三思而后選 破解電學實驗器材選取難點

牛紅標

(河北省保定市第一中學 071000)

電學實驗一直是每年高考中必考點，因電學理論的抽象性，測量對象的多變性，很多同學缺少直觀的現實經驗，容易出錯；對發散思維及邏輯思維能力具有很強的挑戰性.很多同學甚至一些教師對于電學實驗題的設計及儀器的選取更是犯怵，對給定的器材總有一種“千挑萬選不合理”的感覺，可是經過論證之后還會發現“總有一款適合你”.那么怎樣才能快速找到適合的那一款呢，希望本文對各位讀者能有一定的啟發.

設計好電學實驗首先需對以下知識有足夠的認識及熟練.

一、認識電表的三重身份

首先是電表的自身屬性，電流表和電壓表的自身測定相應的電流和電壓，歐姆表測定導體的電阻；第二是它的本質屬性，電流表和電壓表的自身是一只電阻，歐姆表本質上是一個電源；第三是在給定內阻的條件下電壓表可以“反串”為電流表，及電流表在給定內阻的條件下可以“反串”為電壓表；歐姆表在確定檔位時可以從中值電阻得知歐姆表的內阻，對于可知電壓或電流的定值電阻可以替代電流表或電壓表.

二、把握實驗題給定的條件，突破疑難點

三、熟悉伏安法的變化，熟練應用歐姆定律

變化一：安安法

若電流表內阻已知，則可將其當做電流表、電壓表以及定值電阻來使用，定值電阻在已知電流時可以做為電壓表來使用.

變化二：伏伏法

若電壓表內阻已知，則可將其當做電流表、電壓表或定值電阻來使用.

四、下面進行幾個實例分析

題型一、電流表改裝為電壓表

例1用伏安法測定一個待測電阻Rx的阻值(阻值約為200Ω)，實驗室提供如下器材：

電池組E：電動勢3V，內阻不計；

電流表A1：量程0～15mA，內阻約為100Ω；

電流表A2：量程0～300μA，內阻1000Ω；

滑動變阻器R1：阻值范圍0～20Ω，額定電流2 A；

電阻箱R2：阻值范圍0～9999Ω，額定電流1 A；

開關S、導線若干．

要求實驗中盡可能準確地測量Rx的阻值，請回答下列問題：

(1)為了測量待測電阻兩端的電壓，可以將電流表____(填寫器材代號)與電阻箱串聯，并將電阻箱阻值調到____Ω，這樣可以改裝成一個量程為3.0V的電壓表．

(2)在圖7中畫完整測量Rx阻值的電路圖，并在圖中標明器材代號.

(3)調節滑動變阻器R1，兩表的示數如圖8所示，可讀出電流表A1的示數是____mA，電流表A2的示數是____μA，測得待測電阻Rx的阻值是____.本次測量存在一定的系統誤差，考慮這個原因測量值比真實值____(選填“偏大”或“偏小”).

故答案為：(1)A2；9000 (2)電路如圖9 (3)8.0；150；187.5；偏小.

點評應用伏安法測電阻，需要用電壓表測待測電阻電壓，題目中沒有電壓表，電流表A2給定了內阻，與電阻箱串聯改裝成電壓表，其次是確定滑動變阻器的接法與電流表接法來設計實驗電路圖；還要能根據電表量程確定電表分度值，得出相應電壓值；由歐姆定律可以求出待測電阻阻值，根據電路結構分析實驗誤差.

題型二、電流表量程的擴大(改裝)

例2有一個待測電阻R的阻值約為7.5Ω，現要精確測量該待測電阻的阻值.有下列器材供選用：

A.電壓表(0～3 V，內阻未知)

B.電流表(0～3 A，內阻約為0.5 Ω)

C.電流表(0～100 mA，內阻為4.0 Ω)

D.定值電阻R0=1.0Ω

E.滑動變阻器(10 Ω，2 A)

F.滑動變阻器(1 kΩ，0.5 A)

G.學生電源(直流4 V)，還有開關一個，導線若干

(1)實驗中所用電流表應選用____(填“B”或“C”).

(2)實驗中所用滑動變阻器選用____(填“E”或“F”).

(3)實驗時要求精確測量待測電阻R的值，測量電壓從零開始多取幾組數據，請在虛線方框中畫出滿足實驗要求的測量電路圖.

(4)某同學根據實驗得到一組數據為電壓表示數為1.60 V，電流表示數為40.0 mA，由此數據可得待測電阻Rx=____Ω.(結果保留兩位有效數字)．

(1)C(2)E(3)如圖10 (4)7.2

Rx兩端實際電壓為：Ux=1.60V-0.04×4=1.44V；

點評本題是關于伏安法測電阻的基本問題；關鍵是對儀器的選擇，題目中所給的電流表在直接使用時，量程太大，而對應條件中相應給出了小量程電流表的內阻和定值電阻，經過改裝后恰好滿足測量條件——“總有一款適合你”，因而在已知電表內阻時應該想到電表的改裝問題.

題型三、電壓表替代電流表(替代)

例3用以下器材測量電阻Rx的阻值(1000-1500 Ω)：

電源E，具有一定內阻，電動勢約為9.0 V；

電流表A，量程0.6A，內阻約為2Ω

電壓表V1，量程為1.5 V，內阻r1=750 Ω；

電壓表V2，量程為5 V，內阻r2=2 500 Ω；

滑動變阻器R，最大阻值約為100 Ω；

單刀單擲開關S，導線若干.

(1)測量中要求測量儀表的讀數不小于其量程的二分之一，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圖中相應的字母標注).

(2)測得量表示Rx的表達式為Rx=____.對應物理量符號的物理意義____.

點評本題看條件為典型伏安法測電阻，可電流表不能使用，此時應結合條件想到利用電壓表替代電流表完成實驗.

題型四、定值電阻替代電流表(替代)

例4現要精確測量某電壓表V1(量程0.6V，內阻約500Ω)的內阻，可選用的器材如下：

A.電流表A(量程0.6A，內阻約1Ω)；

B.電壓表V2(量程3V，內阻約3kΩ)；

C.滑動變阻器R1(最大電阻10Ω)；

D.定值電阻R2(阻值2kΩ)；

E.電源E(電動勢3V，內阻約為1Ω)；

F.開關S及導線若干．(1)實驗中，應選用的電表____(填器材序號字母)；

(2)在虛線框內畫出實驗電路圖并標明各器材的符號；

(3)待測電壓表V1的內阻表達式為RV=____(用所測物理量的符號表示)．

點評本題的關鍵是通過估算待測電壓表的滿偏電流遠小于電流表的量程，不能直接使用電流表，由定值電阻R2來替代電流表；由于變阻器的全電阻遠小于待測電壓表的內阻，變阻器應用分壓式接法．

題型五、定值電阻替代電壓表

例5某物理興趣小組要精確測量一只電流表G(量程為1mA、內阻約為100Ω)的內阻.實驗室中可供選擇的器材有：

電壓表V：量程為3V內阻約為3KΩ

電流表A1：量程為3mA內阻約為200Ω；

電流表A2：量程為0.6A，內阻約為0.1Ω；

定值電阻R1：阻值為10Ω；

定值電阻R2：阻值為60Ω；

滑動變阻器R3：最大電阻20Ω，額定電流1.5A；

直流電源：電動勢1.5V，內阻0.5Ω；

開關，導線若干．(1)為了精確測量電流表G的內阻，使用的電表要達到半偏以上，你認為該小組同學應選擇的電表為____、定值電阻為____.(填寫器材的符號)

(2)在方框中畫出你設計的實驗電路圖

(3)按照你設計的電路進行實驗，測得選用電表的示數為x，電流表G的示數為I，則電流表G的內阻的表達式為rg=____．

故答案為：(1)A1、R2(2)如圖13所示

點評本題關鍵是沒有合適的電壓表，只能由定值電阻替代，由電流表A1測出并聯總電流，然后由并聯電路特點及歐姆定律求出待測電流表內阻；使用滑動變阻器的分壓接法；據此設計實驗電路，求出電流表G的內阻．

題型六、電阻的精確測量(系統誤差消除)

例6有一根細長的空心金屬管線樣品，長為60mm，電阻約4Ω，橫截面如圖14甲所示．(1)用螺旋測微器測量金屬管線的外徑，示數如圖14乙所示，則所測外徑為____mm．

(2)現有如下器材：

A.電流表A1(量程0～3A，內阻為3Ω)

B.電流表A2(量程0～0.6A，內阻為1Ω)

C.電壓表V1(量程0～15V，內阻約為15kΩ)

D.電壓表V2(量程0～3V，內阻約為3kΩ)

E.滑動變阻器R1(1750Ω,0.3A)

F.滑動變阻器R2(25Ω,1A)

G.電源E(3V，內阻很小可忽略)

H.開關一個，帶夾子的導線若干

要用伏安法較精確測量空心金屬管線樣品的阻值，電流表應選____，滑動變阻器應選____.(均填序號字母)

(3)實驗中記錄電壓表的示數和對應電流表的示數，作出的U-I圖像如圖14丙所示.請用筆畫線代替導線將圖14丁所示的實驗電路補充完整．

(4)____Ω.若金屬管線的電阻率為1.0×10-6Ω·m，則管線中空部分橫截面積為____m2.(結果保留兩位有效數字)

點評本題主要考查伏安法測電阻的精確測量原理及數據處理，知道螺旋測微器的讀數方法、熟悉實驗內接法消除實驗誤差原理是解題的關鍵.

綜合以上幾例可以看出，只要熟練掌握歐姆定律，靈活運用電表的多重屬性，對于量程不合適的問題“三思而后選”，總有“一款適合你”，電學實驗中儀器的選取及電路設計就均不算什么難題啦.