電學實驗器材和方法的替代

■江蘇省鹽城市建湖縣第二中學 蘭有勝

在高中電學實驗中,常見的實驗器材和方法的替代主要有以下四個方面的創新。

一、電表量程的改裝替代

當題目給出的電表量程較小,而不能滿足測量要求時,就需要擴大電表的量程,用改裝后的電表來替代原電表進行測量。

例1測量電源的電動勢和內阻,提供的器材如下：A.待測電源(電動勢約為8V、內阻約為2Ω),B.電壓表V(0～3V,內阻約為3kΩ),C.電流表A(0～1A),D.電阻箱R(0～99999.9Ω),E.滑動變阻器(0～20Ω),F.滑動變阻器(0～100Ω),G.開關一個、導線若干。

圖1

(1)采用如圖1所示電路測量電壓表的內阻RV。調節電阻箱R,使電壓表指針滿偏,此時電阻箱示數為R1;再調節電阻箱R,使電壓表指針指在滿刻度的一半處,此時電阻箱示數為R2。

①電壓表內阻RV=____。

②關于上述實驗,下列說法中正確的有____。

A.實驗中電源可使用待測電源

B.閉合開關S前,應將電阻箱阻值調到最小

C.調節電阻箱R使電壓表指針滿偏時,電阻箱的阻值是逐漸增大的

D.實驗中忽略了電源的內阻,會使測量值偏大

(2)若測得電壓表內阻RV=3010Ω,則與之串聯一個R=____Ω的電阻,可將電壓表的量程變為9V。

(3)為測量電源的電動勢和內阻,請用筆畫線代替導線,將如圖2所示實物電路連接完整。實驗中,滑動變阻器應選擇____(選填“E”或“F”),并指出產生實驗誤差的一個原因：____。

分析：本題中是用改裝的電壓表來等效替代大量程的電壓表。求解(1)問時,應考慮到電壓表的內阻較大,相對而言,電源的內阻較小,可忽略不計。另外,求解電路問題應考慮運用閉合電路的歐姆定律列式,并考慮綜合分析實驗的系統誤差問題。(2)問考查的是改裝電表以擴大量程。選擇滑動變阻器應考慮到電表量程及其讀數的精確度。

圖2

答案：(1)①R2-2R1②AD

(2)6020

(3)如圖3所示 E 電壓表的分流、電表的讀數誤差、電表本身的精確度不高等

圖3

二、電流表和電壓表的轉換替代

按常理,電流表和電壓表是分別用來測量電流和電壓的,但有時由于實際需要,可以將電表適當改裝而改變它們的用途,將電流表和電壓表轉換替代使用。

例2某興趣小組要精確測定額定電壓為3V的節能燈正常工作時的電阻,已知該節能燈正常工作時的電阻約為500Ω。實驗室提供的器材有：電流表A(量程0～3mA,內阻RA=15Ω),定值電阻R1=1985Ω,滑動變阻器R(0～10Ω),電壓表V(量程0～12V,內阻RV=1kΩ),蓄電池E(電動勢為12V,內阻r很小),開關一個,導線若干。

(1)要精確測定該節能燈正常工作時的電阻應采用如圖4所示電路圖中的____。

圖4

(2)若電壓表V的示數用U表示,電流表A的示數用I表示,寫出測量節能燈正常工作時的電阻表達式Rx=____(用U、I、R1、RA、RV表示)。當電流I=____mA時,記下電壓表的讀數U并代入表達式,其結果即為節能燈正常工作時的電阻。

分析：要測定該節能燈正常工作時的電阻,需測量節能燈兩端的電壓和通過節能燈的電流。節能燈的額定電壓為3V,題目中所給的電壓表量程過大,測量誤差較大,因此不能用已知的電壓表直接測量節能燈兩端的電壓;節能燈正常工作時的電流大約為6mA,題目中所給的電流表量程較小,因此無法用已知的電流表直接測量通過節能燈的電流。可以將電流表A與定值電阻串聯改裝為電壓表測量電壓,用已知內阻的電壓表代替電流表測量電流。因為滑動變阻器的阻值遠小于節能燈正常工作時的電阻,所以滑動變阻器應采用分壓式接法。

答案：(1)C

三、電源種類的變換替代

電學實驗的電源常用干電池,但有時也會用其他種類的器材加以替代。常見的電源種類的變換替代有“水果電池”替代“干電池”,“多用電表”替代“干電池”等。

例3指針式多用電表歐姆擋的內部電路由直流電源、調零電阻和表頭相串聯而成,現設計一個實驗,測量多用表“×1Ω”擋的內部電源的電動勢和內部總電阻。給定的器材有：待測多用電表,量程為100mA的電流表,最大電阻為20Ω的滑動變阻器,鱷魚夾,開關,導線若干。實驗過程如下：

(1)實驗前將多用電表調至“×1Ω”擋,將紅、黑表筆短接,調節旋鈕,使指針指在____(選填“電阻”或“電流”)的零刻度處。

(2)用鱷魚夾將紅、黑表筆固定在如圖5所示的兩接線柱上,請用筆畫線代替導線將電路連接完整。

(3)調節滑動變阻器,讀出多用電表示數R、毫安表示數I,求出電流倒數記錄在表1中,根據表格數據在圖6的坐標系中描點作圖。

表1

圖6

(4)根據圖像求出多用電表內部電源的電動勢為____V,內部總電阻為____Ω。(結果保留三位有效數字)

(5)電流表存在一定的內阻,這對實驗結果____(選填“有影響”或“無影響”)。

分析：知道歐姆調零的原理,便可以確定(1)問中應該使指針指在電阻的零刻度處。對照課本中測定電池的電動勢和內阻的實驗原理可知,此處可用多用電表替代電池。根據閉合電路的歐姆定律可推導出R=1EI r,結合數學知識即可求出等效電源的電動勢和內阻。因為歐姆表的示數是外電路的總電阻,所以電流表的電阻對實驗結果沒有影響。

答案：(1)電阻

(2)如圖7所示

圖7

(3)如圖8所示

圖8

(4)1.50 15.0

(5)無影響

四、“電阻”測量方法的替代

測量電阻常用歐姆表或“伏安法”,而為了考查同學們的創新能力,有些試題會用“安阻法”“伏阻法”“半偏法”等替代“伏安法”。

例4(2015年高考全國Ⅱ卷)電壓表滿偏時通過該表的電流是半偏時通過該表電流的兩倍。某同學利用這一事實測量電壓表的內阻(半偏法),實驗室提供的器材如下：待測電壓表V(量程3V,內阻約為3000Ω),電阻箱R0(最大阻值為99999.9Ω),滑動變阻器R1(最大阻值100Ω,額定電流2A),電源E(電動勢6V,內阻不計),開關2個,導線若干。

圖9

(1)如圖9所示的虛線框內為該同學設計的測量電壓表內阻的電路圖的一部分,請將電路圖補充完整。

(2)根據設計的電路,寫出實驗步驟：___。

(3)將這種方法測出的電壓表內阻記為RV',與電壓表內阻的真實值RV相比,則RV'____RV(選填“＞”“=”或“＜”),主要理由是：___。

分析：待測電壓表電阻(約3000Ω)遠大于滑動變阻器R1的最大阻值(100Ω),故滑動變阻器R1應采用分壓式接法;待測電壓表的量程為3V,電源的電動勢為6V,由給定的器材分析,應優先考慮分壓式電路接法;考慮到電路的安全性,在閉合開關前,應將變阻器的滑片移動到使分壓部分的電壓最小。使電壓表與電阻箱串聯時認為分壓部分電壓不變,而實際在斷開開關S2時,將會引起電路總電阻增大,使得分壓部分的電壓大于電壓表滿偏時的電壓,即電壓表半偏時,R0的實際電壓大于電壓表半偏電壓,導致RV＜R'V。另外,滑動變阻器的選擇要注意阻值宜適當小些,以減少閉合開關S2引起分壓部分總電壓的變化,從而減少誤差。

答案：(1)如圖10所示。

圖10

(2)①先將R1調到最左端,閉合開關S1、S2,調節R1,使電壓表的指針滿偏;②保證滑動變阻器的位置不變,斷開開關S2,調節電阻箱R0,使電壓表的指針半偏;③讀取電阻箱所示的阻值,此即為測得的電壓表內阻

(3)＞ 斷開開關S2,調節電阻箱R0,使得電壓表指針半偏時,電壓表所在支路電阻增大,分擔的電壓增大,此時R0的電壓大于電壓表的半偏電壓