电学实验中仪器和电路选择的综合应用
2015-06-03王新芝
王新芝
中学电学实验因其原理丰富、操作容易、现象明显、误差相对较小且易于减小实验误差等特点，成为各类考试考察中长盛不衰的“热点”，高考中更是年年必考.其中难点是实验仪器和电路的选择，它能充分反映学生对实验目的、实验原理、实验方法和步骤等的理解掌握情况以及对实验器材性能和操作的熟练程度，是学生学习的重点和难点.下面分析如何解决这一类型的习题.
一、总原则
选择仪器和电路的目的是为了减小实验误差，使测量尽量准确.因此，为了使测量尽量准确和保护仪器，选择仪器和电路时应注意如下总原则.
1.电表的选择：①尽量选择较理想（即安培表内阻越小越好，伏特表内阻越大越好）的电表（电压表，电流表）；②选量程时应尽量使指针达半偏以上，这样有利于减小误差.
2.变阻器的选择：原则上要便于调节.所以在限流接法中其电阻值应接近待测电阻，不要过大，也不要过小；在分压接法中，尽量选阻值小的.额定电流则越大越好.
3.安培表内、外接法的选择：当RxRA
4. 分压、限流电路的选择：①选择电路时优先考虑限流电路，当电路中最小电流仍超过电流表量程（或电路中额定电流）时，就用分压电路；②要求负载电压从零开始或尽量多测几组试验数据时，用分压电路；③用图线法处理数据时，用分压电路.
二、例题解析
例1（2013·北京·21）某同学通过实验测定一个阻值约为5 Ω的电阻Rx的阻值.
（1）现有电源（4V，内阻可不计）、滑动变阻器（0～50 Ω，额定电流2A）、开关和导线若干，以及下列电表：
A.电流表（0～3 A，内阻约0.025 Ω）
B.电流表（0～0.6 A，内阻约0.125 Ω）
C.电压表（0～3 V，内阻约3 kΩ）
D.电压表（0～15 V，内阻约15 kΩ）
为减小测量误差，在实验中，电流表应选用，电压表应选用（选填器材前的字母）；实验电路应采用图1中的（选填“甲”或“乙”）.
图1（2）图2是测量Rx的实验器材实物图，图中已连接了部分导线.请根据在（1）问中所选的电路图，用笔画线代替导线补充完成图中实物间的连线.
图2（3）接通开关，改变滑动变阻器滑片P的位置，并记录对应的电流表示数I、电压表示数U.某次电表示数如图3所示，可得该电阻的测量值Rx=UI=Ω（保留两位有效数字）.
图3（4）若在（1）问中选用甲电路，产生误差的主要原因是；若在（1）问中选用乙电路，产生误差的主要原因是.（选填选项前的字母）
A.电流表测量值小于流经Rx的电流值
B.电流表测量值大于流经Rx的电流值
C.电压表测量值小于Rx两端的电压值
D.电压表测量值大于Rx两端的电压值
解析（1）为了减小误差，应使电表读数为量程的13～23，电源电动势为4 V，故电压表选C.估算通过Rx的最大电流约为Im=35A=0.6 A，所以电流表应选B.因为RVRx>RxRA，所以电流表应外接，即应采用甲电路，测量误差较小.
（2）如图4所示.
图4（3）电流表、电压表的读数分别为I=0.50 A，U=2.60 V，所以Rx=2.600.50Ω=5.2 Ω.
（4）甲电路中产生误差的主要原因是电压表的分流作用，选项B正确.乙电路中产生误差的主要原因是电流表的分压作用，故选项D正确.
例2在“测定金属的电阻率”的实验中，若待测金属丝的电阻约为5 Ω，要求测量结果尽量准确，提供以下器材供选择：
A.电池组（3 V，内阻1 Ω）
B.电流表（0～3 A，内阻0.012 5 Ω）
C.电流表（0～0.6 A，内阻0.125 Ω）
D.电压表（0～3 V，内阻4 kΩ）
E.电压表（0～15 V，内阻15 kΩ）
F.滑动变阻器（0～20 Ω，允许最大电流1 A）
G.滑动变阻器（0～2 000 Ω，允许最大电流0.3 A）
H.开关、导线若干
（1）实验时应从上述器材中选用（填写仪器前的字母代号）；
（2）测电阻时，电流表、电压表、待测金属丝电阻Rx在组成测量电路时，应采用电流表（选填“外”或“内”）接法，待测金属丝电阻的测量值比真实值偏（选填“大”或“小”）；
图5（3）若用螺旋测微器测得金属丝的直径d的读数如图5所示，则读数为mm；
（4）若用L表示金属丝的长度，d表示直径，测得电阻为R，请写出计算金属丝电阻率的表达式ρ=.
解析（1）电池组电压是3 V，流过金属丝的最大电流Im=Er+Rx=0.5 A，故电流表选C，电压表选D；滑动变阻器选总阻值小的，便于调节，故选F；另外要选导线、开关.
（2）因为RxRA=40，RVRx=800，故电流表选择外接法，外接法测量值偏小.
（3）根据千分尺的读数规则知，读数是0.5 mm+40.0×0.01 mm=0.900 mm.
（4）R=ρLS=ρ4Lπd2，解得ρ=πRd24L.
例3物理兴趣小组的同学们从实验室中找到一只小灯泡，其标称功率值为0.75 W，额定电压值已模糊不清.他们想测定其额定电压值，于是先用欧姆表直接测出该灯泡的电阻约为2 Ω，然后根据公式计算出该灯泡的额定电压U=PR=0.75×2 V=1.22 V.他们怀疑所得电压值不准确，于是，再利用下面可供选择的实验器材设计一个电路，测量通过灯泡的电流和它两端的电压并根据测量数据来绘制灯泡的U-I图线，进而分析灯泡的额定电压.
A.电压表V（量程3 V，内阻约3 kΩ）
B.电流表A1（量程150 mA，内阻约2 Ω）
C.电流表A2（量程500 mA，内阻约0.6 Ω）
D.滑动变阻器R1（0～20 Ω）
E.滑动变阻器R2（0～100 Ω）
F.电源E（电动势4.0 V，内阻不计）
G.开关S和导线若干
H.待测灯泡L（额定功率0.75 W，额定电压未知）
（1）在下面所给的虚线框中画出他们进行实验的电路原理图，指出上述器材中，电流表选择（填“A1”或“A2”）；滑动变阻器选择（填“R1”或“R2”）.
（2）在实验过程中，该同学将灯泡两端的电压由零缓慢地增加，当电压达到1.23 V时，发现灯泡亮度很暗，当达到2.70 V时，发现灯泡已过亮，便立即断开开关，并将所测数据记录在下边表格中.
