电学实验器材和方法的替代

2018-02-05江苏省盐城市建湖县第二中学兰有胜

中学生数理化(高中版.高考理化) 2018年1期

■江苏省盐城市建湖县第二中学兰有胜

在高中电学实验中,常见的实验器材和方法的替代主要有以下四个方面的创新。

一、电表量程的改装替代

当题目给出的电表量程较小,而不能满足测量要求时,就需要扩大电表的量程,用改装后的电表来替代原电表进行测量。

例1测量电源的电动势和内阻,提供的器材如下：A.待测电源(电动势约为8V、内阻约为2Ω),B.电压表V(0～3V,内阻约为3kΩ),C.电流表A(0～1A),D.电阻箱R(0～99999.9Ω),E.滑动变阻器(0～20Ω),F.滑动变阻器(0～100Ω),G.开关一个、导线若干。

图1

(1)采用如图1所示电路测量电压表的内阻RV。调节电阻箱R,使电压表指针满偏,此时电阻箱示数为R1;再调节电阻箱R,使电压表指针指在满刻度的一半处,此时电阻箱示数为R2。

①电压表内阻RV=____。

②关于上述实验,下列说法中正确的有____。

A.实验中电源可使用待测电源

B.闭合开关S前,应将电阻箱阻值调到最小

C.调节电阻箱R使电压表指针满偏时,电阻箱的阻值是逐渐增大的

D.实验中忽略了电源的内阻,会使测量值偏大

(2)若测得电压表内阻RV=3010Ω,则与之串联一个R=____Ω的电阻,可将电压表的量程变为9V。

(3)为测量电源的电动势和内阻,请用笔画线代替导线,将如图2所示实物电路连接完整。实验中,滑动变阻器应选择____(选填“E”或“F”),并指出产生实验误差的一个原因：____。

分析：本题中是用改装的电压表来等效替代大量程的电压表。求解(1)问时,应考虑到电压表的内阻较大,相对而言,电源的内阻较小,可忽略不计。另外,求解电路问题应考虑运用闭合电路的欧姆定律列式,并考虑综合分析实验的系统误差问题。(2)问考查的是改装电表以扩大量程。选择滑动变阻器应考虑到电表量程及其读数的精确度。

图2

答案：(1)①R2-2R1②AD

(2)6020

(3)如图3所示 E 电压表的分流、电表的读数误差、电表本身的精确度不高等

图3

二、电流表和电压表的转换替代

按常理,电流表和电压表是分别用来测量电流和电压的,但有时由于实际需要,可以将电表适当改装而改变它们的用途,将电流表和电压表转换替代使用。

例2某兴趣小组要精确测定额定电压为3V的节能灯正常工作时的电阻,已知该节能灯正常工作时的电阻约为500Ω。实验室提供的器材有：电流表A(量程0～3mA,内阻RA=15Ω),定值电阻R1=1985Ω,滑动变阻器R(0～10Ω),电压表V(量程0～12V,内阻RV=1kΩ),蓄电池E(电动势为12V,内阻r很小),开关一个,导线若干。

(1)要精确测定该节能灯正常工作时的电阻应采用如图4所示电路图中的____。

图4

(2)若电压表V的示数用U表示,电流表A的示数用I表示,写出测量节能灯正常工作时的电阻表达式Rx=____(用U、I、R1、RA、RV表示)。当电流I=____mA时,记下电压表的读数U并代入表达式,其结果即为节能灯正常工作时的电阻。

分析：要测定该节能灯正常工作时的电阻,需测量节能灯两端的电压和通过节能灯的电流。节能灯的额定电压为3V,题目中所给的电压表量程过大,测量误差较大,因此不能用已知的电压表直接测量节能灯两端的电压;节能灯正常工作时的电流大约为6mA,题目中所给的电流表量程较小,因此无法用已知的电流表直接测量通过节能灯的电流。可以将电流表A与定值电阻串联改装为电压表测量电压,用已知内阻的电压表代替电流表测量电流。因为滑动变阻器的阻值远小于节能灯正常工作时的电阻,所以滑动变阻器应采用分压式接法。

答案：(1)C

三、电源种类的变换替代

电学实验的电源常用干电池,但有时也会用其他种类的器材加以替代。常见的电源种类的变换替代有“水果电池”替代“干电池”,“多用电表”替代“干电池”等。

例3指针式多用电表欧姆挡的内部电路由直流电源、调零电阻和表头相串联而成,现设计一个实验,测量多用表“×1Ω”挡的内部电源的电动势和内部总电阻。给定的器材有：待测多用电表,量程为100mA的电流表,最大电阻为20Ω的滑动变阻器,鳄鱼夹,开关,导线若干。实验过程如下：

(1)实验前将多用电表调至“×1Ω”挡,将红、黑表笔短接,调节旋钮,使指针指在____(选填“电阻”或“电流”)的零刻度处。

(2)用鳄鱼夹将红、黑表笔固定在如图5所示的两接线柱上,请用笔画线代替导线将电路连接完整。

(3)调节滑动变阻器,读出多用电表示数R、毫安表示数I,求出电流倒数记录在表1中,根据表格数据在图6的坐标系中描点作图。

表1

图6

(4)根据图像求出多用电表内部电源的电动势为____V,内部总电阻为____Ω。(结果保留三位有效数字)

(5)电流表存在一定的内阻,这对实验结果____(选填“有影响”或“无影响”)。

分析：知道欧姆调零的原理,便可以确定(1)问中应该使指针指在电阻的零刻度处。对照课本中测定电池的电动势和内阻的实验原理可知,此处可用多用电表替代电池。根据闭合电路的欧姆定律可推导出R=1EI r,结合数学知识即可求出等效电源的电动势和内阻。因为欧姆表的示数是外电路的总电阻,所以电流表的电阻对实验结果没有影响。

答案：(1)电阻

(2)如图7所示

图7

(3)如图8所示

图8

(4)1.50 15.0

(5)无影响

四、“电阻”测量方法的替代

测量电阻常用欧姆表或“伏安法”,而为了考查同学们的创新能力,有些试题会用“安阻法”“伏阻法”“半偏法”等替代“伏安法”。

例4(2015年高考全国Ⅱ卷)电压表满偏时通过该表的电流是半偏时通过该表电流的两倍。某同学利用这一事实测量电压表的内阻(半偏法),实验室提供的器材如下：待测电压表V(量程3V,内阻约为3000Ω),电阻箱R0(最大阻值为99999.9Ω),滑动变阻器R1(最大阻值100Ω,额定电流2A),电源E(电动势6V,内阻不计),开关2个,导线若干。

图9

(1)如图9所示的虚线框内为该同学设计的测量电压表内阻的电路图的一部分,请将电路图补充完整。

(2)根据设计的电路,写出实验步骤：___。

(3)将这种方法测出的电压表内阻记为RV',与电压表内阻的真实值RV相比,则RV'____RV(选填“＞”“=”或“＜”),主要理由是：___。

分析：待测电压表电阻(约3000Ω)远大于滑动变阻器R1的最大阻值(100Ω),故滑动变阻器R1应采用分压式接法;待测电压表的量程为3V,电源的电动势为6V,由给定的器材分析,应优先考虑分压式电路接法;考虑到电路的安全性,在闭合开关前,应将变阻器的滑片移动到使分压部分的电压最小。使电压表与电阻箱串联时认为分压部分电压不变,而实际在断开开关S2时,将会引起电路总电阻增大,使得分压部分的电压大于电压表满偏时的电压,即电压表半偏时,R0的实际电压大于电压表半偏电压,导致RV＜R'V。另外,滑动变阻器的选择要注意阻值宜适当小些,以减少闭合开关S2引起分压部分总电压的变化,从而减少误差。

答案：(1)如图10所示。