Transcript 专题三电学实验设计

第七章
恒定电流
专题三
菜
单
电学实验设计
高考总复习·物理
第七章
恒定电流
一、设计性实验概述
所谓设计型实验，就是题目要求考生运用学过的实
验原理和实验方法，自行设计一个新的实验方案，主
要考查考生是否真正理解实验原理和实验仪器的工作
原理，是否具有灵活运用实验知识解决新问题的能
力．是否具有在不同情况下迁移知识的能力．它要求
考生设计实验原理，选择实验器材，安排实验步
骤．设计数据处理的方法及分析实验误差．解决设计
型实验题的关键在于选择实验原理．这就要求考生能
审清题意，明确实验目的，应用迁移能力，联想相关
实验原理，坚持科学性、安全性、准确性、简便性的
原则进行设计．
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1．明确题目要求
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．
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2．明确实验原理
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．
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3．设计实验应遵循的原则
(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额定电
流(额定功率)等．
(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．
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“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．
(3)运用仪器少，耗电少原则
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．
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4．正确选择测量电路和控制电路
(1)测量电路电流表内、外接法的选择
若被测电阻或用电器电阻为大电阻，应选用
“电流表内接法”；若被测电阻或用电器电阻为小
电阻，应选用“电流表外接法”．当被测电阻
Rx> RA·RV 时 ， Rx 为 大 电 阻 ； 当 被 测 电 阻
Rx< RA·RV时，Rx 为小电阻．
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(2)控制电路分压、限流的选择
控制电路有限流式接法(图3－1甲)和分压式接法(图3
－1乙)两种
图3－1
在具体实验中，滑动变阻器是采用分压式还是限流
式，可按以下标准进行判断：
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①负载电阻的阻值Rx 远大于滑动变阻器总电阻R，
需用分压式电路．
②要求负载上电压或电流变化范围较大，且从零开
始连续可调，需用分压式电路．
③负载电阻的阻值Rx 小于滑动变阻器的总电阻R或
相差不多，并且电压、电流表示数变化不要求从零起
调，可采用限流式．
④两种电路均可使用的情况下，应优先采用限流式
接法'因为限流式接法消耗的总功率较小．
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二、设计性实验举例
类型一 电荷量的测定
(2014·保定市一模)电子所带的电荷量(元电
荷e)最先是由密立根通过油滴实验测量出的，图3－2
是该实验装置的示意图，将两块水平放置的金属板A、
B连接到电路中，板间产生竖直向下的匀强电场．用
一个喷雾器把许多油滴从上板中间的小孔喷入电场，
油滴从喷口出来时由于摩擦带负电，在实验中通过调
节金属板间的电压，利用显微镜观察，找到悬浮不动
的油滴．所用部分器材已在图中给出，其中E为直流
电源，R为滑动变阻器， 为电压表，S为开关，此外还
有若干轻质导线．
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图3－2
(1)在图中画线连接成实验电路图(其中①②③是已经
连接好的导线)．
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(2)实验时观察到某个悬浮不动的油滴半径为r，此时
电压表的示数为U，金属板A、B间的距离为d.已知油
滴密度为ρ，重力加速度为g，空气浮力不计，则该油
滴所带的电荷量为________．(用题目中所给的物理量
表示)
U
[解析] (2)油滴处于静止状态，q ＝mg，其中 m
d
4πρdgr3
4 3
＝ρ· πr ，联立解得 q＝
.
3
3U
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[答案]
(1)如图所示
4πρdgr3
(2)
3U
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类型二
电阻阻值的测定
(2014·山东省实验中学模拟)某物理实验小组
利用实验室提供的器材测量一待测电阻的阻值，可选
用器材的代号和规格如下：
图3－3
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电流表
(量程 250 mA，内阻 r1＝5 Ω)
电流表
(量程 300 mA，内阻 r2 约为 5 Ω)
待测电阻 Rx(阻值约为 100 Ω)
滑动变阻器 R(最大阻值 10 Ω)
蓄电池 E(电动势为 6 V，内阻 r 约为 1 Ω)
单刀单掷开关 S，导线若干
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(1)小组同学根据实验器材所设计的实验电路原理图
如图3－3所示，但两只电表的代号没有明确，请用笔
画线代替导线，将图3－4中的实验器材按电路原理图
连成实验电路，并在电表下方的虚线框内标明两只电
表的代号．
图3－4
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(2)他们需要直接测量的物理量是________，用所测
物理量表示待测电阻的计算式为Rx＝________．
[解析]
(1)题中没给电压表，而是给出了两只电流
表．可将已知阻值的电流表 作为电压表使用，因此与
Rx并联的电流表为 ，右侧的电流表为 ，实验器材连线
如图所示．
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(2)实验中读出电流表 的示数 I1、电流表 的示数
I2，电阻 Rx 的电压为 U＝I1r1，电流为 I＝I2－I1，所以
U
I1 r1
Rx＝ ＝
.
I I2－I1
[答案]
(2)电流表 的示数 I1、电流表
I1 r1
I2－I1
的示数 I2
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(1)见解析图
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类型三
电流表内阻的测定
(2014·顺义区二模)实验室有一块量程为500
μA.内阻Rg 约为200 Ω的电流表(也称微安表)，需要准
确测量它的电阻、一同学根据实验室现有的器材设计
了如图3－5甲和乙两种实验电路、已知实验室中的部
分实验器材的规格如下：
电流表(也称毫安表)：mA(量程1 mA，内阻约100 Ω)
滑动变阻器A：R1(20 Ω，1 A)
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变阻箱：R2(999.9 Ω)
直流电源：(电动势为3 V，内阻很小)
可供选择的不同阻值的定值电阻R3
图3－5
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恒定电流
(1)将图3－5丙所示的实验图按图甲所示的电路连接
成实验电路．
(2)在图3－5乙所示的电路中，为了便于实验的调节，
滑动变阻器R，应选________(选填“滑动变阻器A”
或“滑动变阻器B”)．为了保证实验操作过程的安全
(即使滑动变阻器R1的阻值调为0，也不会烧坏电流表)，
并 便 于 实 验 调 节 ， 定 值 电 阻 器 R3 的 阻 值 应 选
________(填选项前的字母)．
A．100 Ω
B．1 kΩ
C．6 kΩ
D．10 kΩ
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(3)利用图3－5甲所示的电路，闭合S1之后进行测量
时，需要记录的实验数据有(同时用设定的字母表
示)________；用你记录的实验数据的字母表示出测量
的结果是________．
(2)滑动变阻器R1 在实验中起调节电流的作
[解析]
用．应选大量程的，以使电路中的电流能够调节到足
够小．由于电源电动势为3 V，由闭合电路欧姆定律可
得定值电阻R3的阻值应选3 kΩ至6 kΩ的．
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[答案]
(1)如图所示
(2)滑动变阻器B
C
(3) 微 安 表 读 数 I1 、 毫 安 表 读 数 I2 、 电 阻 箱 读 数 R2
(I2－I1)R2/I1
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类型四
描绘伏安特性曲线实验与测定电动势
内阻实验的结合
在一次探究小灯泡的伏安特性曲线实验中，
所用器材有：灯泡L，量程恰当的电流表 和电压表 ，
直流电源E，滑动变阻器R，开关S，要求灯泡两端的
电压从零开始变化．
(1)图3－6所示为某同学已连接的实物电路，经检查，
发现电路中缺少一根导线，请你帮助他找到这根线的
位置，并画在图3－6中；
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图3－6
(2)若该同学在如图3－6所示状态下完成了最后一根
导线的连接，请指出其中的两个不当之处；
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恒定电流
①________________________________________；
②________________________________________.
(3)电路连接正确后，分别测得两只灯泡L1、L2的伏
安特性曲线，如图3－7甲中Ⅰ和Ⅱ所示，然后将灯泡
L1 和L2 与电池组(电动势和内阻均恒定)连成图3－7乙
所示的电路．多次测量后得到通过L1和L2 的电流平均
值分别为0.3 A和0.6 A．请根据以上结果，在图甲中画
出该电池组路端电压和干路电流的关系曲线．
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图3－7
(4)由该曲线可以得知电池组的电动势为________V，
内阻为________Ω.(结果取2位有效数字)
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[解析]
(1)电源正极没有接出导线，正确的电路图
如答案图所示．
(2)从实验安全的角度考虑，本实验的两个不当之处
为：①开关应处于断开状态进行连线；②为了保护电
路，滑动变阻器滑片P应拔至b端．
(3)I1＝0.3 A时由甲图中Ⅰ图线知对应电压U1为3.5 V，
I2＝0.6 A时由甲图中Ⅱ图线知对应电压U2＝3.0 V．即
知道路端电压随电流变化图线的两个点．在U－I坐标
系中过这两点作直线，如答案图所示．
(4)由图线的斜率可知电源内阻为1.7 Ω，由图线的纵
截距可知电源电动势为4.2 V.
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[答案]
(1)如图所示
(2)①开关应处于断开状态进行连线
②滑动变阻器的滑片P应拨至b端
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(3)如图所示
(4)4.2(4.0～4.5)
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1.7
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