物理电学实验总结.docx
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物理电学实验总结
物理电学实验总结
胡路军
理科综合对实验能力提出了明确的要求，即是“设计和完成实验的能力”，它包含两个方面：
1．独立完成实验的能力．包括：
（1）理解实验原理、实验目的及要求；
（2）掌握实验方法步骤；
（3）会控制实验条件和使用实验仪器，会处理实验安全问题；
（4）会观察、解释实验现象，会分析、处理实验数据；
（5）会分析和评价实验结果，并得出合理的实验结论．
2．设计实验的能力．能根据要求灵活运用已学过的物理理论、实验方法和仪器，设计简单的实验方案并处理相关的实验问题．
一．实验设计的基本思路
．
实验设计的关键在于实验原理的设计，它是进行实验的依据和起点，它决定了应选用（或还需）哪些实验器材，应测量哪些物理量，如何编排实验步骤．而实验原理的设计又往往依赖于所提供的实验器材（条件）和实验要求，它们相辅相成，互为条件．
以测量电表的内阻为例：
纵向：
伏安法及变式
1°电流表、电压表各一只，可以测量它们的内阻
2°两只同种电表，若知道一只的内阻，就可以测另一只的内阻
3°两只同种电表内阻都未知，则需要一只电阻箱才能测定电表的内阻
横向：
除伏安法外，还常用替代法、半偏法和闭合电路欧姆定律（计算法）
1°替代法
2°半偏法
3°闭合电路欧姆定律（计算法）
二．电学实验的器材选择和电路设计
1、电路结构
完整的实验电路包括三个部分：
①测量电路，②控制电路（变阻器、开关），③电源．
2、思路
3、方法
（1）、实验仪器的选择
根据实验原理和实验室条件选择仪器是进行正确测量的前提，一般遵循以下三原则：
①安全性原则：
要能够根据实验要求和客观条件选用合适的仪器，使实验切实可行，能达到预期目标。
另外还要注意测量仪器的量程，电阻类器件的电流不能超过其最大允许电流等。
②准确性原则：
根据实验的需要，选用精度合适的测量工具，但对某个实验来讲，精确程度够用即可，并不是精度越高越好。
③操作性原则：
实验时需考虑调节方便，便于操作，如滑动变阻器的选择，既要考虑它的额定电流，又要考虑它的阻值范围，在二者都能满足实验要求的情况下，还要考虑阻值大小对实验操作中是否调节方便的影响。
根据教学大纲及高考考核的要求，选择电学实验仪器主要是选择电表、滑动变阻器、电源等器件，通常可以从以下三方面人手：
a．根据不使电表受损和尽量减少误差的原则选择电表．首先保证流过电流表的电流和加在电压表上的电压均不超过使用量程．然后合理选择量程。
务必使指针有较大偏转（一般取满偏的1/3-2/3左右），以减少测读的误差．
b．根据电路中可能出现的电流或电压范围需选择滑动变阻器．注意流过滑动变阻器的电流不超过它额定值．对高阻值的变阻器，如果滑动头稍有移动，使电流电压有很大变化的，不宜采用．
c．应根据实验的基本要求来选择仪器．对于这种情况．只有熟悉实验原理．才能做出恰当的选择．
对器材的选择的一般步骤是：
①找出唯一性的器材；②草画电路图（暂不把电表接入）；③估算最大值（在限流电路中把滑动变阻器触头推向最小值）；④考虑能否都使电表达到满偏的1/3以上。
※在“伏安法测电阻”和“伏安法测电池电动势和内电阻”的实验中，一般选用总阻值较小的滑动变阻器，前者可方便调节，后者可减少误差。
※①在滑动变阻器作限流作用时，为使负载RX既能得到较宽的电流调节范围，又能使电流变化均匀，选择变阻器时，应使其总电阻，R0大于RX，一般在2—5倍为好。
※②在滑动变阻器作为分压作用时，一般取滑动变阻器的总电阻R0在0.1RX—0.5RX之间为好。
例1：
有一电阻R，其阻值大约在40Ω至50Ω之间，需进一步测定其阻值，现有下列器材：
电池组E，电动势为9V，内阻忽略不计；电压表Ｖ，量程为0至10Ｖ，内阻
20Ω；电流表A1，量程为0至50ｍＡ，内阻约20Ω；电流表A2，量程为0至300mＡ，内阻约4Ω；滑动变阻器R1，阻值范围为0至100Ω，额定电流1A；滑动变阻器R2，阻值范围为0至1700Ω，额定电流0.３Ａ，开关Ｓ及导线若干．实验电路图如图所示，实验中要求多测几组电流、电压值．在实验中应选 电流表和 滑动变阻器．
【分析与解】首先估算电路中可能达到的最大电流值，假设选电流表A1，则，Im≈E/（Rx+RA1）≈0.14A超过了A1的量程，假设选电流表A2，则I’m≈E/（Rx+RA2）≈0.18A，未超出A2的量程，故应选电流表A2，这一选择遵循了安全性原则．
对滑动变阻器的选择。
假没选R1，电路中的最小电流约为
Imin≈E/（Rx+RA2+R1）≈0.06A，
故电路中的电流强度范围为0.06A～0.18A．又假设选R2，电路中的最小电流约为
I’min≈E/（Rx+RA2+R2）≈0.005A
故电路中的电流强度范围为0.005A-0.18A，因为电流表A2。
的量程为0.3Ａ，电流强度为0.06Ａ时，仅为电流表A2。
量程的1/5，如果移动滑动变阻器阻值再增大，其电流表的示数将更小，读数误差会更大，因此对于R2而言，有效的调节长度太小，将导致电流强度值随滑动片位置的变化太敏感．调节不方便，故应选滑动变阻器R1，这一选择就遵循了方便性原则．
例2：
欲用伏安法测定一个阻值约12Ω的电阻，要求测量结果尽量准确，下列器材中应选用的是_________，画出应采用的电路图。
A、电池组（6V，内阻很小）
B、电流表（0—3A，内阻0.0125Ω）
C、电流表（0—0.6A，内阻0.125Ω）
D、电压表（0—3V，内阻3kΩ）
E、电压表（0—6V，内阻6kΩ）
F、滑动变阻器（0—20Ω，1A）
G、滑动变阻器（0—200Ω，0.3A）
H、电键、导线
【分析与解答】①找出唯一性器材：
被测电阻、电池组A、电键和导线H；②草画电路图；③估算最大值：
当滑动变阻器的使用阻值为零时，电路中电流最大Im=ε/RX≈6/12=0.5A；④因此选用C和E都可同时使电流表和电压表指针半偏以上。
变阻器选F（若选G则因额定电流小而容易烧毁，且不方便调节）
把电表接入时，用电流表外接法。
（2）、实验电路（电流表内外接法）的选择
所谓内、外接法是相对电流表的位置而言的．无论哪种接法，都会由于电表的内阻影响而带来测量误差．从下表的分析可以看出，合理的选择接法有利于减小误差．
比较项目
电流表内接法
电流表外接法
电路
误差原因
由于电流表内阻的影响，电压表测量值偏大，结果偏大
由于电压表内阻的影响，电流表测量值偏大，结果偏小
测量结果
＞Rx
RV∥Rx＜Rx
适用条件
Rx远大于RA
Rx远小于RV
（1）若Rx、RA、RV的大小大致可估计，可用以下三种方法来选择内、外接法：
①当Rx较大，满足Rx远大于RA时，应采用内接法，因为此时电流表的分压作用很小．
②当Rx较小，满足Rx远小于RV时，应采用外接法，因为此时电压表的分流作用很小．
③当Rx的大小难以断定时，可采用计算临界值的方法确定大小．即算出临界电阻
，若Rx＞R0则视为大电阻，若Rx＜R0则视为小电阻．
（2）若Rx、RA、RV的大小关系事先没有给定，可用图示试触法确定内外接法．用电压表的一个接线柱分别试触M、N两点，观察先后两次试触时两电表的示数变化情况，如果电流表的示数变化比电压表的示数变化明显，说明接M点时电压表分流作用引起的误差大于接N点时电流表分压引起的误差，这时应采用内接法．反之则应采用外接法．
例3：
有一小灯泡上标有“6V0.6Ｗ”的字样，现在要用伏安法测量这个灯泡的I—U图线，已知所用器材有：
是电流表（0～0.3Ａ，内阻1Ω）；电压表（0～15Ｖ，内阻20kΩ）；滑动变阻器（0～30Ω，2Ａ）；学生电源（直流9Ｖ）；开关一只、导线若干．为使实验误差尽量减小，画出合理的实验电路图．
【分析与解】因为电压表内阻远大于灯泡的最大阻值60Ω，因此选择电流表外接法．电路如图所示．
在具体的实验中若RA、RV均不知的情况下，可用试触法判定电流表内接还是外接．
（3）、控制电路的选择
为改变被测电阻两端的电压（或被测电阻中的电流强度），常用滑动变阻器与电源的连接有两种不同的形式：
限流接法和分压接法，这两种接法区别之处是：
限流法
分压法
合上电键前要使滑动变阻器的电阻处于最大值，对应图中应是滑动头移至最下端
合上电键前要使用电器受到的电压最小，对应图中滑动变阻器的滑动头应移到最左端
实物图中只用到上下两个接头
实物图中用到上面一个下面两个接头
电压调节范围
电压调节范围
滑动变阻器的电阻与用电器的电阻差不多大时电压调节作用最理想
滑动变阻器的电阻越小调节用电器的电压作用越好
同等条件下消耗功率较小
同等条件下消耗功率较大
在下列情况下应选择分压电路：
1°实验要求待测电阻两端电压从零开始连续变化。
2°限流不能保证安全，即限流电路中的最小电流超过电表量程或用电器的额定电流．常见于变阻器全电阻远小于测量部分电阻的情况．
3°限流能保证安全，但变阻器调节过程中，电表读数变化不明显，不满足实验测量多组数据的要求．常见于变阻器全电阻远小于测量部分电阻的情况．
在限流、分压两种电路都满足实验要求时，由于限流电路结构简单，损耗的电功率小，应优先选用．
滑动变阻器的粗调和微调：
在限流电路中，对测量电路而言，全电阻较大的变阻器起粗调作用，全电阻较小的变阻器起微调作用；在分压电路中，变阻器的粗、微调作用正好与限流电路相反．
例如在例3中，电路若采用限流电路，电路中的最小电流为
Imin等于小灯泡额定电流，滑动变阻器无法对电流进行调节，故必须采用分压电路，如图３所示．
所以，我们在选择电学实验仪器和实验电路时，应先依据题意确定电流表、电压表和滑动变阻器等仪器，然后确定电流表的内外接法，再选择控制电路并画出实验电路图．
三、基本测量仪器及读数
1.刻度尺、秒表、弹簧秤、温度表、电流表、电压表的读数
使用以上仪器时，凡是最小刻度是10分度的，要求读到最小刻度后再往下估读一位（估读的这位是不可靠数字，但是是有效数字的不可缺少的组成部分）。
凡是最小刻度不是10分度的，只要求读到最小刻度所在的这一位，不再往下估读。
例如
⑴读出上左图中被测物体的长度。
⑵上右图用3V量程时电压表读数为多少？
用15V量程时电压表度数又为多少？
⑶右图中秒表的示数是多少分多少秒？
凡仪器的最小刻度是10分度的，在读到最小刻度后还要再往下估读一位。
⑴6.50cm。
⑵1.14V。
15V量程时最小刻度为0.5V，只读到0.1V这一位，应为5.7V。
⑶秒表的读数分两部分：
小圈内表示分，每小格表示0.5分钟；大圈内表示秒，最小刻度为0.1秒。
当分针在前0.5分内时，秒针在0~30秒内读数；当分针在后0.5分内时，秒针在30~60秒内读数。
因此图中秒表读数应为3分48.75秒（这个5是估读出来的）。
2.螺旋测微器
固定刻度上的最小刻度为0.5mm（在中线的上侧）；可动刻度每旋转一圈前进（或后退）0.5mm。
在可动刻度的一周上平均刻有50条刻线，所以相邻两条刻线间代表0.01mm。
读数时，从固定刻度上读取整、半毫米数，然后从可动刻度上读取剩余部分（因为是10分度，所以在最小刻度后应再估读一位），再把两部分读数相加，得测量值。
右图中的读数应该是6.702mm。
3.多用电表
使用多用电表时首先应该根据被测物理量将选择开关旋到相应的位置。
使用前应先进行机械调零，用小螺丝刀轻旋调零螺丝，使指针指左端零刻线。
使用欧姆挡时，还应进行欧姆调零，即将红、黑表笔短接，调节欧姆调零旋钮，使指针指右端零刻线处。
欧姆挡的使用：
⑴选挡。
一般比被测电阻的估计值低一个数量级，如估计值为200Ω就应该选×10的倍率。
⑵调零。
⑶将红黑表笔接被测电阻两端进行测量。
⑷将指针示数乘以倍率，得测量值。
⑸将选择开关扳到OFF或交流电压最高挡。
用欧姆挡测电阻，如果指针偏转角度太小，应增大倍率；如果指针偏转角度太大，应减小倍率。
4.电阻箱
右图中的电阻箱有6个旋钮，每个旋钮上方都标有倍率，将每个旋钮上指针所指的数值（都为整数）乘以各自的倍率，从最高位依次往下读，即可得到这时电阻箱的实际阻值。
图中最左边的两个黑点是接线柱。
若指针所示如图，则阻值为84580.2Ω。
补充：
多用电表-知识点剖析
一、电流表改装成欧姆表
1.欧姆表的原理
欧姆表是根据闭合电路欧姆定律制成的,它的原理如图所示,G是电流表（表头）,内阻为Rg,满偏电流为Ig电池的电动势为E,内阻为r.电阻R是可变电阻,也叫调零电阻.
当红、黑表笔相接时（图甲）,相当于被测电阻Rg=0,调节R的阻值,使E/（r+Rg+R）=Ig,则表头的指针指到满刻度,所以刻度盘上指针指在满偏处定为刻度的零点.r+Rg+R是欧姆表的内阻.
当红、黑表笔不接触时（图乙）相当于被测电阻Rx=∞,电流表中没有电流,表头的指针不偏转,此时指针所指的位置是刻度的“∞”点.
当红、黑表笔间接入被测电阻Rx时（图丙）,通过表头的电流I=E/（r+Rg+R+Rx）.改变Rx,电流I随着改变,每个Rx值都对应一个电流值,在刻度盘上直接标出与I值对应的Rx值,就可以从刻度盘上直接读出被测电阻的阻值.
2.欧姆表的刻度
（1）欧姆表的刻度不均匀
欧姆表刻度能指示出电阻的数值,但刻度是不均匀的,如上图所示.靠右边的刻度稀,靠左边的刻度密,这是因为刻度是根据电流与电阻的对应关系刻出的,而接入不同的被测电阻Rx时,通过的电流Ix（Ix=
）与Rx不是成比例关系,所以刻度是不均匀的.
（2）中值电阻
中值电阻:
电流表的指针指到刻度盘的中央时所对应的Rx值叫中值电阻,R中=R内=Rg+r+R0.
（3）由
（1）
（2）可知
当Rx=2R内时,Ix=
·
指针指在
满偏处;
当Rx=3R内时,Ix=
·
指针指在
满偏处;
当Rx=nR内时,Ix=
=
指针指在
满偏处.
二、多用电表
多用电表能够测量直流电流、直流电压、电阻等.多用电表是由一只小量程的电流表与若干元件组成的.每进行一种测量时,只使用其中一部分电路,其他部分不起作用.现举一例说明.
如图所示为一多用电表的设计电路及各种量程.
（1）当连接公共端与接头1时,为0—10mA直流电流挡.
（2）当连接公共端与接头2时,为0—1mA直流电流挡.
（3）当连接公共端与接头3时,为0—50V直流电压挡.
（4）当连接公共端与接头4时,为0—500V直流电压挡.
（5）当连接公共端与接头5时,是内阻为1.5kΩ的电阻挡.
其中R1、R2、R3、R4阻值的计算,分别按照电流表分流、电压表分压原理算出.在电源内阻不计的前提下,由R5+R6+Rg=
可算出R5+R6的阻值.特别值得注意的是当分别接3、4、5接头时,小量程的电流表的内阻相当于Rg与R1+R2并联,满偏电流相当于表盘指示满偏刻度值的两倍.已知表头内阻、满偏电流、电源电动势时,算出的相关数值如下:
已知:
Ig=500μA,Rg=200Ω,E=1.5V
求得:
R1=20Ω,R2=180Ω,R3=49.9kΩ,R4=499.9kΩ,R5+R6=1.4kΩ
电流挡、电压挡的刻度是均匀的,指针从左向右示数增大;欧姆表的刻度是非均匀的,指针从右向左示数增大.
三、多用电表的使用
多用电表的型号很多,但使用方法基本相同,请同学们注意以下几个问题.
（1）表盘面上“＋”“-”插孔,表示直流电流挡、直流电压挡的正、负接线柱,因此,不管测什么项目,首先将红表笔插入“+”插孔,将黑表笔插入“-”插孔.那么用直流电流挡、直流电压挡时,电流从红表笔流入,从黑表笔流出;用电阻挡时由原理图可知,红表笔连接的是表内电源的负极,黑表笔连接的是表内电源的正极,因此,电流还是从红表笔流入,从黑表笔流出.
（2）测量前,应把选择开关旋到相应项目的适当量程上,读数时要注意挡位与刻度盘的对应.直流电流挡、直流电压挡跟电流表和电压表的使用方法一样.要注意所选的量程应大于用电器两端电压的估计值或通过用电器电流的估计值.
（3）欧姆挡的使用需要注意如下几点:
①选挡接着调零（选挡的原则:
指针越接近中值电阻,读数越精确）;②换挡重新电阻调零;③示数要乘倍率;④用毕将选择开关拨离欧姆挡,一般旋至交流电压最高挡上或“OFF”挡上;⑤被测电阻要跟电源、其他元件分离.
【练习1】在许多精密的仪器中，如果需要较精确地调节某一电阻两端的电压，常常采用如图7所示的电路。
通过两只滑动变阻器R1和R2对一阻值为500Ω左右的电阻两端电压进行粗调和微调。
已知两个滑动变阻器的最大阻值分别为200Ω和10Ω。
关于滑动变阻器R1和R2的联接关系和各自所起的作用，下列说法正确的是（）
A．取R1=200Ω,R2=10Ω，调节R1起粗调作用
B．取R1=10Ω,R2=200Ω，调节R2起微调作用
C．取R1=200Ω,R2=10Ω，调节R2起粗调作用
D．取R1=10Ω,R2=200Ω，调节R1起微调作用
【练习2】用伏安法测量一个定值电阻的阻值，备用器材如下：
待测电阻Rx（阻值约为25kΩ）；电流表A1：
（量程100
A，内阻2kΩ）；电流表A2：
（量程500
A，内阻300Ω）；电压表V1：
（量程10V，内阻100kΩ）；电流表V2：
（量程50V，内阻500kΩ）；电源E：
（电动势15V，允许最大电流1A）；滑动变阻器R：
（最大阻值1kΩ）；电键S，导线若干。
为了尽量减小实验误差，要求测多组数据．
（1）电流表应选________________，电压表应选__________________．
（2）画出实验电路图．
【练习3】用以下器材测量一待测电阻Rx的阻值（900～1000Ω）：
电源E，具有一定内阻，电动势约为9.0V；电压表V1，量程为1.5V，内阻r1=750Ω；电压表V2，量程为5V，内阻r2=2500Ω；滑线变阻器R，最大阻值约为100Ω；单刀单掷开关S，导线若干．
（1）测量中要求电压表的读数不小于其量程的1/3，试画出测量电阻Rx的一种实验电路原理图（原理图中的元件要用题图中的相应的英文字母标注）．
（2）根据你所画的电路原理图在题给的实物图上画出连线．
（3）若电压表V1的读数用U1表示，电压表v2的读数用U2表示，则由已知量和测得量表示Rx的公式为Rx=____________________．
【练习4】为了测定电流表A1的内阻，采用如图所示的电路．其中：
A1是待测电流表，量程为300
A，内阻约为100Ω；A2是标准电流表，量程为200
A；R1是电阻箱，阻值范围是0～999.9Ω；R2是滑动变阻器；R3是保护电阻；E是电池组，电动势为4V，内阻不计；S1是单刀掷开关．S2是单刀双掷开关．
（1）根据电路图，请在图中画出连线，将器材连接成实验电路．
（2）连接好电路，将开关S2扳到接点a处，接通开关S1，调整滑动变阻器R2使电表A2的读数是150
A；然后将开关S2扳到接点b处，保护R2不变，调节电阻R1，使A2的读数仍为150
A．若此时电阻箱各旋钮的位置如图所示，电阻箱的阻值是_______Ω，则待测电流表A1的内阻R1=______Ω．
（3）上述实验中，无论怎样调整滑动变阻器R2的滑动端位置，都要保证两块电流表的安全．在下面提供的四个电阻中，保护电阻R3应选用：
_____________________（填写阻值相应的字母）．
A．200kΩB．20kΩC．15kΩD．20Ω
（4）下面提供最大阻值不同的四个滑动变阻器供选用．既要满足上述实验要求，又要调整方便，滑动变阻器___________________（填写阻值相应的字母）是最佳选择．
A．1kΩB．5kΩC．10kΩD．25kΩ
【练习5】现有一块59C2型的小量程电流表G（表头），满偏电流为50
，内阻约为800～850Ω，把它改装成1mA、10mA的两量程电流表，可供选择的器材有：
滑动变阻器R1，最大阻值20Ω；滑动变阻器R2，最大阻值100kΩ；
电阻箱R′，最大阻值9999Ω；定值电阻R0，阻值1kΩ；
电池E1，电动势1.5V；电池E2，电动势3V；电池E3，电动势4.5V；（所有电池内阻不计），标准电流表A，满偏电流1.5mA；
单刀单掷开关S1和S2；单刀双掷开关S3；电阻丝及导线若干．
（1）采用如图（甲）所示电路测量表头的内阻，为提高测量精确度，选用的滑动变阻器为__________________，选用的电池为_______________．
甲乙丙
（2）将G改装成两量程电流表，现有两种备选电路，如图（乙）、（丙）所示．图_________为合理电路，另一电路不合理的理由是_______________________________．
（3）将改装后的电流表与标准电流表逐格进行核对（仅核对1mA量程），画出所用电路图，图中待核对的电流表符号用
来表示．
【练习6】
（1）一个电压表VA的内阻RA=1000Ω，量程为1.0V，现要利用电阻箱扩大它的量程，改装成量程为3.0V的电压表．改装后，再用一量程为3.0V的精确的电压表VB对改装后的电压表的所有刻度进行校准．除了这两个电压表VA、VB外，还有下列一些器材：
电源E（电动势约为6V，内阻较小）；变阻器R（总电阻约10Ω）；电阻箱R0（0～9999Ω）；开关S；导线若干
①如图所示是以上器材和两个电压表VA、VB的实物示意图，试在图中画出连线，连成进行校准时的实验电路．
②图中电阻箱的取值等于________________Ω．
（2）用上述电压表VB和改装后并已校准过的电压表（以下称之为VC）以及一个开关和一些导线，去测量一个电动势大约为2V的电源的内阻r．①简要写出测量步骤．
②用测得的量表达r的公式应为r=____________．
【练习7】某研究性学习小组为探究小灯泡灯丝电阻与温度的关系，设计并完成了有关的实验，以下是实验中可供选用的器材．
A．待测小灯泡（额定功率6W，额定电流0.5A）；B．电流表（量程0～0.6A，内阻0.1Ω）；C．电压表（量程0～5V，内阻约5kΩ）；D．电压表（量程0～15V，内阻约15kΩ）；E．滑线变阻器（最大阻值50Ω）；F．滑线变阻器（最大阻值1kΩ）；G．直流电源（电动势15V，内阻可忽略）；H．开关一个，导线若干
实验中调节滑线变阻器，小灯泡两端电压可以从零至额定电压范围内变化，从而测出小灯泡在不同电压下的电流．
（1）请在虚线框中画出为完成上述实验而设计的合理的电路图．并在每个选用的器材旁标上题目所给的字母序号．
（2）如图所示是该研究小组测得小灯泡的I—U关系图线．由图线可知，小灯泡灯丝电阻随温度的升高而_________________（填“增大”、“减小”或“不变”）；当小灯泡两端所加电压为6V时，其灯丝电阻值约为_________________Ω．（保留两位有效数字）
【练习8】有以下可供选用的器材及导线若干条,要求使用个数最少的仪器尽可能精确地测量一个电流表的满偏电流．
A．被测电流表A1：
满偏电流约700～800
，内阻约100Ω，刻度均匀、总格数为N；B．电流表A2：
量程0.6A，内阻0.1Ω；C．电压表V：
量程3V，内阻3kΩ；D．滑动变阻器R1：
最大阻值200Ω；E．滑动变阻器R2：
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