《《三维设计》2014新课标高考物理一轮总复习课件 第七章热点专题课(四) 电学实验设计题的解答思路与方法.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《三维设计》2014新课标高考物理一轮总复习课件 第七章热点专题课(四) 电学实验设计题的解答思路与方法.ppt（53页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、电学实验设计题能有效地考查学生的实验技能和创造性思维能力，在高考中的考查频率很高。不少学生面对这类题感到无从下手。实际上，只要做到“三个明确”“两个选择”，问题便可迎刃而解。 一、明确题目的要求 解答一道电学实验设计题，首先要认真审清题意，看清题目的要求。即要看清题目要求测定什么物理量，验证、探究什么物理规律，或者要求设计达到何种标准的电路等。对实验的目的要求明确了，才能保证解题思路正确、明朗，方法对头。,二、明确实验设计的原理 测量电路、控制电路、实验仪器的选择，实验方法、步骤的确定，数据处理、误差分析等问题，都是从实验原理派生出来的，只有明确实验原理，其他问题才可得以解决。如果设计测定型实
2、验，应弄清待测物理量可通过哪些规律、公式求得，与哪些物理量有直接联系，可用哪些物理量定量地表示，用何种方法测定相关量，进而得出待求量。如果设计验证型实验，应弄清在相应的物理现象中，何种定量关系成立，才能使待验证的结论成立。对于设计符合一定标准的电路问题，则应根据实验的要求和相关物理规律，器材的规格、性能等，合理选择、连接电路。,三、明确设计电路的原则 设计电路一般应遵循“安全性”原则、“精确性、方便性”原则，兼顾“运用仪器少，耗电少”等三条原则。 (1)安全性原则 选用仪器组成电路，首先要保证实验正常进行。例如通过电流表的电流和加在电压表上的电压均不得超过其量程，滑动变阻器、被测电阻不得超过其
3、额定电流(额定功率)等，使实验安全进行。,(2)精确性、方便性原则 “精确”是指选用仪器组成实验电路时要尽可能减小测量误差，提高精确度。例如所用电流表、电压表的指针应有较大的偏转，一般应使指针偏转在满刻度的1/3以上，以减小因读数引起的偶然误差。 “方便”是指实验中便于调节控制，便于读数。例如应根据电路可能出现的电流、电压范围选择滑动变阻器。对大阻值的滑动变阻器，如果滑片稍有移动就使电路中的电流、电压有很大变化，则不宜采用。对于滑动变阻器，还要权衡用分压式电路还是限流式电路。对于什么条件下用分压式电路，什么条件下用限流式电路，在下面的“选择控制电路”中有详细讲述。,(3)运用仪器少，耗电少原则
4、 在达到实验目的，各项指标均符合要求的前提下，还应注意运用的仪器尽量少和节约电能。例如控制电路有限流式与分压式两种调节电路，若这两种调节电路均能满足要求，从消耗功率小，节约电能的角度，则应选用限流式电路。 四、选择测量电路 1用伏安法测电阻或用电器的电功率时电流表内接或外接的选择,(2)若已知电流表内阻，而不知电压表内阻，应采用“电流表内接法”；若已知电压表内阻，而不知电流表内阻，应采用“电流表外接法”。若电流表内阻、电压表内阻均为已知，采用内接、外接均可。实验中读出电表的示数后，根据已知电表的内阻进行数据处理，可以消除电表内阻影响造成的系统误差。若不定量计算由电表内阻影响造成的系统误差，则应
5、按(1)确定连接方式。,典例1 图71甲、乙是两组同样的实验器材实物图，用来测量待测电阻R的阻值，每组器材中包括：电池、滑动变阻器、电压表、电流表、待测电阻R、开关，若干导线(图中未标出)。,图71,(1)如果待测电阻R的阻值比电压表的内阻不是小很多，但待测电阻R的阻值比电流表的内阻大很多，试在图71甲中连线，使之成为测量电路；如果待测电阻R的阻值比电流表的内阻不是大很多，但待测电阻R的阻值比电压表的内阻小很多，试在图71乙中连线，使之成为测量电路。 (2)如果已知上述电压表的内阻为RV和电流表的内阻为RA，要求尽可能多测几组数据，对图71甲和图乙连成的测量电路，分别写出计算待测电阻的表达式(
6、用测得的量和给出的电表内阻来表示)。,解析 用伏安法测电阻是一种基本测量方法，其原理是欧姆定律。为了减小测量的系统误差，要注意电流表内接法和外接法的选择。,图72,(1)当待测电阻R的阻值比电流表的内阻大很多时，应采用电流表内接法，实物连接如图72甲所示。滑动变阻器应采用分压式接法，以增加可调范围，多测几组I、U值，从而得出电阻的多个测量值，再求出平均值，以减小偶然误差。 当待测电阻R的阻值比电压表的内阻小很多时，应采用电流表外接法，实物连接如图乙所示。滑动变阻器也采用分压式接法。,答案 见解析,图73,图74,(2)仪器选择 用电流表的满偏电流乘以内阻确定电压表的量程。若没有合适的电压表，可
7、采用已知内阻的电流表代替(安安法)或采用定值电阻乘以通过的电流计算出电压。 用电压表的量程除以内阻确定电流表的量程。若没有合适的电流表，可采用已知内阻的电压表代替(伏伏法)或采用定值电阻分流确定通过电压表的电流。,典例2 某电流表的内阻在0.10.2 之间，现要测量其内阻，可选用的器材如下： A待测电流表A1(量程0.6 A) B电压表V1(量程3 V，内阻约2 k) C滑动变阻器R1(最大电阻10 ),D定值电阻R2(阻值5 ) E电源E(电动势4 V) F开关S及导线若干 (1)在虚线框中画出实验电路图； (2)若测得电压表V1的读数为U，电流表A1的读数为I，则电流表A1内阻的表达式为R
8、A1_。,图75,3用伏安法测电源电动势和内阻，电流表两种接法的选择 用伏安法测电源电动势和内阻有如图76甲、乙所示两种接法。根据闭合电路的欧姆定律列方程分析求解，可得下面的结论：,图76,若考虑电压表内阻RV、电流表内阻RA的影响，用图6甲接法测量时有 r测rRV/(RVr) E测RVE/(RVr) 可见内阻的测量值r测小于真实值r，绝对误差为|r|rr测r2/(RVr) 相对误差为|r|/rr/(RVr) 电动势的测量值E测小于真实值E，绝对误差为|E|EE测rE/(RVr) 相对误差为|E|/Er/(RVr),从以上分析可以看出，用图76甲电路测量，电动势与内阻的测量值均小于真实值，相对
9、误差的大小取决于电压表的内阻，与电流表的内阻无关。 对于用图76乙电路测量，作类似分析可知，r测RAr，E测E。可见内阻的测量值偏大，绝对误差为|r|r测rRA，相对误差为|r|/rRA/r。可见用图乙电路测量，电动势的测量值与真实值相同，不产生系统误差。内阻的测量值偏大，其大小取决于电流表的内阻RA，与RV无关。所以：,(1)若电源内阻较小(与电流表的内阻相近)应选用图甲电路；若电源内阻很大(与电压表的内阻相近)应选用图乙电路。 应该指出的是，在中学物理实验中，一般是测量干电池的电动势和内阻。若用图乙电路测量，虽然电动势不产生系统误差，但电流表内阻RA往往与电池内阻r相差不大，所以测内阻的相
10、对误差会很大。用图甲电路测量，虽然电动势和内阻都有相对误差，但RV远大于r的条件很易得到满足，电动势和内阻的相对误差都很小，所以在中学物理实验中，一般都采用图甲电路测量干电池的电动势和内阻。,(2)若已知电压表内阻，而不知电流表内阻，应采用图甲电路，以消除RV带来的系统误差。 (3)若已知电流表内阻，而不知电压表内阻，应采用图乙电路，以消除RA带来的系统误差。 (4)电流表内阻、电压表内阻均为已知，原则上甲、乙两种接法均可用，但应注意消除RA、RV带来的系统误差。若不定量考虑电表内阻的影响，则应按(1)选择接法。,典例3 在做“测干电池的电动势和内阻”的实验中，备有下列器材供选用： A干电池一
11、节(电动势约为1.5 V) B直流电流表(量程00.6 A3 A,0.6 A挡内阻为0.10 ，3 A挡内阻为0.025 ) C直流电压表(量程03 V15 V,3 V挡内阻为5 k，15 V挡内阻为25 k) D滑动变阻器(阻值范围015 ，允许最大电流为1 A) E滑动变阻器(阻值范围01 000 ，允许最大电流为0.5 A),F电键 G导线若干 H电池夹,图77,(1)将选定的器材按实验要求的电路(系统误差较小)，在如图77所示的实物图上连线。 (2)根据实验记录，画出的UI图象如图78所示，可知待测电池的内阻为_ 。 (3)按本实验要求的电路测出的E测_E真，r测_r真。(填“大于”“
12、小于”或“等于”),图78,解析 (1)连接图如图79所示。此问涉及三点：仪器的选择，应选A、B(00.6 A)、C(03 V)、D、F、G、H。电路设计，要求系统误差较小，因干电池的内阻很小，与直流电流表(0.6 A挡)的内阻相近，应采用电流表外接法(相对于电源而言)。连接实物图，要按设计的电路顺序连线。,图79,答案 (1)如图79所示 (2)1 (3)小于 小于,五、选择控制电路 对滑动变阻器的两种接法两种控制电路的比较与选择归纳如下表。,EIL,限 流 式,电路消耗的总功率,负载RL上的电流调节范围,负载RL上的电压调节范围,电路图,分压式电路的电压、电流调节范围大，但电路消耗的功率较
13、大,比较,E(ILIaP),0ULE,分压式,电路消耗的总功率,负载RL上的电流调节范围,负载RL上的电压调节范围,电路图,滑动变阻器以何种方式接入电路中，应遵循安全性、精确性、方便性、节能性的原则，综合考虑，灵活选用。 在下列三种情况下必须采用分压式接法： (1)要求通过被控制部分的电流或电压实现从零开始调节 (例如测定导体的伏安特性，从零刻度开始校对改装后的电表等)，即大范围测量时，必须采用分压式接法。 (2)当用电器的电阻RL远大于滑动变阻器的电阻R0，且实验要求电压变化范围较大(或要求测量多组数据)时，必须采用分压式接法。 (3)若采用限流式接法，电路中的实际电压(或电流)的最小值仍超
14、过RL的额定电压(或电流)时，只能采用分压式接法。,在下列三种情况下可采用限流式接法： (1)测量时电路中的电流、电压没有从零开始调节的要求，只是小范围的测量，且RL与R0接近，或RL略小于R0时，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，采用限流式接法。,典例4 有一电阻Rx，其阻值在100200 之间，额定功率为0.25 W，现用伏安法较准确地测量它的电阻值，实验室中备有下表中所列器材：,开关及导线,电动势12 V,E,直流电源,
15、阻值范围020,R,滑动变阻器,量程010 V，内阻为20 k,V2,电压表,量程05 V，内阻为10 k,V1,电压表,量程03 mA，内阻为0.001,A2,电流表,量程050 mA，内阻为20,A1,电流表,规格,代号,器材,(1)为了保护被测电阻不被烧坏，实验中电阻两端的电压应控制在_ V以下，电压表应选_。 (2)为了保护被测电阻，通过它的电流应控制在_ A以下，电流表应选_。 (3)根据题意画出实验电路图。 解析 待测电阻的阻值范围较大，在100200 之间，又有功率限制。应据功率、电阻的大小范围估算电流、电压。,图710,答案 (1)5 V1 (2)0.035 A1 (3)如图7
16、10所示,专题练习 1(2013济南模拟)为了测量某待测电阻Rx的阻值(约为30 )。有以下一些器材可供选择： 电流表：A1(量程050 mA，内阻约10 ) A2(量程03 A，内阻约0.12 ) 电压表：V1(量程03 V，内阻很大) V2(量程015 V，内阻很大) 电源E(电动势约为3 V，内阻约为0.2 ),定值电阻R(20 ，允许最大电流1.0 A) 滑动变阻器R1(010 ，允许最大电流2.0 A) 滑动变阻器R2(01 k，允许最大电流0.5 A) 单刀单掷开关S一个，导线若干,(1)电流表应选_，电压表应选_，滑动变阻器应选_(填字母代号)。 (2)请在方框中画出测量电阻Rx
17、的实验电路图(要求所测量值范围尽可能大)。 (3)某次测量中，电压表示数为U时，电流表示数为I，则计算待测电阻阻值的表达式为Rx_。,解析：(1)首先，选取唯一性器材：电源E(电动势约为3 V、内阻约为0.2 )，定值电阻R(20 ，允许最大电流1.0 A)，单刀单掷开关S一个，导线若干。 电源电动势约为3 V，所以电压表选择V1(量程03 V，内阻很大)；待测电阻Rx的阻值约为30 ，流过Rx最大电流为3 V/30 0.1 A100 mA，如果电流表选择A2(量程03 A，内阻约0.12 )，指针偏转很小，测量不准确，所以只能选择A1(量程050 mA，内阻约10 )；滑动变阻器R2的全值电
18、阻太大，操作不便，所以滑动变阻器应选R1(010 、允许最大电流2.0 A)。,(2)因为实验要求所测量值范围尽可能大，所以滑动变阻器R1要采用分压接法；因为待测电阻Rx的阻值远小于电压表内阻，所以电流表要外接；为了使流过电流表的电流不超过其最大量程即50 mA，应与待测电阻串联一个定值电阻R起保护电路。实验原理图如图所示。,2某待测电阻Rx的阻值约为20 ，实验室提供如下器材： A电流表A1(量程150 mA，内阻r110 )； B电流表A2(量程20 mA，内阻r230 )； C定值电阻R010 ； D滑动变阻器R，最大阻值为10 ； E电源E，电动势为4 V(内阻不计)； F开关S及导线
19、若干。,(2)实验时电流表A1的读数为I1，电流表A2的读数为I2，用已知量和测得的物理量表示Rx，则Rx_。,3要测量电压表V1的内阻RV，其量程为2 V，内阻约为2 k。实验室提供的器材有： 电流表A，量程0.6 A，内阻约0.1 ； 电压表V2，量程5 V，内阻5 k； 定值电阻R1，阻值30 ； 定值电阻R2，阻值3 k； 滑动变阻器R3，最大阻值100 ，额定电流1.5 A； 电源E，电动势6 V，内阻约0.5 ； 开关S一个，导线若干。,(1)有人拟将待测电压表V1和电流表A串联接入 电压合适的测量电路中，测出V1的电压和电流， 再计算出RV。该方案实际上不可行，其最主要 的原因是
20、_； (2)请从上述器材中选择必要的器材，设计一个测量电压表V1的内阻RV的实验电路。要求测量尽量准确，实验须在同一电路中，且在不增减元件的条件下完成。试画出符合要求的实验电路图 (图711中电源与开关已连好)，并标出所选元件的相应字母代号； (3)由上问写出V1的内阻RV的表达式，说明式中各测量量的物理意义。,图711,4某同学在实验室测定一节干电池的电动势和内阻，实验 室有如下器材： A待测干电池； B表头G(量程3 mA，内阻r120 )； C电流表A(量程0.6 A，内阻r20.2 )； D滑动变阻器甲(最大阻值10 )； E滑动变阻器乙(最大阻值100 )； F定值电阻(R1100
21、)； G定值电阻(R2500 )； H定值电阻(R31.5 k)；,I开关S及导线若干。 (1)由于没有电压表，他决定用表头和定值电阻改装，定值电阻应选用_，为了方便并能较准确地测量，滑动变阻器应选用_。(填写各器材前的序号) (2)请画出实验电路图。 (3)若某次测量中表头G的示数为I1，电流表A的示数为I2，改变滑动变阻器阻值后，表头G的示数为I1，电流表A的示数为I2，则电源的内阻r_，电动势E_。,解析：(1)改装后的电压表的量程应比一节干电池的电动势(约为1.5 V)略大些。将三个定值电阻R1、R2、R3分别代入UIg(r1R)中得到0.36 V、1.56 V、4.56 V，故定值电阻应选R2(G)；从精确性原则出发，滑动变阻器最大阻值应尽可能小些，故选甲(D)。 (2)实验电路如图所示。,课时跟踪检测 见“课时跟踪 检测（二十八）”,章末验收评估见“阶段验收评估（七）”,