压挡检查故障。选择开关置于下列量程的_挡较为合适(用字母序号表示);A.2.5 VB.10 VC.50 VD.250 V测得c、d间电压约为5.8 V,e、f间电压为0,则故障是_。A.A灯丝断开B.B灯丝断开C.d、e间连线断开D.B灯被短路(2)接着换用欧姆表的“1”挡测电阻,欧姆表经过欧姆调零。测试前,一定要将电路中的开关
16、S_。测c、d间和e、f间电阻时,某次测试结果如图乙所示,读数为_,此时测量的是_间电阻。根据小灯泡的规格计算出的电阻为_,它不等于测量值,原因是:_。【解析】(1)因电源为四节干电池,故电动势E=6 V,则应选电压表10 V量程挡较合适;因c、d间电压为5.8 V,而e、f间电压为零,故应为A灯丝断开,B灯丝良好。(2)用欧姆表测电路中电阻的阻值时,一定要将电路断开测量;由乙图读数知电阻阻值为6 ,应为灯泡B的阻值,即测量的为e、f间电阻;由R=得R=12.7 ,与欧姆表测得阻值相差较大,是因为欧姆表测得的电阻是未通电工作时的电阻,温度较低,电阻率偏小,阻值偏小。答案:(1)BA(2)断开6e、f12.7欧姆表测量时灯泡未工作,灯泡温度低,电阻小
