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第二轮能力专题:电路设计与仪器选择,实验电路设计的原则,1、安全性,2、精确性,3、方便性,4、误差小,5、仪器少,6、耗电少,知识概要与方法,一.仪器的选择,对实验仪器的选择,在进行正确测量的前提下,一般遵循以下原则:,安全性原则:,要保证所用仪器的安全,注意考虑电源的电压、电表的量程、滑动变阻器允许通过的最大电流等。选择电表时,保证其电流和电压均不超过使用的量程。选择滑动变阻器时,流经滑动变阻器的电流不能超过允许通过的最大电流。,精确性原则:,尽量减小实验误差。选择电表时,在保证电流和电压均不超过使用量程的前提下,合理选择量程。务必使指针有较大偏转(一般取满偏度的2/3),一般能用小时不用大。选择滑动变阻器时,注意其阻值的大小对实验操作和对实验的影响,一般能用小时不用大。对某个实验来讲,精确程度够用即可,并不是精度越高越好。,操作性原则:,实验时需考虑调节方便,便于操作,如滑动变阻器的选择,既要考虑它的额定电流,又要考虑它的阻值范围,在二者都能满足实验要求的情况下,还要考虑阻值大小对实验操作中是否调节方便的影响。,选择的一般步骤是:,找出唯一性的器材; 草画电路图(暂不把电表接入); 估算最大值(在限流电路中把滑动变阻器触头推向最小值); 考虑能否都使电表达到满偏的1/3以上。,二.供电电路与滑动变阻器的选择, 限流电路,设路端电压为U,滑动变阻器的有效 电阻为接线柱a和P之间的电阻RaP, 灯泡的电阻为RL,则通过灯泡的电流强度为,灯泡两端的电压为,若滑动变阻器的总阻值为R,则灯泡两端电压的变化范围是,可见滑动变阻器的总阻值R越大,灯泡两端电压的变化范围越大。但若R比RL大得多,则滑动头稍有移动,电流电压便有很大变化,则不便于调节RL两端的电压,不宜采用。, 分压电路,设路端电压恒为U,这个电压分布在 滑动变阻器的全部电阻丝上,而灯只 分得其中接线柱a和P之间的电压。移 动滑动变阻器的滑片P,增加a和P之间的电阻RaP ,灯泡两端的电压就会随之增大。,灯泡两端电压的变化范围是,如果只从用电器两端电压的变化范围看,好像滑动变阻器的阻值多大都行,但是滑动变阻器的阻值越大越不便于调节用电器两端电压,且耗能越大.,使用限流电路时,一般选用滑动变阻器的全电阻和用电器的电阻相差不多或大几倍,在25倍为好,这样既便于调节,用电器两端电压变化范围又比较大.若过小,则不能有效地控制电流,过大则控制电流不平稳,会造成电流值跳跃太大.,a用电器两端电压要求变化范围较大,或从零开始连读可调,应选分压电路。 b如果采用限流电路时,电路中最小电流等于或大于用电器的额定电流,应选分压电路。 c如果滑动变阻器的全阻值比用电器的阻值小得多,为了能使用电器两端电压有较大变化,应选分压电路。 d如果滑动变阻器的全阻值比用电器的阻值相差不多,两种电路都可以对用电器的电压(电流)进行有效方便的控制,可以任选其中一种电路。此时假如从节省电能和电路简单考虑,应选限流电路。,使用分压电路时,一般选用滑动变阻器的全电阻小于用电器的电阻, 在0.10.5倍之间为好。即阻值小些,以获得较大的电流输出。,选用限流电路还是选用分压电路,以下几点可作参考 :,由于电流表、电压表内阻的影响,不管采用电流表内接还是外接都将会引起实验的误差。(如在伏安法测电阻时,内接法测量结果偏大,外接法测量结果偏小。),内接法的测量误差是由于电流表的 分压作用而产生的,由串联电路中电 压与电阻成正比,可知当RAR时,电 流表的分压作用可忽略不计,此时测量值很接近真实值,可见,测量大电阻时宜采用内接法.,外接法的测量误差是由于电压表的分流作用而产生的,由并联电路中电流与电阻成反比,可知当RvR时,电压表的分流作用可忽略不计,此时测量值很接近真实值,可见,测量小电阻时宜采用外接法。,三、测量电路的选择,如何确定R值是较大还是较小?,当被测电阻与电压表内阻的关系满足RVR即RV/R1时应采用“外接法”较准确;,当被测电阻与电流表的内阻相比满足 RAR即RA/R1,采用“内接法”测量误差较小,当RV/R=RA/R时,电压表的分流作用和电流表的分压作用对测量结果的影响是相同的,此时既可选择“内接法”也可选择“外接法”R= ,我们常称为临界电阻,当 RV/R R/RA即R 时,电流表的分压作用较电压表的分流作用明显,应采用外接电路,当RV/R 时,电压表的分流作用较电流表的分压作用明显,应采用内接电路,四.实验设计要求误差小.仪器少.耗电少.,为减小实验误差,在设计电路时,要注意实验原理的完善,尽量选用精密的仪器;选择合适的量程(使指针有较大偏转);读数时至少保证一个表(电流表或电压表)的指针与刻度线对齐。,在进行实验的设计时,根据实验要求选择必须的实验仪器,要充分发挥仪器的功能,在能完成实验的前提下,尽可能地减少仪器的使用数目。同时也还要求实验电路的耗电要少,节约能源。,如在用滑动变阻器作为控制电路时,滑动变阻器的限流接法较分压接法节省电能,不是非用分压接法不可的时候,通常用限流接法。,五.如何正确的读数,记录正确的实验数据?,1、读数前要明确实验中所用电表的量程,最小刻度是多少;,2、掌握读数最基本的原则:最小刻度的下一位要估读;人眼估读时通常是将最小刻度等分为十等分,然后估计指针的位置是多少等分,最后确定估读数;,3、根据高中实验要求,仪器的最小刻度除以2,所得数字的首位即为估读到的位数; 如量程为00.6A的电流表,其最小刻度是0.02A,误差出现在电流表的百分位上(0.02A/2=0.01A)。,例1.某电压表的内阻在20 k50 k之间,现要测量其内阻,实验室提供下列可选用器材:待测电压表V(量程3 V),电流表A(量程200 A),电流表A2(量程5 mA),电流表A3(量程0.6 ),滑动变阻器R(最大阻值1 k),电源E(电动势4 V),电键S. (1)所提供的电流表中,应选用_(填写字母代号). (2)为了尽量减小误差,要求测量多组数据,试在图中画出符合要求的实验电路图(电源和电键及连线已画出).,解:,电源电动势E=4V,电压表内阻最大50k,故电流最小值I=,=80A,A2、A3量程都太大,故选A1.,由于RV在20k50k之间,远大于滑动变阻器的阻值1k,故应连成分压电路.,例2.用伏安法测量某电阻的阻值,现有实验器材如下:待测电阻Rx(阻值大约为5,额定功率为1W);电流表A1(量程为00.6A,内阻为0.2);电流表A2(量程为03A,内阻为0.05);电压表V1(量程为03V,内阻为3K);电压表V2 (量程为015V,内阻为15K);滑动变阻器R(050);蓄电池(电动势为6V),开关、导线。 为了较准确测量Rx的阻值,保证器材的安全,以及操作方便,电流表、电压表应选择 ,并画出实验电路图。,1、确定电压表、电流表 被测电阻Rx的额定电压、额定电流分别为2.2V和0.45A,则电流表选用A1,电压表选用V1。,解,2、确定测量电路 由于待测电阻Rx的阻值大约是5,而所用电流表的内阻为0.2,所用电压表内阻为3K,即RvRx,故采用电流表的外接法。,3、确定控制电路 因滑动变阻器的全值R0大于被测电阻阻值Rx,故考虑滑动变阻器的限流接法(采用限流接法时,通过Rx的最大电流为0.45A,最小电流为0.11A,较符合实验要求)。,例3.有一电阻R,其阻值大约在40至50之间,需进一步测定其阻值,现有下列器材: 电池组,电动势为9V,内阻忽略不计; 电压表,量程为0至10,内阻20; 电流表A1,量程为0至50,内阻约20; 电流表A2,量程为0至300m,内阻约4; 滑动变阻器R1,阻值范围为0至100,额定电流1A; 滑动变阻器R2,阻值范围为0至1700,额定电流0.3; 开关及导线若干 实验电路图如图所示,实验中要求多测几组电流、电压值在实验中应选 电流表和 滑动变阻器,解:首先估算电路中可能达到的最大电流值,假设选电流表A1,则Im,0.14A 超过了 A1的量程.,假设选电流表 A2,则I/m,0.18A,未超出A2的量程,故应选电流表A2 .,对滑动变阻器的选择。假没选R1,电路中的最小电流约为,Imin 0.06A,,故电路中的电流强度范围为0.06A0.18A,假设选R2,电路中的最小电流约为 I/min,0.005A,故电路中的电流强度范围为0.005A - 0.18A,,因为电流表A2的量程为0.3,电流强度为0.06时,仅为电流表A2量程的1/5,如果移动滑动变阻器阻值再增大,其电流表的示数将更小,读数误差会更大,因此对于R2而言,有效的调节长度太小,将导致电流强度值随滑动片位置的变化太敏感.调节不方便,故应选滑动受阻器R1.,例4.(04全国)用以下器材测量一待测电阻Rx的阻值(9001000): 电源E,具有一定内阻,电动势约为9.0V; 电压表V1,量程为1.5V,内阻r1=750; 电压表V2,量程为5V,内阻r2=2500; 滑线变阻器R,最大阻值约为100; 单刀单掷开关K,导线若干。,测量中要求电压表的读数不小于其量程的 ,试画出测量电阻Rx的一种实验电路原理图(原理图中的元件要用题图中相应的英文字母标注),解:电源电动势约为9.0V、而电压表中最大量程只有5V,故经滑线变阻器分压后才可使被测电阻两端的电压不超过5V.,题中给出的两个都是已知内电阻的电压表,应将其中的一个已知内电阻的电压表当作电流表来使用,以实现电流值的间接测量.,若选择外接法:,应将电压表V2作电流表使用,因为电 压表V2的量程较大,电压表V1与被测 电阻Rx并联后再与作电流表使用的 电压表V2 串联,这样在不超过V1、V2 量程的前提下,可使电压表V1上的示数尽可能地接近满偏(1.5V),从而减小电压值测量的读数误差,提高测量精确程度.,若选择内接法:,因为电压表V1的量程较小,应将电压表 V1作电流表使用,电压表V2的量程较大, 应将电压表V2作测量电压表使用.电压 表V1与被测电阻Rx串联后再与作电压 表使用的电压表V2并联,这样在不超过 V1、V2量程的前提下,可使电压表V1上的示数尽可能地接近满偏(1.5V),从而减小电压值测量的读数误差,提高测量精确程度.,根据你所画的电路原理图在题给的实物图上画出联线.,若电压表V1的读数用U1表示,电压表V2的读数用U2表示,则由已知量和测得量表示Rx的公式为Rx=_。,解:外接法:电压表V1上的读数值是被测电阻Rx上的真实压降值,而电压表V2中通过的电流值是流过V1、Rx中电流的和,闭合电键K,调节滑线变阻器的滑动头,使V1、V2尽可能地接近满偏,读出V1、V2两表的读数值U1、U2,由欧姆定律和串并联电路电压、电流的分配关系,有,内接法:电压表V1上的读数值间接地测量出被测电阻Rx上的真实电流值,而电压表V2 测量的是 V1 、Rx上两部分的电压降之和,闭合电键K,调节滑线变阻器的滑动头,使 V1 、V2 尽可能地接近满偏,读 V1 、V2 两表的读数值U1、U2,由欧姆定律和串并联电路电压、电流的分配关系,有,例5.(00全国)利用下表中的实验器材,设计一个电路来测量电流表A1的内阻r1,要求方法简捷,有尽可能高的测量精度,并能测得多组数据,画出电路图,标明器材代号;若选测量数据中的一组来计算r,则所用的表达式为_,式中各符号的意义是:_。,解:,题中直接判定必选的器材是电池E,电键K,导线若干.,由A1量程是10mA,r1约为40,E是电动势1.5V,可判定必须再选电阻R1,滑动变阻器R作为保护,才保证通过A1的电流不至于超过10mA.,要测1的电阻,通过A1的电流值I1可由1读出,只要能测出A两端的电压U,则可求出r,测电压要用电压表,但是若将电压表与A1并联,电流表A1上的电压最多是1,40V0.43V,而电压表的量程是10V,对0.43V的电压来说,电压表的指针只是稍微偏转了一点点,这样测得的阻值误差太大.不符合题目要求,因而不能用电压表测电压.,而电流表A的内阻r知道,通过电流表A的电流I可以读出,因而A两端的电压.,若将A与并联,则即A两端的电压,由此可以求出A的内阻r,式中I1、2分别是电流表A、A2的读数,r1、r2分别是电流表A1、A2的内阻.滑动变阻器R 限流,分压接法均可.,例6.(03上海)图1为某一热敏电阻R(电阻值随温度的改变而改变,且对温度很敏感)的I-U关系曲线图。 为了通过测量得到图1所示I-U关系的完整曲线,在图2和图3两个电路中应选择的是图 ;简要说明理由: 。(电源电动势为9V,内阻不计,滑线变阻器的阻值为0-100),2,电压可从0V调到所需电压,调节范围较大,在图4电路中,电源电压恒为9V,电流表读数为70mA,定值电阻R1=250。由热敏电阻的I-U关系曲线可知,热敏电阻两端的电压为_V;电阻R2的阻值为 。 举出一个可以应用热敏电阻的例子:_。,5.2,111.6112.0,热敏温度计,解: I1=9/250=0.036A=36mA I2=34mA,由图1得 UR=5.2V,R2 =(9-5.2) / 0.034=111.8 ,例7.(04年江苏)某同学对黑箱中一个电学元件的伏安特性进行研究通过正确测量,他发现该元件两端的电压Uab(Uab=Ua-Ub)与流过它的电流I 之间的变化关系有如下规律 当 -15V Uab 0V 时,I 近似为零 当Uab0时,Uab和I 的实验数据见下表:,(1)在图2中画出Uab0时该元件的伏安特性曲线(可用铅笔作图) (2)根据上述实验事实该元件具有的特性是_。,单向导电性,(3)若将此黑箱接入图3电路中,并在该电路的cd两端输入如图4(甲)所示的方波电压信号ucd,请在图4(乙)中定性画出负载电阻RL上的电压信号uef的波形,I/mA,(04上海物理)在测定一节干电池(电动势约为1.5V,内阻约为2)的电动势和内阻的实验中,变阻器和电压表各有两个供选:A电压表量程为15V,B电压表量程为3V,A变阻器为(20,3A),B变阻器为(500,0.2A)电压表应该选 (填A或B),这是因为 . 变阻器应该选 (填A或B),这是因为 .,B,A电压表量程过大,误差较大;,A,B变阻器额定电流过小且调节不便,(04北京理综)现有一块59C2型的小量程电流表G(表头),满偏电流为50A,内阻约为800850,把它改装成1mA、10mA的两量程电流表. 可供选择的器材有:滑动变阻器R1,最大阻值20;滑动变阻器R2,最大阻值100K,电阻箱R/,最大阻值9999;定值电阻R0,阻值1K;电池E1,电动势1.5V;电池E2,电动势3.0V;电池E3,电动势4.5V;(所有电池内阻均不计);标准电流表A,满偏电流1.5mA;单刀单掷开关S1和S2,单刀双掷开关S3,电阻丝及导线若干。 (1)采用如图1所示电路测量表头的 内阻,为提高测量精确度,选用的滑 动变阻器为 ; 选用的电池为 。,(2)将G改装成两量程电流表。现有两种备选电路图2和图3。图 为合理电路,另一电路不合理的理由是 。,图2,图3,(3)将改装后的电流表与标准电流表逐格进行核对(仅核对1mA量程),画出所用电路图,图中待核对的电流表符号用A/来表示。,2,在通电状态下,更换量程会造成两分流电阻都未并联在表头两端,以致流过表头的电流超过其满偏电流而损坏,(2005广东物理卷)热敏电阻是传感电路中常用的电子元件。现用伏安法研究热敏电阻在不同温度下的伏安特性曲线,要求特性曲线尽可能完整。已知常温下待测热敏电阻的阻值约45。热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中,杯内有一定量的冷水,其它备用的仪表和器具有:盛有热水的热水杯(图中未画出)、电源(3V、内阻可

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