例谈如何进行电学实验的电路设计

吴 敏

(常州市第二中学,江苏常州 213003)

电学实验中的电路的设计一直是高考的一个热点,也是高中学生学习的一个难点,设计的思路是怎样一步步呈现的呢?我们先来分析一下高中物理选修3-1中“测电池的电动势和内阻”验电路图的设计由来.

(1)明确测量对象:电池(图1).

(2)测量对象必须对外供电(图2).

图1

图2

(3)可以列出的方程E=U+Ir,分析可得U可由电压表测量,I可由电流表测量;同时必须至少得到两个方程组E=U1+I1r,E=U2+I2r才能解出 E、r,所以电阻得调整为可调电阻即用滑动变阻器或电阻箱(图3).

图3

图4

(4)得到设计电路图(图4).

从测量电池的电动势和内阻的实验,我们可以体会到一个电学实验电路图的设计过程是一个层层剖析、不断调整、逐步完善的过程.下面我们通过例子来体验这种设计过程,总结出电路设计的一般方法.

例1.测量电源B的电动势E及内阻r(E约为6 V,r约为1.5 Ω).可选用的器材如下:量程为3 V的电压表V,量程为0.6 A的电流表A,固定电阻R=8.5 Ω;滑动变阻器 R′(0-10 Ω);电键 S,导线若干.

(1)画出实验电路图,要求实验结果尽可能精确 .

(2)实验中,当电流表的读数为 I1时,电压表的读数为U1;当电流表的读数为I2时,电压表的读数为 U2,则可求出E=________,r=________(用 I1、U1、I2、U2及 R 表示).

分析过程:

(1)测量电源的电动势E及内阻r,我们掌握的基本电路图是什么?

(2)本题中已经有了电压表、电流表、滑动变阻器,为什么还提供了一只8.5 Ω的定值电阻?

(3)观察题中各元件的参数,发现路端电压超出了电压表量程,尝试着对原有的电路图进行改进.

(4)深入引导学生分析定值电阻可能放置的位置,分析其是否合理.

设计解答:(1)测电源电动势和内阻的基本电路图(图4).

(2)分析讨论本题中给定元件的参量,发现电压表的量程不符合要求,尝试利用定值电阻8.5 Ω对电路进行改进,思考这样两个问题:若定值电阻和电压表串联是否合理?若定值电阻串联在电流表所在的支路中是否合理?不难得出正确电路(图5).

从例1可以发现设计电路是不能脱离平时学过的基本实验电路图的,分析具体的问题,寻找和基本电路的差异,从而找到突破口,对原有的电路图进行不断的调整和完善.

例2.为描绘6 V、3 W 的小灯泡的伏安特性曲线,并测定小灯泡的额定功率.有下列实验器材:

A.电压表(0-3 V,内阻 3 kΩ);

B.电流表(0-0.6 A,内阻 3 Ω);

C.定值电阻R=6 kΩ;

D.变阻器 R′(20 Ω,2 A);

E.电源(电动势约9 V);

F.开关及导线.

(1)请设计电路图.

(2)在测定小灯泡的额定功率时,电压表的示数为_______V.

图5

分析过程同例1.

设计解答:

(1)描绘小灯泡的伏安特性曲线基本电路图(图6).

(2)分析给定元件的参数,发现电压表量程不够.

(3)定值电阻R=6 kΩ和电压表串联达到扩大量程的作用,得出最终的电路图(图 7).

图6

图7

(4)在测定小灯泡的额定功率时,电压表的示数为2 V.

例3.电压表量程为3 V,内阻约 3 kΩ,电流表的量程为1 mA,滑动变阻器的最大阻值为20 Ω,电源电动势约3 V.请设计一个尽可能精确测量电压表内阻的电路图.

分析过程:

(1)任何一个电路都由两部分组成:电源电路(控制电路)和测量电路.

(2)本题中如何提供一个可以获得较大电压调节范围的电源电路.

(3)测量电路中被测对象为电压表.自然得把电压表连接在测量电路中,分析不难能得到电压表内阻上的电压能直接读出.

(4)如何知道流过电压表的电流呢?

设计解答:

(1)电源电路(控制电路):滑动变阻器分压式接法(图8).

图8

图9

(2)电压表是测量对象,自然得连接在测量电路中(图9).

(3)电流表串联在测量电路中,测定流过电压表的电流(图10).

图10

(4)进一步估算分析此电路的可行性.当电压表的指针满偏时,流过的电流计算可得1 mA,即电流表指针也满偏.此电路可以在常态下工作.

从以上几个例子可以发现电路的设计首先画出基本电路图,然后不断调整、完善,最后得到符合要求的电路设计图. (收稿日期:2011-05-04)