高中物理 电学实验电路设计思想 课件.ppt

第二轮能力专题电学实验电路设计 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2 5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 1 0 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ra r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rv r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rv r即rv r 1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ra r即ra r 1 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0 0 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20k 50k 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3v 电流表a 量程200 a 电流表a2 量程5ma 电流表a3 量程0 6 滑动变阻器r 最大阻值1k 电源e 电动势4v 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 80 a a2 a3量程都太大 故选a1 由于rv在20k 50k 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0 0 6a 内阻为0 2 电流表a2 量程为0 3a 内阻为0 05 电压表v1 量程为0 3v 内阻为3k 电压表v2 量程为0 15v 内阻为15k 滑动变阻器r 0 50 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rv rx 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 06a 0 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 900 1000 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 40v 0 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 6 112 0 热敏温度计 解 i1 9 250 0 036a 36mai2 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uab 0时 uab和i的实验数据见下表 1 在图2中画出uab 0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50 a 内阻约为800 850 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4 5 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 内阻可忽略