設計性電學實驗試題賞析

■河南省信陽市新縣高中 付培軍

設計性電學實驗試題賞析

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設計性電學實驗在強調實驗原理理解、誤差分析的基礎上,要求進行電路設計,或轉換角度和條件,進行拓展創新。設計性電學實驗分封閉性實驗和開放性實驗。封閉性實驗是指給定實驗器材,要求同學們完成實驗目標,此時實驗的原理和方法是確定的。開放性實驗是指只有實驗目的,不給實驗器材,要求同學們自行設計,答案多樣。

求解設計性電學實驗試題的思路包括以下五步。

1.設計實驗電路。

(1)確定實驗原理。電路設計是從探索實驗原理開始的,實驗原理既包括實驗所探索的原理和設想,也包括實驗儀器、裝置所應用的科學原理,它是實驗設計的出發點,也是貫穿整個實驗活動的主線。

(2)構想實驗電路。從電路的結構上看,由三部分組成：一是動力源,即電源;二是測量電路,它由被測元件、測量儀器組成;三是控制電路,它由開關、變阻器等控制元件組成。一般需要先確定測量電路,再確定控制電路,最后確定動力源。

2.選擇實驗器材。

實驗器材的選擇應遵循以下原則。

(1)科學性：實驗方案中依據的原理應遵循物理規律,選用的規律要簡明正確,操作程序應具有科學性。

(2)安全性：在實驗方案的實施過程中應確保實驗人員和實驗器材的安全。

(3)精確性：確保實驗誤差在允許誤差的范圍內。選擇儀器時要有利于減少測量誤差,提高實驗的準確性。如一般選內阻較大的電壓表和內阻較小的電流表,且讀數時表頭指針在滿偏的三分之二左右位置;使用歐姆表測量時應使指針在中心刻度附近;數據的處理常采用圖像法等。

(4)節約性：在保證安全可靠的前提下,盡量減小成本和電能消耗。

3.選擇實驗電路。

(1)恰當地選擇電流表內接法和外接法。

(2)恰當地選擇滑動變阻器限流式和分壓式。(本期中的《解讀電學實驗中“三個選擇”》給出了具體的選擇方法,同學們一定要深刻理解并靈活掌握。)

4.連接實物圖。

進行實物圖連接時,一般要先畫好實驗電路原理圖,再從電源的正極開始沿順時針方向將干路需要串聯的元件依次串聯起來,然后連接支路,將需要并聯的元件并聯到電路中。連接完畢,一定要進行仔細檢查。連接電表時應注意量程選用正確;正、負接線柱不要接錯;各導線都應接在接線柱上;在導線中間不要出現交叉等。

5.處理實驗數據。

例1 國標規定自來水在1 5℃時電阻

率應大于1 3Ω·m。為測量1 5℃時自來水的電阻率和電源的電動勢與內阻,某物理興趣小組設計了如圖1所示的實驗電路。其中內徑均勻的圓柱形玻璃管側壁連接一細管,細管上加有閥門K以控制管內自來水的量,玻璃管兩端接有電阻可忽略不計的導電活塞,左活塞固定,右活塞可自由移動。圖中R0為定值電阻,R為電阻箱,A為理想電流表,S為單刀雙擲開關。此外還有游標卡尺和刻度尺供使用。該興趣小組的實驗步驟如下：

圖1

A.用游標卡尺測量玻璃管的內徑d如圖2所示;

圖2

B.向玻璃管內注滿自來水,用刻度尺測量水柱長度,把開關S撥到1位置,記錄電流表示數I;

C.把開關S撥到2位置調電阻箱阻值,使電流表示數也為I,發現電阻箱的阻值如圖3所示;

圖3

D.重復實驗步驟B、C,改變水柱長度讀出電阻箱示數R;

E.把開關S撥到2位置不變,改變電阻箱的示數讀取對應的電流值;

F.斷開開關S,整理好器材。

(1)所測玻璃管的內徑為mm。圖示電阻箱的讀數應為Ω。

(2)以電阻箱示數R為縱軸,用對應水柱長度為橫軸作出一條直線。若直線的斜率為k,則玻璃管內水柱電阻率的表達式為ρ=。

(3)把開關S撥到2位置不變時,采用圖像處理實驗數據,宜繪制出關系圖像,處理較為簡單。

(4)實際的電流表有一定的內阻,在本實驗中它對測量結果的影響分別是：使水柱電阻率的測量值;使電源電動勢的測量值

;使電源內阻的測量值。(選填“偏大”“偏小”或“無影響”)

解析：(1)讀取游標卡尺示數時應先讀主尺1 6mm,再找對齊的刻線1 4,進而得出所測玻璃管的內徑為1 6.7 0mm。電阻箱的讀數為相應的示數與倍率的乘積再相加,即1 8.6Ω。

(3)測量電源的電動勢與內阻時采用的是安阻法,由閉合電路歐姆定律知E=I(r+ R0+R),變形得,因此為處理簡單宜作圖像。

(4)因為采用替代法測量水柱的電阻率,所以水柱的電阻率與電流表的內阻無關。設電流表內阻為RA,由閉合電路歐姆定律知,可見圖像的斜率不變,截距變大,故電流表的內阻對電動勢的測量值無影響,但會使電源內阻的測量值偏大。

點評：本題考查游標卡尺和電阻箱的讀數、用替代法測自來水的電阻率、用安阻法測電源的電動勢與內阻的原理及誤差分析等。同學們在讀數時,要注意有效數字的位數和讀數規則。

例2 要測量電壓表V1的內阻RV,其量程為2V,內阻約為2k Ω。提供的器材有：

電流表A,量程0.6A,內阻約為0.1Ω;

電壓表V2,量程5V,內阻約為5k Ω;

定值電阻R1,阻值為3 0Ω;

定值電阻R2,阻值為3k Ω;

滑動變阻器R3,最大阻值為1 0 0Ω,額定電流為1.5A;

電源E,電動勢為6V,內阻約為0.5Ω;

開關S一個,導線若干。

(1)有人擬將待測電壓表V1和電流表A串聯接入電壓合適的測量電路中,測出電壓表V1的電壓和電流,再計算出RV。該方案實際上不可行,其最主要的原因是。

(2)請選擇合適的器材,設計一個測量電壓表V1內阻RV的實驗電路。要求測量盡量準確,實驗必須在同一電路中,且在不增減元件的條件下完成。試畫出實驗電路圖,并標出所選元件的相應字母代號。

(3)根據(2)設計的電路,電壓表V1內阻RV的表達式為,式中各測量量的物理意義是。

解析：(1)因為電壓表的內阻很大,將待測電壓表V1和電流表A串聯后電路中的電流很小,致使電流表測量不準,所以該方案不可行。

(2)因為待測電壓表V1的內阻與已知電壓表V2的內阻相差約3k Ω,而題中又提供有定值電阻R2,所以可以讓電壓表V1與定值電阻R2串聯后與電壓表V2并聯。又因為滑動變阻器的阻值較小,所以應該選用分壓式。實驗電路如圖4所示。

圖4

點評：本題在課本實驗的基礎上進行創新設計。求解此類問題時,要結合題給條件,將相應的物理知識進行拓展和遷移,原理是實驗的靈魂,它決定著所用儀器、操作方法、要達到的目的等。

跟蹤訓練

為了測量某電池的電動勢E、內阻r和一個電流表的內阻RA(已知電流表內阻與電源內阻差別不大)。某同學設計了如圖5所示的實驗電路,請你完成以下幾個步驟。

(1)用筆畫線代替導線,將如圖6所示的實物連接起來。

圖5

圖6

(2)實驗前,應先將滑動變阻器的滑片P滑到(選填“a”或“b”)端。

(3)合上開關S1,開關S2接1位置,改變滑動變阻器的阻值,記錄幾組電壓表和對應電流表的示數;將開關S2接2位置,改變滑動變阻器的阻值,記錄幾組電壓表和對應電流表的示數。在同一坐標系內分別描點作出對應的U-I圖像如圖7所示。圖中兩直線的縱截距分別為UA、UB,橫截距分別為IA、IB。

圖7

①開關S2接1位置時作出的U-I圖像應是(選填“A”或“B”),測出的電動勢E和內阻r存在系統誤差,原因是。

②由U-I圖像知該電池的電動勢和內阻的真實值E=,r=。

③由U-I圖像知電流表的內阻RA=。

參考答案：(1)實物連接如圖8所示。

圖8

(責任編輯 張 巧)