例談如何進行電學實驗的電路設計

吳 敏

(常州市第二中學,江蘇常州 213003)

電學實驗中的電路的設計一直是高考的一個熱點,也是高中學生學習的一個難點,設計的思路是怎樣一步步呈現的呢?我們先來分析一下高中物理選修3-1中“測電池的電動勢和內阻”驗電路圖的設計由來.

(1)明確測量對象:電池(圖1).

(2)測量對象必須對外供電(圖2).

圖1

圖2

(3)可以列出的方程E=U+Ir,分析可得U可由電壓表測量,I可由電流表測量;同時必須至少得到兩個方程組E=U1+I1r,E=U2+I2r才能解出 E、r,所以電阻得調整為可調電阻即用滑動變阻器或電阻箱(圖3).

圖3

圖4

(4)得到設計電路圖(圖4).

從測量電池的電動勢和內阻的實驗,我們可以體會到一個電學實驗電路圖的設計過程是一個層層剖析、不斷調整、逐步完善的過程.下面我們通過例子來體驗這種設計過程,總結出電路設計的一般方法.

例1.測量電源B的電動勢E及內阻r(E約為6 V,r約為1.5 Ω).可選用的器材如下:量程為3 V的電壓表V,量程為0.6 A的電流表A,固定電阻R=8.5 Ω;滑動變阻器 R′(0-10 Ω);電鍵 S,導線若干.

(1)畫出實驗電路圖,要求實驗結果盡可能精確 .

(2)實驗中,當電流表的讀數為 I1時,電壓表的讀數為U1;當電流表的讀數為I2時,電壓表的讀數為 U2,則可求出E=________,r=________(用 I1、U1、I2、U2及 R 表示).

分析過程:

(1)測量電源的電動勢E及內阻r,我們掌握的基本電路圖是什么?

(2)本題中已經有了電壓表、電流表、滑動變阻器,為什么還提供了一只8.5 Ω的定值電阻?

(3)觀察題中各元件的參數,發現路端電壓超出了電壓表量程,嘗試著對原有的電路圖進行改進.

(4)深入引導學生分析定值電阻可能放置的位置,分析其是否合理.

設計解答:(1)測電源電動勢和內阻的基本電路圖(圖4).

(2)分析討論本題中給定元件的參量,發現電壓表的量程不符合要求,嘗試利用定值電阻8.5 Ω對電路進行改進,思考這樣兩個問題:若定值電阻和電壓表串聯是否合理?若定值電阻串聯在電流表所在的支路中是否合理?不難得出正確電路(圖5).

從例1可以發現設計電路是不能脫離平時學過的基本實驗電路圖的,分析具體的問題,尋找和基本電路的差異,從而找到突破口,對原有的電路圖進行不斷的調整和完善.

例2.為描繪6 V、3 W 的小燈泡的伏安特性曲線,并測定小燈泡的額定功率.有下列實驗器材:

A.電壓表(0-3 V,內阻 3 kΩ);

B.電流表(0-0.6 A,內阻 3 Ω);

C.定值電阻R=6 kΩ;

D.變阻器 R′(20 Ω,2 A);

E.電源(電動勢約9 V);

F.開關及導線.

(1)請設計電路圖.

(2)在測定小燈泡的額定功率時,電壓表的示數為_______V.

圖5

分析過程同例1.

設計解答:

(1)描繪小燈泡的伏安特性曲線基本電路圖(圖6).

(2)分析給定元件的參數,發現電壓表量程不夠.

(3)定值電阻R=6 kΩ和電壓表串聯達到擴大量程的作用,得出最終的電路圖(圖 7).

圖6

圖7

(4)在測定小燈泡的額定功率時,電壓表的示數為2 V.

例3.電壓表量程為3 V,內阻約 3 kΩ,電流表的量程為1 mA,滑動變阻器的最大阻值為20 Ω,電源電動勢約3 V.請設計一個盡可能精確測量電壓表內阻的電路圖.

分析過程:

(1)任何一個電路都由兩部分組成:電源電路(控制電路)和測量電路.

(2)本題中如何提供一個可以獲得較大電壓調節范圍的電源電路.

(3)測量電路中被測對象為電壓表.自然得把電壓表連接在測量電路中,分析不難能得到電壓表內阻上的電壓能直接讀出.

(4)如何知道流過電壓表的電流呢?

設計解答:

(1)電源電路(控制電路):滑動變阻器分壓式接法(圖8).

圖8

圖9

(2)電壓表是測量對象,自然得連接在測量電路中(圖9).

(3)電流表串聯在測量電路中,測定流過電壓表的電流(圖10).

圖10

(4)進一步估算分析此電路的可行性.當電壓表的指針滿偏時,流過的電流計算可得1 mA,即電流表指針也滿偏.此電路可以在常態下工作.

從以上幾個例子可以發現電路的設計首先畫出基本電路圖,然后不斷調整、完善,最后得到符合要求的電路設計圖. (收稿日期:2011-05-04)