電學實驗歸類解析

電學實驗在高考中占據著相當重要的地位，廣東省從2004年自主命題以來，每年都有考查。事實上，幾乎所有電學實驗都是以電阻的測量為背景的.所以要解決電學實驗，關鍵在于搞清測電阻的原理.下面對幾種測電阻的原理進行歸類解析，希望能夠對同學們的復習迎考有所幫助.

一、利用“伏安法”測電阻

測金屬的電阻率，描繪小燈泡的伏安特性，其實質都是用“伏安法”測電阻，其原理是部分電路的歐姆定律.這類實驗主要考查以下幾個方面的問題:

1. 電流表內外接法的選擇.

當待測電阻RX遠小于電壓表內阻RV時，應選用外接法;當待測電阻RX遠大于電流表內阻RA時，應選用內接法. 可用“字型”形象記憶:“外”字形如“小”字，外接法的測量結果比真實值偏小，小電阻(相對于電壓表內阻而言)適合于外接法;“內”字遮住兩邊即為“大”字，內接法測量結果比真實值大，大電阻(相對于電流表內阻而言)適合于內接法.

2. 變阻器分壓限流接法的選擇.

滑動變阻器在以下三種情況下必須選擇分壓接法，即:

①要求負載上電壓或電流從零開始連續可調或者變化范圍盡可能大時，須用分壓接法.

②變阻器最大阻值R遠小于負載電阻RX時，此時若采用限流接法，變阻器對電路基本起不到調節作用，須用分壓接法.

③儀表量程不夠時，應采用分壓式接法.

3. 儀表量程的選擇.

儀表量程的選擇首先要考慮安全因素，指針偏轉不得超過儀表量程.其次要考慮誤差因素，當量程都滿足安全條件時，指針偏轉應超過儀表量程的.

4. 電路圖以及實物連線.

畫電路圖和進行實物連線時應注意:①電鍵必須控制全電路;②連線時應遵循先干路后支路的原則;③注意電表的量程和正負極;④導線不能接在滑動變阻器的支架或滑動頭上，不能穿越用電器，不能有交叉線.

例1.(2005年廣東)熱敏電阻是傳感電路中常用的電子元件.現用“伏安法”研究熱敏電阻在不同溫度下的伏安特性曲線，要求特性曲線盡可能完整.已知常溫下待測熱敏電阻的阻值約4~5Ω.熱敏電阻和溫度計插入帶塞的保溫杯中，杯內有一定量的冷水，其它備用的儀表和器具有:盛有熱水的熱水杯(圖中未畫出)、電源(3V、內阻可忽略)、直流電流表(內阻約1Ω)、直流電壓表(內阻約5kΩ)、滑動變阻器(0~20Ω)、開關、導線若干.

(1)在圖1(a)的方框中畫出實驗電路圖，要求測量誤差盡可能小.

(2)根據電路圖，在圖1(b)的實物圖上連線.

解析:熱敏電阻的阻值約是電壓表內阻的，約是電流表內阻的5倍，故熱敏電阻相對于電壓表的內阻來說是一個小電阻，故電流表應采用外接法，很明顯此實驗要求熱敏電阻兩端的電壓調節范圍廣，故滑動變阻器應采用分壓接法，電源電壓為3V，故電壓表應選用3V量程，電流最大值約為0.75A，若選用3A量程，指針偏轉不會超過電流表的，故應選擇0.6A的量程，畫出實驗的電路圖如圖2(a)所示，實物連線如圖2(b)所示.

二、利用“伏伏法”或“安安法”測電阻

某些問題中，因實驗器材不具備(缺電流表或電壓表)，或因實驗條件限制，或因實驗精度不允許而不能用“伏安法”.這時我們就得依據問題的具體條件和要求重新選擇實驗原理，用“伏安法”的替代形式——“伏伏法”“安安法”來設計實驗方案.此方案最關鍵之處是已知內阻的電流表相當于一只電壓表，即I= ;已知內阻的電壓表相當于一只電流表，即U=IRA.

例2.(2004年全國)用以下器材測量一待測電阻RX的阻值(900～1000Ω):電源E，具有一定內阻，電動勢約為9.0V;電壓表V1，量程為1.5V，內阻r1=750Ω;電壓表V2，量程為5V，內阻r2=2500Ω;滑線變阻器R，最大阻值約為100Ω;單刀單擲開關K，導線若干.

(1)測量中要求電壓表的讀數不小于其量程的，試畫出測量電阻RX的一種實驗電路原理圖(原理圖中的元件要用題中相應的英文字母標注).

(2)若電壓表V1的讀數用U1表示，電壓表V2的讀數用U2表示，則由已知量和測得量表示RX的公式為RX=.

解析:此時已知內阻的電壓表可視為電流表，故可用電壓表V1和RX串聯，測出RX的電流，用V2測出V1和RX兩者的電壓和，如圖3所示， 可得待測電阻的阻值為RX===r1.當然，本題還可以用電壓表V1和RX并聯，再和V2串聯，如圖4所示，可得待測電阻的組值為RX==

三、利用“半偏法”測電表的內阻

“半偏法”測電表內阻的原理是利用電表的滿偏電流(或電壓)與半偏電流(或電壓)之間的關系，從而求出電表的內阻.

如圖5所示，可用半偏法測出電流表的內阻，先將R調到最左端，閉合S1，斷開S2，調節R使電流表滿偏，然后保持滑片P位置不變;閉合S2調節(電阻箱)使電流表指到滿刻度的一半，若R >>R0，則有Rg≈R0.此時電阻箱R0的讀數即為電流表的內阻Rg.關于其誤差情況，請同學們自行分析.

如圖6所示，可用半偏法測出電壓表的內阻，先將R調到最右端，R0(電阻箱)調為零，閉合S，調節R使電壓表滿偏，然后保持滑片P位置不變，調節R0使電壓表指到滿刻度的一半，此時電阻箱R0的讀數即為電流表的內阻RV.關于其誤差情況，請同學們自行分析.

四、利用閉合電路的歐姆定律測電阻

多用電表歐姆檔測電阻的原理是閉合電路的歐姆定律，此實驗主要是考查歐姆表測電阻的讀數、原理以及步驟.

例3. 圖7所示為簡單歐姆表原理示意圖，其中電流表的滿偏電流IR=300?滋A，內阻Rg=100?贅，可變電阻R的最大阻值為10k?贅，電池的電動勢E=1.5V，內阻r=0.5?贅，圖中與接線柱A相連的表筆顏色應是 色，按正確使用方法測量電阻RX的阻值時，指針指在刻度盤的正中央，則RX=k?贅.若該歐姆表使用一段時間后，電池電動勢變小，內阻變大，但此表仍能調零，按正確使用方法再測上述RX，其測量結果與原結果相比較(填“變大”、“變小”或“不變”).

解析:歐姆表是電流表改裝的，必須滿足電流的方向“+”進“-”出，所以與A相連的表筆顏色是紅色;當兩表筆短接(即RX=0)時，電流表應調至滿偏電流Ig，設此時歐姆表的內阻為R內，此時有得Ig=，R內==5k?贅;當指針指在刻度盤的正中央時I=，有=，代入數據可得RX=R內=5k?贅;當電池電動勢變小、內阻變大時，歐姆表得重新調零，由于滿偏電流Ig不變，由公式Ig=，歐姆表內阻 R內得調小，待測電阻的測量值是通過電流表的示數體現出來的，由I===，可知當R內變小時，I變小，指針跟原來的位置相比偏左了，歐姆表的示數變大了，故此時RX的測量結果與原結果相比較偏大了.

電池電動勢和內阻的測量也是利用了閉合電路的歐姆定律，其主要方法有伏安法、一箱(電阻箱)一表(電壓表或電流表)法等，這些方法的關鍵在于理解實驗原理以及分析處理數據.

例4.(2009年北京)某同學通過查找資料自己動手制作了一個電池.該同學想測量一下這個電池的電動勢E 和r內電阻，但是從實驗室只借到一個開關、一個電阻箱(最大阻值為9.999?贅，可當標準電阻用) 一只電流表(量程IR=0.6A，內阻rg=0.1?贅)和若干導線.

①請根據測定電動勢E內電阻r的要求，設計圖8中器件的連接方式，畫線把它們連接起來.

②接通開關，逐次改變電阻箱的阻值R，讀出與R對應的電流表的示數I，并作記錄，當電阻箱的阻值時R=2.6?贅，其對應的電流表的示數如圖9所示.處理實驗數據時首先計算出每個電流值I 的倒數;再制作R—坐標圖，如圖10所示，圖中已標注出了(R，)的幾個與測量對應的坐標點，請你將與圖9實驗數據對應的坐標點也標注在圖10中上.

③在圖10上把描繪出的坐標點連成圖線.

④根據圖10描繪出的圖線可得出這個電池的電動勢E=V，內電阻r?贅.

解析:①在本實驗中沒有電壓表，但是可以用電阻箱和電流表串聯充當電壓表來測量電源的路端電壓，所以只需要將電流表和電阻箱串聯接在電源兩端即可.實物圖的連接如圖11所示.

②當電阻為R=2.6?贅時，電流表的示數為0.5A，在坐標軸上所在位置如圖12所示.

③作出各點所成直線如圖12所示.

④由閉合電路歐姆定律有E =I(R+r+rg)，解得:R=E#8226;-(r+rg)，根據R-圖線可知:電源的電動勢等于圖線的斜率，內阻為縱軸負方向的截距減去電流表的內阻.即E=1.5(1.46~1.54)V，內電阻r=0.3(0.25~0.35)?贅.

對于電動勢和內電阻的測量，首先應該根據題設條件判斷出所用方法是“伏安法”還是“一箱一表法”，而對于數據處理，往往采用圖像法.采用圖像法時，橫軸和縱軸所表示的兩變量之間一定應該是線性關系，故只要求出兩變量之間的函數表達式(為一次函數)，我們就可以結合圖像，根據截距和斜率從而求出電動勢和內電阻.

電學實驗試題的設計往往會體現“來源于教材而不拘泥于教材”的原則，很多實驗題起源于課本而有別于課本，只有當學生真正理解了實驗原理和實驗方法，才能靈活運用學過的實驗原理、實驗方法和選擇實驗器材去解決實驗的相關問題.高考物理實驗考查的是實驗的遷移能力、創新能力等，復習備考時應遵從以下步驟:明確目的——嘗試原理——選擇器材——確定步驟——數據處理——得出結論以及誤差分析.只有這樣，才能從根本上提高學生的物理實驗解題能力.

責任編校李平安