■河南省信陽(yáng)市新縣高中

付培軍

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設(shè)計(jì)性電學(xué)實(shí)驗(yàn)試題賞析

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付培軍

設(shè)計(jì)性電學(xué)實(shí)驗(yàn)在強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)原理理解、誤差分析的基礎(chǔ)上，要求進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，或轉(zhuǎn)換角度和條件，進(jìn)行拓展創(chuàng)新。設(shè)計(jì)性電學(xué)實(shí)驗(yàn)分封閉性實(shí)驗(yàn)和開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)。封閉性實(shí)驗(yàn)是指給定實(shí)驗(yàn)器材，要求同學(xué)們完成實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，此時(shí)實(shí)驗(yàn)的原理和方法是確定的。開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)是指只有實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，不給實(shí)驗(yàn)器材，要求同學(xué)們自行設(shè)計(jì)，答案多樣。

求解設(shè)計(jì)性電學(xué)實(shí)驗(yàn)試題的思路包括以下五步。

1．設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路。

(1)確定實(shí)驗(yàn)原理。電路設(shè)計(jì)是從探索實(shí)驗(yàn)原理開(kāi)始的，實(shí)驗(yàn)原理既包括實(shí)驗(yàn)所探索的原理和設(shè)想，也包括實(shí)驗(yàn)儀器、裝置所應(yīng)用的科學(xué)原理，它是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，也是貫穿整個(gè)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的主線。

(2)構(gòu)想實(shí)驗(yàn)電路。從電路的結(jié)構(gòu)上看，由三部分組成：一是動(dòng)力源，即電源；二是測(cè)量電路，它由被測(cè)元件、測(cè)量?jī)x器組成；三是控制電路，它由開(kāi)關(guān)、變阻器等控制元件組成。一般需要先確定測(cè)量電路，再確定控制電路，最后確定動(dòng)力源。

2.選擇實(shí)驗(yàn)器材。

實(shí)驗(yàn)器材的選擇應(yīng)遵循以下原則。

(1)科學(xué)性：實(shí)驗(yàn)方案中依據(jù)的原理應(yīng)遵循物理規(guī)律，選用的規(guī)律要簡(jiǎn)明正確，操作程序應(yīng)具有科學(xué)性。

(2)安全性：在實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)施過(guò)程中應(yīng)確保實(shí)驗(yàn)人員和實(shí)驗(yàn)器材的安全。

(3)精確性：確保實(shí)驗(yàn)誤差在允許誤差的范圍內(nèi)。選擇儀器時(shí)要有利于減少測(cè)量誤差，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。如一般選內(nèi)阻較大的電壓表和內(nèi)阻較小的電流表，且讀數(shù)時(shí)表頭指針在滿偏的三分之二左右位置；使用歐姆表測(cè)量時(shí)應(yīng)使指針在中心刻度附近；數(shù)據(jù)的處理常采用圖像法等。

(4)節(jié)約性：在保證安全可靠的前提下，盡量減小成本和電能消耗。

3．選擇實(shí)驗(yàn)電路。

(1)恰當(dāng)?shù)剡x擇電流表內(nèi)接法和外接法。

(2)恰當(dāng)?shù)剡x擇滑動(dòng)變阻器限流式和分壓式。(本期中的《解讀電學(xué)實(shí)驗(yàn)中“三個(gè)選擇”》給出了具體的選擇方法，同學(xué)們一定要深刻理解并靈活掌握。)

4.連接實(shí)物圖。

進(jìn)行實(shí)物圖連接時(shí)，一般要先畫(huà)好實(shí)驗(yàn)電路原理圖，再?gòu)碾娫吹恼龢O開(kāi)始沿順時(shí)針?lè)较驅(qū)⒏陕沸枰?lián)的元件依次串聯(lián)起來(lái)，然后連接支路，將需要并聯(lián)的元件并聯(lián)到電路中。連接完畢，一定要進(jìn)行仔細(xì)檢查。連接電表時(shí)應(yīng)注意量程選用正確；正、負(fù)接線柱不要接錯(cuò)；各導(dǎo)線都應(yīng)接在接線柱上；在導(dǎo)線中間不要出現(xiàn)交叉等。

5．處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1

例1 國(guó)標(biāo)規(guī)定自來(lái)水在15 ℃時(shí)電阻率應(yīng)大于13 Ω·m。為測(cè)量15 ℃時(shí)自來(lái)水的電阻率和電源的電動(dòng)勢(shì)與內(nèi)阻，某物理興趣小組設(shè)計(jì)了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)電路。其中內(nèi)徑均勻的圓柱形玻璃管側(cè)壁連接一細(xì)管，細(xì)管上加有閥門K以控制管內(nèi)自來(lái)水的量，玻璃管兩端接有電阻可忽略不計(jì)的導(dǎo)電活塞，左活塞固定，右活塞可自由移動(dòng)。圖中R0為定值電阻，R為電阻箱，A為理想電流表，S為單刀雙擲開(kāi)關(guān)。此外還有游標(biāo)卡尺和刻度尺供使用。該興趣小組的實(shí)驗(yàn)步驟如下：

A.用游標(biāo)卡尺測(cè)量玻璃管的內(nèi)徑d如圖2所示；

圖2

B.向玻璃管內(nèi)注滿自來(lái)水，用刻度尺測(cè)量水柱長(zhǎng)度，把開(kāi)關(guān)S撥到1位置，記錄電流表示數(shù)I；

C.把開(kāi)關(guān)S撥到2位置調(diào)電阻箱阻值，使電流表示數(shù)也為I，發(fā)現(xiàn)電阻箱的阻值如圖3所示；

圖3

D.重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟B、C，改變水柱長(zhǎng)度讀出電阻箱示數(shù)R；

E.把開(kāi)關(guān)S撥到2位置不變，改變電阻箱的示數(shù)讀取對(duì)應(yīng)的電流值；

F.斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S，整理好器材。

(1)所測(cè)玻璃管的內(nèi)徑為_(kāi)___mm。圖示電阻箱的讀數(shù)應(yīng)為_(kāi)___Ω。

(2)以電阻箱示數(shù)R為縱軸，用對(duì)應(yīng)水柱長(zhǎng)度為橫軸作出一條直線。若直線的斜率為k，則玻璃管內(nèi)水柱電阻率的表達(dá)式為ρ=____。

(3)把開(kāi)關(guān)S撥到2位置不變時(shí)，采用圖像處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，宜繪制出____關(guān)系圖像，處理較為簡(jiǎn)單。

(4)實(shí)際的電流表有一定的內(nèi)阻，在本實(shí)驗(yàn)中它對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響分別是：使水柱電阻率的測(cè)量值____；使電源電動(dòng)勢(shì)的測(cè)量值____；使電源內(nèi)阻的測(cè)量值____。(選填“偏大”“偏小”或“無(wú)影響”)

點(diǎn)評(píng)：本題考查游標(biāo)卡尺和電阻箱的讀數(shù)、用替代法測(cè)自來(lái)水的電阻率、用安阻法測(cè)電源的電動(dòng)勢(shì)與內(nèi)阻的原理及誤差分析等。同學(xué)們?cè)谧x數(shù)時(shí)，要注意有效數(shù)字的位數(shù)和讀數(shù)規(guī)則。

例2 要測(cè)量電壓表V1的內(nèi)阻RV，其量程為2 V，內(nèi)阻約為2 kΩ。提供的器材有：

電流表A，量程0.6 A，內(nèi)阻約為0.1 Ω；

電壓表V2，量程5 V，內(nèi)阻約為5 kΩ；

定值電阻R1，阻值為30 Ω；

定值電阻R2，阻值為3 kΩ；

滑動(dòng)變阻器R3，最大阻值為100 Ω，額定電流為1.5 A；

電源E，電動(dòng)勢(shì)為6 V，內(nèi)阻約為0.5 Ω；

開(kāi)關(guān)S一個(gè)，導(dǎo)線若干。

(1)有人擬將待測(cè)電壓表V1和電流表A串聯(lián)接入電壓合適的測(cè)量電路中，測(cè)出電壓表V1的電壓和電流，再計(jì)算出RV。該方案實(shí)際上不可行，其最主要的原因是____。

(2)請(qǐng)選擇合適的器材，設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)量電壓表V1內(nèi)阻RV的實(shí)驗(yàn)電路。要求測(cè)量盡量準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)必須在同一電路中，且在不增減元件的條件下完成。試畫(huà)出實(shí)驗(yàn)電路圖，并標(biāo)出所選元件的相應(yīng)字母代號(hào)。

(3)根據(jù)(2)設(shè)計(jì)的電路，電壓表V1內(nèi)阻RV的表達(dá)式為_(kāi)___，式中各測(cè)量量的物理意義是____。

解析：(1)因?yàn)殡妷罕淼膬?nèi)阻很大，將待測(cè)電壓表V1和電流表A串聯(lián)后電路中的電流很小，致使電流表測(cè)量不準(zhǔn)，所以該方案不可行。

圖4

(2)因?yàn)榇郎y(cè)電壓表V1的內(nèi)阻與已知電壓表V2的內(nèi)阻相差約3 kΩ，而題中又提供有定值電阻R2，所以可以讓電壓表V1與定值電阻R2串聯(lián)后與電壓表V2并聯(lián)。又因?yàn)榛瑒?dòng)變阻器的阻值較小，所以應(yīng)該選用分壓式。實(shí)驗(yàn)電路如圖4所示。

點(diǎn)評(píng)：本題在課本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。求解此類問(wèn)題時(shí)，要結(jié)合題給條件，將相應(yīng)的物理知識(shí)進(jìn)行拓展和遷移，原理是實(shí)驗(yàn)的靈魂，它決定著所用儀器、操作方法、要達(dá)到的目的等。

圖5

(1)用筆畫(huà)線代替導(dǎo)線，將如圖6所示的實(shí)物連接起來(lái)。

圖6

(2)實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)先將滑動(dòng)變阻器的滑片P滑到____(選填“a”或“b”)端。

圖7

(3)合上開(kāi)關(guān)S1，開(kāi)關(guān)S2接1位置，改變滑動(dòng)變阻器的阻值，記錄幾組電壓表和對(duì)應(yīng)電流表的示數(shù)；將開(kāi)關(guān)S2接2位置，改變滑動(dòng)變阻器的阻值，記錄幾組電壓表和對(duì)應(yīng)電流表的示數(shù)。在同一坐標(biāo)系內(nèi)分別描點(diǎn)作出對(duì)應(yīng)的U-I圖像如圖7所示。圖中兩直線的縱截距分別為UA、UB，橫截距分別為IA、IB。

①開(kāi)關(guān)S2接1位置時(shí)作出的U-I圖像應(yīng)是____(選填“A”或“B”)，測(cè)出的電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)阻r存在系統(tǒng)誤差，原因是____。

②由U-I圖像知該電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的真實(shí)值E=____，r=____。

③由U-I圖像知電流表的內(nèi)阻RA=____。

參考答案：(1)實(shí)物連接如圖8所示。

圖8

(責(zé)任編輯 張 巧)