高考物理一轮精细复习 （必备基础点拨+高考考点集结+考点专训）热点专题《电学实验设计题的解答思路与方法》课件.ppt

电学实验设计题能有效地考查学生的实验技能和创造性思维能力 在高考中的考查频率很高 不少学生面对这类题感到无从下手 实际上 只要做到 三个明确 两个选择 问题便可迎刃而解 一 明确题目的要求解答一道电学实验设计题 首先要认真审清题意 看清题目的要求 即要看清题目要求测定什么物理量 验证 探究什么物理规律 或者要求设计达到何种标准的电路等 对实验的目的要求明确了 才能保证解题思路正确 明朗 方法对头 二 明确实验设计的原理测量电路 控制电路 实验仪器的选择 实验方法 步骤的确定 数据处理 误差分析等问题 都是从实验原理派生出来的 只有明确实验原理 其他问题才可得以解决 如果设计测定型实验 应弄清待测物理量可通过哪些规律 公式求得 与哪些物理量有直接联系 可用哪些物理量定量地表示 用何种方法测定相关量 进而得出待求量 如果设计验证型实验 应弄清在相应的物理现象中 何种定量关系成立 才能使待验证的结论成立 对于设计符合一定标准的电路问题 则应根据实验的要求和相关物理规律 器材的规格 性能等 合理选择 连接电路 三 明确设计电路的原则设计电路一般应遵循 安全性 原则 精确性 方便性 原则 兼顾 运用仪器少 耗电少 等三条原则 1 安全性原则选用仪器组成电路 首先要保证实验正常进行 例如通过电流表的电流和加在电压表上的电压均不得超过其量程 滑动变阻器 被测电阻不得超过其额定电流 额定功率 等 使实验安全进行 2 精确性 方便性原则 精确 是指选用仪器组成实验电路时要尽可能减小测量误差 提高精确度 例如所用电流表 电压表的指针应有较大的偏转 一般应使指针偏转在满刻度的1 3以上 以减小因读数引起的偶然误差 方便 是指实验中便于调节控制 便于读数 例如应根据电路可能出现的电流 电压范围选择滑动变阻器 对大阻值的滑动变阻器 如果滑片稍有移动就使电路中的电流 电压有很大变化 则不宜采用 对于滑动变阻器 还要权衡用分压式电路还是限流式电路 对于什么条件下用分压式电路 什么条件下用限流式电路 在下面的 选择控制电路 中有详细讲述 3 运用仪器少 耗电少原则在达到实验目的 各项指标均符合要求的前提下 还应注意运用的仪器尽量少和节约电能 例如控制电路有限流式与分压式两种调节电路 若这两种调节电路均能满足要求 从消耗功率小 节约电能的角度 则应选用限流式电路 四 选择测量电路1 用伏安法测电阻或用电器的电功率时电流表内接或外接的选择 2 若已知电流表内阻 而不知电压表内阻 应采用 电流表内接法 若已知电压表内阻 而不知电流表内阻 应采用 电流表外接法 若电流表内阻 电压表内阻均为已知 采用内接 外接均可 实验中读出电表的示数后 根据已知电表的内阻进行数据处理 可以消除电表内阻影响造成的系统误差 若不定量计算由电表内阻影响造成的系统误差 则应按 1 确定连接方式 典例1 图7 1甲 乙是两组同样的实验器材实物图 用来测量待测电阻r的阻值 每组器材中包括 电池 滑动变阻器 电压表 电流表 待测电阻r 开关 若干导线 图中未标出 图7 1 1 如果待测电阻r的阻值比电压表的内阻不是小很多 但待测电阻r的阻值比电流表的内阻大很多 试在图7 1甲中连线 使之成为测量电路 如果待测电阻r的阻值比电流表的内阻不是大很多 但待测电阻r的阻值比电压表的内阻小很多 试在图7 1乙中连线 使之成为测量电路 2 如果已知上述电压表的内阻为rv和电流表的内阻为ra 要求尽可能多测几组数据 对图7 1甲和图乙连成的测量电路 分别写出计算待测电阻的表达式 用测得的量和给出的电表内阻来表示 解析 用伏安法测电阻是一种基本测量方法 其原理是欧姆定律 为了减小测量的系统误差 要注意电流表内接法和外接法的选择 图7 2 1 当待测电阻r的阻值比电流表的内阻大很多时 应采用电流表内接法 实物连接如图7 2甲所示 滑动变阻器应采用分压式接法 以增加可调范围 多测几组i u值 从而得出电阻的多个测量值 再求出平均值 以减小偶然误差 当待测电阻r的阻值比电压表的内阻小很多时 应采用电流表外接法 实物连接如图乙所示 滑动变阻器也采用分压式接法 答案 见解析 图7 3 图7 4 2 仪器选择 用电流表的满偏电流乘以内阻确定电压表的量程 若没有合适的电压表 可采用已知内阻的电流表代替 安安法 或采用定值电阻乘以通过的电流计算出电压 用电压表的量程除以内阻确定电流表的量程 若没有合适的电流表 可采用已知内阻的电压表代替 伏伏法 或采用定值电阻分流确定通过电压表的电流 典例2 某电流表的内阻在0 1 0 2 之间 现要测量其内阻 可选用的器材如下 a 待测电流表a1 量程0 6a b 电压表v1 量程3v 内阻约2k c 滑动变阻器r1 最大电阻10 d 定值电阻r2 阻值5 e 电源e 电动势4v f 开关s及导线若干 1 在虚线框中画出实验电路图 2 若测得电压表v1的读数为u 电流表a1的读数为i 则电流表a1内阻的表达式为ra1 图7 5 3 用伏安法测电源电动势和内阻 电流表两种接法的选择用伏安法测电源电动势和内阻有如图7 6甲 乙所示两种接法 根据闭合电路的欧姆定律列方程分析求解 可得下面的结论 图7 6 若考虑电压表内阻rv 电流表内阻ra的影响 用图6甲接法测量时有r测 rrv rv r e测 rve rv r 可见内阻的测量值r测小于真实值r 绝对误差为 r r r测 r2 rv r 相对误差为 r r r rv r 电动势的测量值e测小于真实值e 绝对误差为 e e e测 re rv r 相对误差为 e e r rv r 从以上分析可以看出 用图7 6甲电路测量 电动势与内阻的测量值均小于真实值 相对误差的大小取决于电压表的内阻 与电流表的内阻无关 对于用图7 6乙电路测量 作类似分析可知 r测 ra r e测 e 可见内阻的测量值偏大 绝对误差为 r r测 r ra 相对误差为 r r ra r 可见用图乙电路测量 电动势的测量值与真实值相同 不产生系统误差 内阻的测量值偏大 其大小取决于电流表的内阻ra 与rv无关 所以 1 若电源内阻较小 与电流表的内阻相近 应选用图甲电路 若电源内阻很大 与电压表的内阻相近 应选用图乙电路 应该指出的是 在中学物理实验中 一般是测量干电池的电动势和内阻 若用图乙电路测量 虽然电动势不产生系统误差 但电流表内阻ra往往与电池内阻r相差不大 所以测内阻的相对误差会很大 用图甲电路测量 虽然电动势和内阻都有相对误差 但rv远大于r的条件很易得到满足 电动势和内阻的相对误差都很小 所以在中学物理实验中 一般都采用图甲电路测量干电池的电动势和内阻 2 若已知电压表内阻 而不知电流表内阻 应采用图甲电路 以消除rv带来的系统误差 3 若已知电流表内阻 而不知电压表内阻 应采用图乙电路 以消除ra带来的系统误差 4 电流表内阻 电压表内阻均为已知 原则上甲 乙两种接法均可用 但应注意消除ra rv带来的系统误差 若不定量考虑电表内阻的影响 则应按 1 选择接法 典例3 在做 测干电池的电动势和内阻 的实验中 备有下列器材供选用 a 干电池一节 电动势约为1 5v b 直流电流表 量程0 0 6a 3a 0 6a挡内阻为0 10 3a挡内阻为0 025 c 直流电压表 量程0 3v 15v 3v挡内阻为5k 15v挡内阻为25k d 滑动变阻器 阻值范围0 15 允许最大电流为1a e 滑动变阻器 阻值范围0 1000 允许最大电流为0 5a f 电键g 导线若干h 电池夹 图7 7 1 将选定的器材按实验要求的电路 系统误差较小 在如图7 7所示的实物图上连线 2 根据实验记录 画出的u i图象如图7 8所示 可知待测电池的内阻为 3 按本实验要求的电路测出的e测 e真 r测 r真 填 大于 小于 或 等于 图7 8 解析 1 连接图如图7 9所示 此问涉及三点 仪器的选择 应选a b 0 0 6a c 0 3v d f g h 电路设计 要求系统误差较小 因干电池的内阻很小 与直流电流表 0 6a挡 的内阻相近 应采用电流表外接法 相对于电源而言 连接实物图 要按设计的电路顺序连线 图7 9 答案 1 如图7 9所示 2 1 3 小于小于 五 选择控制电路对滑动变阻器的两种接法 两种控制电路的比较与选择归纳如下表 eil 限流式 电路消耗的总功率 负载rl上的电流调节范围 负载rl上的电压调节范围 电路图 分压式电路的电压 电流调节范围大 但电路消耗的功率较大 比较 e il iap 0 ul e 分压式 电路消耗的总功率 负载rl上的电流调节范围 负载rl上的电压调节范围 电路图 滑动变阻器以何种方式接入电路中 应遵循安全性 精确性 方便性 节能性的原则 综合考虑 灵活选用 在下列三种情况下必须采用分压式接法 1 要求通过被控制部分的电流或电压实现从零开始调节 例如测定导体的伏安特性 从零刻度开始校对改装后的电表等 即大范围测量时 必须采用分压式接法 2 当用电器的电阻rl远大于滑动变阻器的电阻r0 且实验要求电压变化范围较大 或要求测量多组数据 时 必须采用分压式接法 3 若采用限流式接法 电路中的实际电压 或电流 的最小值仍超过rl的额定电压 或电流 时 只能采用分压式接法 在下列三种情况下可采用限流式接法 1 测量时电路中的电流 电压没有从零开始调节的要求 只是小范围的测量 且rl与r0接近 或rl略小于r0时 采用限流式接法 2 电源的放电电流或滑动变阻器的额定电流太小 不能满足分压式接法的要求时 采用限流式接法 3 没有很高的要求 仅从安全性和精确性角度分析 两者均可采用时 可考虑安装简便和节能因素 采用限流式接法 典例4 有一电阻rx 其阻值在100 200 之间 额定功率为0 25w 现用伏安法较准确地测量它的电阻值 实验室中备有下表中所列器材 开关及导线 电动势12v e 直流电源 阻值范围0 20 r 滑动变阻器 量程0 10v 内阻为20k v2 电压表 量程0 5v 内阻为10k v1 电压表 量程0 3ma 内阻为0 001 a2 电流表 量程0 50ma 内阻为20 a1 电流表 规格 代号 器材 1 为了保护被测电阻不被烧坏 实验中电阻两端的电压应控制在 v以下 电压表应选 2 为了保护被测电阻 通过它的电流应控制在 a以下 电流表应选 3 根据题意画出实验电路图 解析 待测电阻的阻值范围较大 在100 200 之间 又有功率限制 应据功率 电阻的大小范围估算电流 电压 图7 10 答案 1 5v1 2 0 035a1 3 如图7 10所示 专题练习 1 2013 济南模拟 为了测量某待测电阻rx的阻值 约为30 有以下一些器材可供选择 电流表 a1 量程0 50ma 内阻约10 a2 量程0 3a 内阻约0 12 电压表 v1 量程0 3v 内阻很大 v2 量程0 15v 内阻很大 电源e 电动势约为3v 内阻约为0 2 定值电阻r 20 允许最大电流1 0a 滑动变阻器r1 0 10 允许最大电流2 0a 滑动变阻器r2 0 1k 允许最大电流0 5a 单刀单掷开关s一个 导线若干 1 电流表应选 电压表应选 滑动变阻器应选 填字母代号 2 请在方框中画出测量电阻rx的实验电路图 要求所测量值范围尽可能大 3 某次测量中 电压表示数为u时 电流表示数为i 则计算待测电阻阻值的表达式为rx 解析 1 首先 选取唯一性器材 电源e 电动势约为3v 内阻约为0 2 定值电阻r 20 允许最大电流1 0a 单刀单掷开关s一个 导线若干 电源电动势约为3v 所以电压表选择v1 量程0 3v 内阻很大 待测电阻rx的阻值约为30 流过rx最大电流为3v 30 0 1a 100ma 如果电流表选择a2 量程0 3a 内阻约0 12 指针偏转很小 测量不准确 所以只能选择a1 量程0 50ma 内阻约10 滑动变阻器r2的全值电阻太大 操作不便 所以滑动变阻器应选r1 0 10 允许最大电流2 0a 2 因为实验要求所测量值范围尽可能大 所以滑动变阻器r1要采用分压接法 因为待测电阻rx的阻值远小于电压表内阻 所以电流表要外接 为了使流过电流表的电流不超过其最大量程即50ma 应与待测电阻串联一个定值电阻r起保护电路 实验原理图如图所示 2 某待测电阻rx的阻值约为20 实验室提供如下器材 a 电流表a1 量程150ma 内阻r1 10 b 电流表a2 量程20ma 内阻r2 30 c 定值电阻r0 10 d 滑动变阻器r 最大阻值为10 e 电源e 电动势为4v 内阻不计 f 开关s及导线若干 2 实验时电流表a1的读数为i1 电流表a2的读数为i2 用已知量和测得的物理量表示rx 则rx 3 要测量电压表v1的内阻rv 其量程为2v 内阻约为2k 实验室提供的器材有 电流表a 量程0 6a 内阻约0 1 电压表v2 量程5v 内阻5k 定值电阻r1 阻值30 定值电阻r2 阻值3k 滑动变阻器r3 最大阻值100 额定电流1 5a 电源e 电动势6v 内阻约0 5 开关s一个 导线若干 1 有人拟将待测电压表v1和电流表a串联接入电压合适的测量电路中 测出v1的电压和电流 再计算出rv 该方案实际上不可行 其最主要的原因是 2 请从上述器材中选择必要的器材 设计一个