电路设计33全解ppt课件

1、第二轮能力专题 电学实验电路设计,刘永刚,近几年高考“理综考试”中物理实验的考情,1从实验在卷面上的分值来看 物理实验在“理综考试”中相对来说属于比较稳定的、赋分较高的一块内容，是“理综”考试中一个举足轻重的“大户”，因而也是我们在备考中不得不倾注全力关注的内容之一。 2从实验考查的目标来看 实验考试的目标已从“实验操作、实验观察”的考查演变到了“实验设计、科学探究”过程的考查。实验设计、探究能力也是当前课堂教学改革的焦点。 3从“理综”实验考试的区分度和学生得分情况看 “理综”实验考试的区分度很好。有关统计资料表明，高考实验的难度系数仅为039，对全体考生都有较好的区分度。 4.从“理综”实

2、验考试的内容看 两个题：一个是常规实验，涉及内容为力学或光学，分值6分 另一个是电学（设计性）实验，分值12分，它也是教 与学中的难点,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

3、用量程的前提下，合理选择量程。务必使指针有较大偏转（一般取满偏度大于1/3），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,由于电流表、电压

4、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。即“内大外小”,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,二、测量电路（伏安法）的选择,方法一：电阻比较法：设电流表、电压表内阻分别为RA、RV ，被测电阻

5、为RX，则,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=R/RA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,方法二：试触法：在均不知的情况下，可采用试触法,如图所示，分别将a端与b、c接触，如果前后两次电流表示数比电压

6、表示数变化明显，说明电压表分流作用大，应采用内接法；如果前后两次电压表示数比电流表示数变化明显，说明电流表分压作用大，应采用外接法,三.控制电路（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,窄,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

7、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比用电器的电阻大,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,宽,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

8、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,说明：滑动变阻器的粗调和微调作用,在限流电路中，全电阻较大的变阻器起粗调作用，全电阻较小的变阻器起微调作用,在分压电路中，全电阻较小的变阻

9、器起粗调作用，全电阻较大的变阻器起微调作用,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

10、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；最小分度是“1”的仪器，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，最小分度是2或5的仪器，分别按二分之一或五分之一估读。 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,最小分度是“1”的仪器，按十分之一估读。 最小分度是2或5的仪器，分别按二分之一或五分之一估读,0.74 V,0.15A,3.7V,例1.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

11、为9V,内阻忽略不计； 电压表,量程为0至10,内阻20K； 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

12、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2.(97)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

13、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20k,故电流最大值I= E/RV=4/20103A=200A,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3.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

14、.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

15、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,六、伏安法测电阻及电路的延伸设计-1.比较法,某些问题中，因实验器材不具备（缺电流表或电压表），或因实验条件限制，或因实验精度不允许而不能用“伏安法”。这时我们就得依据问题的具体条件和要求重新选择实验原理，用“伏安法”的替代形式“比较法”来设计实验方案,利用已知内阻的电压表:利用“伏伏”法测定值电阻的阻值,例题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r1750

16、； 电压表V2，量程为5V，内阻r22500； 滑动变阻器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1/3，试画出测量电阻Rx的一种实验电路原理图,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V

17、2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

18、,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

19、U1、U2，由欧姆定律和串并联电路电压、电流的分配关系，有,由 I1Rx= I2 R,得 Rx= I2R I1,利用已知内阻的电流表：利用“安安”法测定值电阻的阻值,由 I1 r1 =I2 r2,得 r1= I2 r2 I1,例题5】用以下器材测量一待测电阻的阻值。器材（代号）与规格如下： 电流表A1（量程250mA,内阻r1为5)； 标准电流表A2（量程300mA,内阻r2约为5）； 待测电阻R1（阻值约为100）； 滑动变阻器R2（最大阻值10）； 电源E（电动势约为10V，内阻r 约为1）； 单刀单掷开关S，导线若干。 要求方法简捷，并能测多组数据，画出实验电路原理图，并标明每个器材的代

20、号. 需要直接测量的物理量是_,用测的量表示待 测电阻R1的计算公式是R1_,解析】实验电路图如图所示,两电流表A1、 A2的读数为I1、I2和电流表A1的内阻为r1，待测电阻R1的阻值的计算公式是,2欧姆表测量,最直接测电阻的仪表。但是一般用欧姆表测量只能进行粗测，为下一步的测量提供一个参考依据。用欧姆表可以测量白炽灯泡的冷电阻。 根据闭合电路欧姆定律，利用电流随外电阻Rx的变化而制成的,万用表欧姆挡测电阻的优缺点,优点：测量方便 缺点：若电池用久了，电动势与内阻会变化，产生误差较大，只能粗略测量电阻,Rx,R,_,G,E,r,3、比例法,受一些特殊的实验条件限制，比如：电流（或电压表）表面

21、上虽有刻度，但无刻度值（或刻度值模糊），这时我们不能直接读出电流或电压，但可根据电流或电压表刻度均匀的特点，通过测量其指针偏转格数用比例法完成测量,例6：现有一阻值为10.0的定值电阻，一个开关、若干根导线和一个电压表，该电压表表面上有刻度但无刻度值。要求设计一个能测定某电源内阻的实验方案，（已知电压表内阻很大，电压表量程大于电源电动势，电源内阻约为几欧），要求： （1）画出实验电路图 （2）简要写出完成接线后的实验步骤 （3）写出用测得的量计算电源内阻的表达式 r = _,解析：（1）电路图如右图所示,2）断开开关，记下电压表偏转格数N1；合上开关，记下电压表格数N2,rR,4、替换法,用“

22、伏安法”测电阻一般有电流表外接与电流表内接两种线路，因为电流表及电压表本身并非理想电表，这两种线路都存在误差；另一种情况是实验只提供一只电流表或电流表本身读数不准，这时我们可以考虑在保证电表读数不变的前提下，用一定值电阻（电阻箱）替换待测电阻，完成实验并提高测量准确性,替代法测量电阻,I2R =I1 Rx Rx = I2R /I1,比较法测量电阻,RX=R,特点：没有系统误差,特点,例7：在某校开展的科技活动中，为了要测出一个未知电阻的阻值R，现有如下器材：读数不准的电流表A、定值电R0、电阻箱R1、滑动变阻器R2、单刀单掷开关S1、单刀双掷开关S2、电源和导线。 （1）画出实验电路图，并在图

23、上标出你所选用器材的代码。 （2）写出主要的实验操作步骤,解析：（1）实验电路如右图所示,2）将S2与Rx相接，记下电流表指针所指位置 将S2与R1相接，保持R2不变，调节R1的阻值，使电流表的指针在原位置上，记下R1的值，则RxR1,5.电桥法测电阻,利用给出的电路图和器材（G为灵敏电流表，R0为阻值均匀的电阻丝，R为已知阻值的定值电阻，Rx为被测电阻）。要求利用这些器材测未知电阻Rx。实验中还需要什么测量仪器？将实物连成电路图。写出测量Rx的实验步骤，并写出利用测量数据表示Rx的表达式,6.相消法,按下图所示的电路进行测量，可以消除这种系统误差。 该实验的第一步是：闭合电键S1，将电键S2

24、接1，调节滑动变阻器RP和R，使电压表读数尽量接近满量程，读出这时电压表和电流表的示数U1、I1；请你接着写出第二步，并说明需要记录的数据：_。 由以上记录数据计算被测电阻RX的表达式是RX=_,将电键S2接2，读出这时电压表和电流表的示数U2、I2,特点：没有系统误差,s1,七校联考)某同学用下列器材测量一电阻丝的电阻Rx：电源E，适当量程的电流表电压表各一只，滑线变阻器R，电阻箱RP，开关S1、S2，导线若干。他设计的电路图如图（a）所示，具体做法：先闭合S1，断开S2，调节R和RP，使电流表和电压表示数合理，记下两表示数为I1，U1；再保持RP阻值不变，闭合S2，记下电流表和电压表示数为

25、I2、U2 （1）请你帮他按电路图在实物图（b）上连线； （2）写出被测电阻Rx= （用电表的读数表示）；（3）此实验中因电流表有内阻，电压表内阻不是无限大，使被测电阻的测量值 真实值（选填“大于、小于或等于”）,7.补偿法,如图所示是用补偿法测未知电阻Rx的电路原理图 基本原理：在一定温度下，直流电通过待测电阻 时，用电压表测出两端的电压U，用电流表测出通过 的电流I，则电阻值可表示为： Rx =U/I 试验方法：连接如下电路图，调节使检流计G无 电流通过（指针指零），这时电压表指示的电压值 等于两端的电压，即b,d之间的电压补偿了两端的电 压。清除了电压内阻对电 路的影响,补偿法测电阻的优

26、点 电路简单，实用性强。电路中的元件和仪表都是常用器件，并且个滑动变阻器和电阻箱的阻值是否准确均不会影响被测电阻的测量值，从而对电阻器件的选择降低了要求。 调节方便，电路通过粗调和细调的设计，既可以提高测量的速度，又可以保护检流计，这是电桥测量电阻时很难做到的。 修正系统误差。电路中测量仪表自身的电阻与测量结果无关，从而降低了测量方法引入的误差，这是单纯伏案法测量电阻时无法做到的,8.半偏法,七.电表内阻的测量方法,1互测法： 电流表、电压表各一只，可以测量它们的内阻： 两只电压或电流表，若知道一只的内阻，就可以测另一只的内阻： 两只同种电表内阻都未知，则需要一只电阻箱才能测定电表的内阻,A1

27、,例8.(97)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20k,故电流最大值I= E/RV=4/20103A=200A,A2、A3量程都太大，故选A1,由于RV在20k50k之间,远大于滑动变

28、阻器的阻值1k,故应连成分压电路,2替代法,3半偏法,A,V,04北京）为了测定电流表A1的内阻，采用如图1所示的电路。其中：A1是待测电流表，量程为300A内阻约为100； A2是标准电流表，量程是200A； R1是电阻箱，阻值范围0999.9； R2是滑动变阻器；R3是保护电阻 E是电池组，电动势为4V，内阻不计； S1是单刀单掷开关，S2是单刀双掷开关。 （1）根据电路图1，请在图2中画出连线，将器材连接成实验电路,2）连接好电路,将开关S2扳到接点a处,接通开关S1,调整滑动变阻器R2使电流表A2的读数是150A;然后将开关S2扳到接点b处,保持R2不变,调节电阻箱R1,使A2的读数仍

29、为150A.若此时电阻箱各旋钮的位置如图3所示,电阻箱R1的阻值是 ,则待测电流表A1的内阻R3=,86.3,86.3,用替代法,3）上述实验中，无论怎样调整滑动变阻器R2的滑动端位置，都要保证两块电流表的安全。在下面提供的四个电阻中，保护电阻R3应选用： （填写阻值相应的字母）。 A200KB20KC15KD20 （4）下面提供最大阻值不同的四个滑动变阻器供选用。即要满足上述实验要求，又要调整方便，滑动变阻器 （填写阻值相应的字母）。 A1kB5kC10kD25k,B,C,4.比较法测电压表电阻：(不计电源内阻,例9.(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，

30、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

31、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10.(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

32、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