高中物理难点突破之十电学实验.docx

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高中物理难点突破之十电学实验

难点之十电学实验

一、难点形成的原因

1、对电流表、电压表的读数规则认识模糊，导致读数的有效数字错误

2、对滑动变阻器的限流、分压两种控制电路的原理把握不准，导致控制电路选用不当

3、对实验测量电路、电学仪器的选用原则把握不准，导致电路、仪器选用错误

4、对电学实验的重点内容“电阻的测量”方法无明确的归类，导致思路混乱

5、对于创新型实验设计平时缺乏对实验思想方法（如模拟法，转换法，放大法，比较法，替代法等）进行归纳，在全新的实验情景下，找不到实验设计的原理，无法设计合理可行的方案。

受思维定势影响，缺乏对已掌握的实验原理，仪器的使用进行新情境下的迁移利用，缺乏创新意识。

二、难点突破

1、电流表、电压表的读数规则：

电流表量程一般有两种——0.1~0.6A，0~3A；电压表量程一般有两种——0~3V，0~15V。

如图10-1所示：

因为同一个电流表、电压表有不同的量程，因此，对应不同的量程，每个小格所代表的电流、电压值不相同，所以电流表、电压表的读数比较复杂，测量值的有效数字位数比较容易出错。

下面是不同表，不同量程下的读数规则：

电压表、电流表若用0~3V、0~3A量程，其最小刻度（精确度）分别为0.1V、0.1A，为10分度仪表读数，读数规则较为简单，只需在精确度后加一估读数即可。

如图所示，电压表读数为1.88V，电流表读数为0.83A。

若指针恰好指在2上，则读数为2.00V（或A）。

电压表若用0~15V量程，则其最小刻度为0.5V，为2分度仪表读数，所读数值小数点后只能有一位小数，也必须有一位小数。

如图所示，若指针指在整刻度线上，如指在10上应读做10.0V，指在紧靠10刻度线右侧的刻度线上（即表盘上的第21条小刻度线）读数为10.5V，若指在这两条刻度线间的中间某个位置，则可根据指针靠近两刻度线的程度，分别读做10.1V，或10.2V，或10.3V，或10.4V，即使是指在正中央，也不能读做10.25V，若这样，则会出现两位不准确的数，即小数点后的2和5，不符合读数规则，如上图中所示，读数应为9.3V。

电流表若用0-0.6A量程，则其最小刻度为0.02A，为5分度仪表读数，其读数规则与0—15V电压表相似，所读数值小数点后只能有两位小数，也必须有两位小数。

如上图所示，电流表读数为0.17A，若指针指在第11条刻度线上，则读数为0.22A，指在第10条刻度线上，读数为0.20A，指在第12条刻度线上，读数为0.24A。

2、滑动变阻器应用分析

滑动变阻器是电学实验中常用的仪器，近几年高考电学设计性实验命题对其应用多次直接或渗透考查.如何选择滑动变阻器的接法设计控制电路仍是历届考生应考的难点.

图12-3

滑动变阻器的限流接法与分压接法的特点：

如图10-2所示的两种电路中，滑动变阻器（最大阻值为R0）对负载RL的电压、电流强度都起控制调节作用，通常把图（a）电路称为限流接法，图（b）电路称为分压接法.

负载RL上电压调节范围（忽略电源内阻）

负载RL上电流调节范围（忽略电源内阻）

相同条件下电路消耗的总功率

限流接法

E≤UL≤E

≤IL≤

EIL

分压接法

0≤UL≤E

0≤IL≤

E（IL+Iap）

比较

分压电路调节范围较大

分压电路调节范围较大

限流电路能耗较小

①限流法.如图（a）所示，待测电阻上电压调节范围为

.显然，当R0<>RL时，滑动触头在从b向a滑动的过程中，先是电流表、电压表的示数变化不大，后来在很小的电阻变化范围内，电流表、电压表的读数变化很快，也不方便读数，只有当RL与R0差不多大小时，才能对电流、电压有明显的调控作用.在同样能达到目的的前提下，限流法较为省电，电路连接也较为简单.

②分压法.如图（b）所示，待测电阻上电压调节范围为0～E，且R0相对于RL越小，R上的电压变化的线性就越好.当R0>>RL时，尽管UL变化范围仍是0～E，但数据几乎没有可记录性，因为在这种情况下，滑片从左端滑起，要一直快到右端时，电压表上示数一直几乎为零，然后突然上升到E，对测量几乎没有用处.因此，分压接法要用全阻值较小的滑动变阻器。

滑动变阻器的限流接法与分压接法：

两种电路均可调节负载电阻电压和电流的大小，但在不同条件下，调节效果大不一样，滑动变阻器以何种接法接入电路，应遵循安全性、精确性、节能性、方便性原则综合考虑，灵活选取.

1.下列三种情况必须选用分压式接法

（1）要求回路中某部分电路电流或电压实现从零开始可连续调节时（如：

测定导体的伏安特性、校对改装后的电表等电路），即大范围内测量时，必须采用分压接法.

（2）当用电器的电阻RL远大于滑动变阻器的最大值R0时，必须采用分压接法.因为按图（b）连接时，因RL>>R0＞Rap,所以RL与Rap的并联值R并≈Rap，而整个电路的总阻值约为R0，那么RL两端电压UL=IR并=

·Rap，显然UL∝Rap,且Rap越小，这种线性关系越好，电表的变化越平稳均匀，越便于观察和操作.

（3）若采用限流接法，电路中实际电压（或电流）的最小值仍超过RL的额定值时，只能采用分压接法.

2.下列情况可选用限流式接法

（1）测量时对电路中的电流或电压没有要求从零开始连续调节，只是小范围内测量，且RL与R0相差不大或RL略小于R0，采用限流式接法.

（2）电源的放电电流或滑动变阻器的额定电流太小，不能满足分压式接法的要求时，采用限流式接法.

（3）没有很高的要求，仅从安全性和精确性角度分析两者均可采用时，可考虑安装简便和节能因素优先采用限流式接法.

例1：

如图10-3所示，滑动变阻器电阻最大值为R，负载电阻R1=R，电源电动势为E,内阻不计.

（1）当K断开，滑动头c移动时，R1两端的电压范围是多少？

（2）当K闭合，滑动头c移动时，R1两端的电压范围是多少？

（3）设R的长度ab=L,R上单位长度的电阻各处相同，a、c间

长度为x，当K接通后，加在R1上的电压U1与x的关系如何？

【审题】电键断开或闭合导致电路出现两种截然不同的控制电路：

限流和分压，把握限流和分压电路的原理是关键

【解析】

（1）若K断开，则该控制电路为滑动变阻器的限流接法，故

≤U1≤E

（2）若K闭合，则该控制电路为滑动变阻器的分压接法，故0≤U1≤E

（3）U1=IR并，R并=

I=

得：

U1=

【总结】该题考察两种控制电路的原理即两者获取的控制电压范围不同

例2：

用伏安法测量某一电阻Rx阻值，现有实验器材如下：

待测电阻Rx（阻值约5Ω,额定功率为1W）；电流表A1（量程0~0.6A,内阻0.2Ω）;电流表A2（量程0~3A，内阻0.05Ω）;电压表V1（量程0~3V，内阻3kΩ）;电压表V2（量程0~15V，内阻15kΩ）;滑动变阻器R0（0~50Ω）,蓄电池（电动势为6V）、开关、导线.

为了较准确测量Rx阻值，电压表、电流表应选________，并画出实验电路图.

【审题】该题要求选择实验仪器、测量电路及控制电路，因为滑动变阻器的全阻值大于被测电阻Rx，故首先考虑滑动变阻器的限流接法

【解析】由待测电阻Rx额定功率和阻值的大约值，可以计算待测电阻Rx的额定电压、额定电流的值约为

U=

V≈2.2V,I=

A=0.45A.

则电流表应选A1，电压表应选V1.

又因

=24.5Ω＞Rx，则电流表必须外接.

因为滑动变阻器的全阻值大于被测电阻Rx，故首先考虑滑动变阻器的限流接法，若用限流接法，则被测电阻Rx上的最小电流为Imin=

=0.11A＜I额，因该实验没有对电流、电压的调节范围未作特殊要求，故用限流电路.电路如图10-4所示.

【总结】滑动变阻器全阻值相对待测电阻较大，用分压接法不便于调节，故限流接法是首选，只要能保证安全且有一定的调节范围即可。

例3：

用伏安法测量一个定值电阻的器材规格如下：

待测电阻Rx（约100Ω）;直流电流表（量程0~10mA、内阻50Ω）;直流电压表（量程0~3V、内阻5kΩ）;直流电源（输出电压4V、内阻不计）；滑动变阻器（0~15Ω、允许最大电流1A）；开关1个，导线若干.根据器材的规格和实验要求画出实验电路图.

【审题】本题只需要判断测量电路、控制电路的接法，各仪器的量程和电阻都已经给出，只需计算两种接法哪种合适。

【解析】用伏安法测量电阻有两种连接方式，即电流表的内接法和外接法，由于Rx＜

，故电流表应采用外接法.在控制电路中，若采用变阻器的限流接法，当滑动变阻器阻值调至最大，通过负载的电流最小，Imin=

=24mA＞10mA,此时电流仍超过电流表的量程，故滑动变阻器必须采用分压接法.如图10-5所示.

【总结】任一种控制电路必须能保证电路的安全，这是电学实验的首要原则，限流接法虽然简洁方便，但必须要能够控制电路不超过电流的额定值，同时，能够保证可获取一定的电压、电流范围，该题中，即便控制电流最小值不超过电流表的量程，因滑动变阻器全阻值相对电路其它电阻过小，电流、电压变化范围太小，仍不能用限流接法。

3、实验电路和电学仪器的选择

（1）电路的选择

①安培表内、外接电路的选择

由于电压表的分流作用和电流表的分压作用，造成表的示数与通过负载的电压或电流真实值之间产生误差，为减小此系统误差，应慎重选择电流表的内外接法，选择方法如下：

1、直接比较法：

当待测电阻阻值Rx<

当待测电阻阻值Rx>>RA时，安培表分压很小，选择安培表内接电路。

2、临界值计算比较法：

当待测电阻阻值与电压表、电流表的阻值相差不多时，如何确定被测电阻R是较大还是较小呢？

我们要计算两种接法的相对误差，可用

与

相比较.

当

即

时，宜采用电流表外接法；

当

即

时，宜采用电流表内接法；

而

时，电流表内外接法效果是一样的.此时的被测电阻值R我们称为临界电阻。

3、测试判断法（试触法）

若Rx、RA、RV的大小关系事先没有给定，可借助试触法确定内、外接法.具体做法是:

如图10-6所示组成电路，其中电流表事先已经接好，拿电压表的一个接线柱去分别试触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示数变化明显（即

），说明接M点时电压表分流作用引起的误差大于接N点时电流表分压作用引起的误差，这时应采用内接法（即电压表接N点）。

如果电压表的示数变化比电流表示数变化明显（即

），说明接N点时电流表分压作用引起的误差大于接M点时电压表分流作用引起的误差，这时应采用外接法（即电压表接M点）.

（口决：

“内大外小”，即内接法适合测大电阻且系统误差偏大，即测量值大于真实值，外接法适合测小电阻且系统误差偏小，即测量值小于真实值，）

②控制电路（即滑动变阻器的接法）的选择，见难点2

（2）电路实验器材和量程的选择，应考虑以下几点：

①电路工作的安全性，即不会出现电表和其它实验器材因过载毁坏现象。

②能否满足实验要求（常常要考虑便于多次测量求平均值）。

③选择器材的一般思路是：

首先确定实验条件，然后按电源—电压表—电流表—变阻器顺序依次选择。

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（一般取满偏度的

左右），以减少测读误差.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的额定值，对大阻值的变阻器，如果是滑动头稍有移动，使电流、电压有很大变化的，不宜采用.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，才能作出恰当的选择.总之，最优选择的原则是：

方法误差尽可能小.

b、实现较大范围的灵敏调节.

c、在大功率装置（电路）中尽可能节省能量；在小功率电路里，在不超过用电器额定值的前提下，适当提高电流、电压值，以提高测试的准确度.

根据以上原则，电学仪器的选择有如下建议：

1、电源的选择：

选择直流电源，应根据用电器的需要来确定，一般考虑用电器所需的电压、电路中的电流、电源电动势和允许电流等.在不超过待测器材所允许的最大电压值的情况下，选择电动势较大的电源（以获得更多的测量数据）。

在相同电动势情况下，通常选择内电阻较小的电源（以获得较稳定的路端电压）,测电源内阻除外。

2、电表的选择：

在不超过电表量程的条件下，选择量程较小的电表（以便测量时示数能在满刻度的2/3左右）。

3、滑动变阻器的选择:

要由电路中所要求或可能出现的电流、电压的范围来选定变阻器，实际流过变阻器的电流不得超过其额定值；如要通过变阻器的电阻改变来读取不同的电流、电压值时，要注意避免变阻器滑片稍有移动电流或电压就会有很大变化的出现，也要避免出现滑片从一头滑到另一头，电流或电压几乎没有变化的情况.

若控制电路确定为限流接法,则滑动变阻器应选用与实验电路中其它电阻的总阻值相差不大的;若控制电路确定为分压接法，则应选用在额定电流允许的条件下阻值较小的滑动变阻器。

例4：

图10-7为用伏安法测量一个定值电阻阻值的实验所需器材实物图，器材规格如下：

（1）待测电阻Rx（约100Ω）

（2）直流电源（输出电压4V，内阻可不计）

（3）直流毫安表（量程0~10mA，内阻50Ω）

（4）直流电压表（量程0~3V，内阻5KΩ）

（5）滑动变阻器（阻值范围0~15Ω，允许最大电流1A）

（6）电键一个，导线若干条

根据器材的规格和实验要求，在实物图上连线。

并用“↓”标出在闭合电键前，变阻器的滑动触点应处的正确位置。

【审题】本题不要求选择仪器，只是对已有的仪器进行电路的选择合成，从一定程度上降低了难度，由已知条件，待测电阻与电压表阻值相差较多，滑动变阻器阻值相对较小。

【解析】因滑动变阻器阻值小于待测电阻Rx的阻值，所以滑动变阻器应选用分压接法；待测电阻与电表相比，Rx的阻值和电压表的阻值相差较多，所以应选用安培表外接电路，实物连接如图10-8所示。

滑动变阻器分压接法时，在闭合电键前，变阻器的滑动触点应置于使负载电压为零处，如图箭头所示。

【总结】

（1）设计测量电阻的电路必须考虑两个方面，首先要确定滑动变阻器是分压电路还是限流电路，再考虑是安培表外接电路还是安培表内接电路。

（2）连接实物图时，应该先干路，再支路。

滑动变阻器分压接法是要注意电键能控制全电路电流，即断开电键后，电路中无电学仪器仍处于通电状态，电键对支路不起作用是滑动变阻器分压接法时经常出现的错误。

例5：

某电压表的内阻在20～50KΩ之间，现要测量其内阻，实验室提供下列可选用的器材:

待测电压表V（量程3V），电流表A1（量程200μA），电流表A2（量程5mA），电流表A3（量程0.6A），滑动变阻器R（最大阻值1kΩ），电源E（电源电压为4V），开关S.

（1）所提供的电流表中应选用（填字母代号）.

（2）为了尽量减小误差，要求多测几组数据，试在图10-9方框中画出符合要求的实验电路（其中电源和开关及连线已画出）.

【审题】测量电压表的内阻，从已知条件看，需测量通过电压表的电流，因此，需估算通过电压表的最大电流来判断所用电流表的量程。

同时，滑动变阻器的全阻值远小于电压表内阻，控制电路应采用分压接法。

【解析】电压表的示数等于通过电压表的电流与本身内阻的乘积，估算电路中的最大电流为

所以应选电流表A1，与电压表串联在电路中.

滑动变阻器的电阻远小于电压表内阻.如果用滑动变阻器连成限流电路，一则它对电路的调控作用很不明显，二则是待测电压表分得的最小电压约为

大于电压表的量程，变阻器明显不能组成限流电路，这样变阻器应作为分压器接在电路中，就不会出现上述问题，电路如图10-10所示.

【总结】对于电表的选择，必须先根据已知条件估算电路中的最大电压或电流值，以此确定选用略大于且量程最小的电表。

例6：

有一改装的电流表A1需要与一标准电流表A2进行校对，采用如图所示10-11的电路，其中E为电源，R0为一限流电阻，R为一可变电阻，S为电键，限流电阻能够限制电路中的最大电流，使之不超出电流表的量程过多，从而对电流表起保护作用。

实验中已有的器材及其规格如下：

蓄电池E（电动势6v，内阻约为0.3Ω），

改装电流表A1（量程0~0.6A,内阻约为0.1Ω）

标准电流表A2（量程0~0.6A~3A,内阻不超过0.04Ω）

实验中备有的电阻器规格如下：

A．固定电阻（阻值8Ω，额定电流2A）

B．固定电阻（阻值15Ω，额定电流2A）

C．滑动变阻器（阻值范围0~20Ω，额定电流2A）

D，滑动变阻器（阻值范围0~200Ω，额定电流2A）

已知两个表的刻度盘上都将量程均匀分为6大格，要求从0.1A起对每条刻线一一进行核对，为此，从备用的电阻器中，R0应选用，R应选用。

（用字母代号填写）

【审题】本题中给出了固定限流电阻的选择，首先要明确其作用，实验要求电流范围在0.1~0.6A之间，即电路中仅有限流电阻时的电流要略大于0.6A，同时要配合滑动变阻器，保证电路中的最小电流不超过0.1A。

【解析】已知改装表量程为0~0.6A，要求从0.1A起对每条刻线进行核对，所以，电路中最大电流不能小于0.6A，最小电流不能大于0.1A。

电源电动势为6v，根据欧姆定律

，电路中最小总电阻不能大于10Ω，电路中除固定电阻和滑动变阻器外，其它电阻总阻值等于0.44Ω，所以固定电阻R0应选用A（8Ω）；又因最大总电阻不能小于60Ω，滑动变阻器应选用D（200Ω）。

【总结】

（1）要正确理解限流电阻的限流作用—-使电路中的电流不超过电流表的量程过多，应理解为：

在保证电流表能达到满量程的条件下，通过电流表的电流不过大。

所以限流电阻的阻值不能大于使电流表达到满偏时的阻值。

（2）注意区分限流电阻与滑动变阻器的作用，限流电阻的作用是使电路中的电流不要过小（不小于0.6A），而滑动变阻器的作用是使电路中的电流要达到足够小（不大于0.1A）。

例7：

用伏安法测量某一电阻Rx的阻值，现有实验器材如下：

　　A、待测电阻Rx（阻值大约为5Ω，额定功率为1W）

　　B、电流表A1（0~0.6A，内阻0.2Ω）

　　C、电流表A2（0~3A，内阻0.05Ω）

　　D、电压表V1（0~3V，内阻3KΩ）

　　E、电压表V2（0~15V，内阻15KΩ）

　　F、滑动变阻器R0（0~50Ω）

　　G、蓄电池（电动势为6V）

　　H、电键、导线

　　为了较准确测量Rx的阻值，保证器材的安全，以便操作方便，电压表、电流表应选择________，并画出实验电路图。

【审题】本题中待侧电阻的额定功率、电阻估计值已知，可估算通过电阻的电流及其两端电压，是选择电流表、电压表量程的关键，另外，电流表的内外接法及滑动变阻器的接法也需要计算确定。

【解析】1、确定电流表、电压表的量程。

被测电阻Rx的额定电压、额定电流分别为

　　则电流表选用A1，电压表选用V1

　　2、确定电流表的内、外接法

　　计算临界电阻

，RX

3、确定控制电路

　　因滑动变阻器的全阻值R0大于被测电阻RX，故首先考虑变阻器的限流接法。

　　限流接法：

RX上限流取值范围为：

　　最小：

　　最大：

I额=0.45A

　那么，滑动变阻器的阻值（滑动头移动时）不得小于

。

RX的电压变化范围为0.55V～2.25V，安全可行。

　　若采用变阻器的分压接法，因R0>RX，会操作不方便，因此应选择变阻器的限流接法。

电路如图10-12所示。

【总结】本题需要选择电流表、电压表量程以及测量电路和控制电路，解题时为避免混乱，可分步选择，将题目分解，既明确，又不易遗漏。

4、电阻测量的方法归类

在高中电学实验中，涉及最多的问题就是电阻的测量，电阻的测量方法也比较多，最常用的有：

（1）欧姆表测量：

最直接测电阻的仪表。

但是一般用欧姆表测量只能进行粗测，为下一步的测量提供一个参考依据。

用欧姆表可以测量白炽灯泡的冷电阻。

（2）替代法：

替代法的测量思路是等效的思想，可以是利用电流等效、也可以是利用电压等效。

替代法测量电阻精度高，不需要计算，方法简单，但必须有可调的标准电阻（一般给定的仪器中要有电阻箱）。

替代法是用与被测量的某一物理性质等效，从而加以替代的方法。

如图10-13所示。

先把双刀双掷开关S2扳到1，闭合S1，调整滑动变阻器，使电流表指针指到某一位置，记下此时的示数I（最好为一整数）。

再把开关S2扳到2，调整电阻箱R0，使得电流表指针仍指到示数I。

读出此时电阻箱的阻值r，则未知电阻Rx的阻值等于r。

说明：

①在此实验中的等效性表现在开关换位后电流表的示数相同，即当电阻箱的阻值为r时，对电路的阻碍作用与未知电阻等效，所以未知电阻Rx的阻值等于r。

②替代法是一种简捷而准确度很高的测量电阻的方法，此方法没有系统误差，只要电阻箱和电流表的精度足够高，测量误差就可以忽略。

（3）伏安法：

伏安法的测量依据是欧姆定律（包括部分电路欧姆定律和全电路欧姆定律），需要的基本测量仪器是电压表和电流表，当只有一个电表时，可以用标准电阻（电阻箱或给一个定值电阻）代替；当电表的内阻已知时，根据欧姆定律I=U/RV，电压表同时可以当电流表使用，同样根据U=IRA，电流表也可以当电压表用。

（4）比例法：

如果有可以作为标准的已知电阻的电表，可以采用比例法测电表的电阻。

用比例法测电表内阻时，两个电流表一般是并联（据并联分流原理），两个电压表一般是串联（据串联分压原理）。

所谓“比例法”是：

要测量某一物体的某一物理量，可以把它与已知准确数值的标准物体进行比较。

例如，使用天平称量物体的质量，就是把被测物体与砝码进行比较，砝码就是质量数准确的标准物体。

天平的结构是等臂杠杆，因此当天平平衡时，被测物体的质量与标准物体的质量是相等的，这就省去了进一步的计算。

有很多情况下，被测物体与标准物体的同一物理量间的关系并不是相等，而是在满足一定条件下成某种比例的关系，这种方法又称为“比例法”。

例如，测电流表和电压表的内阻，如果有可以作为标准的已知电阻的电表，都可以使用比例法。

采用比例法测电阻的依据是：

串联电路电压与电阻成正比，并联电路电流与电阻成反比。

电压表可显示电阻两端的电压值，电流表可显示电阻中通过的电流，所以测电流表内阻应把两电流表并联，测电压表内阻应把两电压表串联，电路图分别如图10-14（甲）、（乙）所示。

测电流表内阻时，应调节滑动变阻器R01，使两电流表的指针都有较大偏转，记录下两电表的示数I1和I2，根据并联电路分流原理，若已知电流表A1的内阻为r1，则电流表A2的内阻r2=

。

测电压表内阻时，应调节滑动变阻器R02，使两电压表的指针都有较大偏转，记录下两电表的示数U1和U2，根据串联电路分压原理，若已知电压表V1的内阻r1，则电流表V2的内阻r2=

。

以上例子中，甲图采用限流电路而乙图采用分压电路，这是由于电流表内阻都较小，若采用分压电路，则滑动变阻器的阻值必须更小，这时电路近似于短路，是不允许的；而电压表内阻都很大，若采用限流电路，则滑动变阻器的电阻必须更大，这在实际上行不通。

（5）半值法（半偏法）。

半值法是上面比例法的一个特例，测电流表内阻和测电压表内阻都可以用半值法，电路图如图10-15所示。

甲图实验时先断开开关S’，闭合S，调整滑动变阻器R01（限流法连接），使电流表A满度（即指针指满刻度处）；再闭合S’，调整电阻箱R1，使电流表