■河南省信阳市新县高中 付培军

设计性电学实验试题赏析

■河南省信阳市新县高中 付培军

设计性电学实验在强调实验原理理解、误差分析的基础上,要求进行电路设计,或转换角度和条件,进行拓展创新。设计性电学实验分封闭性实验和开放性实验。封闭性实验是指给定实验器材,要求同学们完成实验目标,此时实验的原理和方法是确定的。开放性实验是指只有实验目的,不给实验器材,要求同学们自行设计,答案多样。

求解设计性电学实验试题的思路包括以下五步。

1.设计实验电路。

(1)确定实验原理。电路设计是从探索实验原理开始的,实验原理既包括实验所探索的原理和设想,也包括实验仪器、装置所应用的科学原理,它是实验设计的出发点,也是贯穿整个实验活动的主线。

(2)构想实验电路。从电路的结构上看,由三部分组成：一是动力源,即电源;二是测量电路,它由被测元件、测量仪器组成;三是控制电路,它由开关、变阻器等控制元件组成。一般需要先确定测量电路,再确定控制电路,最后确定动力源。

2.选择实验器材。

实验器材的选择应遵循以下原则。

(1)科学性：实验方案中依据的原理应遵循物理规律,选用的规律要简明正确,操作程序应具有科学性。

(2)安全性：在实验方案的实施过程中应确保实验人员和实验器材的安全。

(3)精确性：确保实验误差在允许误差的范围内。选择仪器时要有利于减少测量误差,提高实验的准确性。如一般选内阻较大的电压表和内阻较小的电流表,且读数时表头指针在满偏的三分之二左右位置;使用欧姆表测量时应使指针在中心刻度附近;数据的处理常采用图像法等。

(4)节约性：在保证安全可靠的前提下,尽量减小成本和电能消耗。

3.选择实验电路。

(1)恰当地选择电流表内接法和外接法。

(2)恰当地选择滑动变阻器限流式和分压式。(本期中的《解读电学实验中“三个选择”》给出了具体的选择方法,同学们一定要深刻理解并灵活掌握。)

4.连接实物图。

进行实物图连接时,一般要先画好实验电路原理图,再从电源的正极开始沿顺时针方向将干路需要串联的元件依次串联起来,然后连接支路,将需要并联的元件并联到电路中。连接完毕,一定要进行仔细检查。连接电表时应注意量程选用正确;正、负接线柱不要接错;各导线都应接在接线柱上;在导线中间不要出现交叉等。

5.处理实验数据。

例1 国标规定自来水在1 5℃时电阻

率应大于1 3Ω·m。为测量1 5℃时自来水的电阻率和电源的电动势与内阻,某物理兴趣小组设计了如图1所示的实验电路。其中内径均匀的圆柱形玻璃管侧壁连接一细管,细管上加有阀门K以控制管内自来水的量,玻璃管两端接有电阻可忽略不计的导电活塞,左活塞固定,右活塞可自由移动。图中R0为定值电阻,R为电阻箱,A为理想电流表,S为单刀双掷开关。此外还有游标卡尺和刻度尺供使用。该兴趣小组的实验步骤如下：

图1

A.用游标卡尺测量玻璃管的内径d如图2所示;

图2

B.向玻璃管内注满自来水,用刻度尺测量水柱长度,把开关S拨到1位置,记录电流表示数I;

C.把开关S拨到2位置调电阻箱阻值,使电流表示数也为I,发现电阻箱的阻值如图3所示;

图3

D.重复实验步骤B、C,改变水柱长度读出电阻箱示数R;

E.把开关S拨到2位置不变,改变电阻箱的示数读取对应的电流值;

F.断开开关S,整理好器材。

(1)所测玻璃管的内径为mm。图示电阻箱的读数应为Ω。

(2)以电阻箱示数R为纵轴,用对应水柱长度为横轴作出一条直线。若直线的斜率为k,则玻璃管内水柱电阻率的表达式为ρ=。

(3)把开关S拨到2位置不变时,采用图像处理实验数据,宜绘制出关系图像,处理较为简单。

(4)实际的电流表有一定的内阻,在本实验中它对测量结果的影响分别是：使水柱电阻率的测量值;使电源电动势的测量值

;使电源内阻的测量值。(选填“偏大”“偏小”或“无影响”)

解析：(1)读取游标卡尺示数时应先读主尺1 6mm,再找对齐的刻线1 4,进而得出所测玻璃管的内径为1 6.7 0mm。电阻箱的读数为相应的示数与倍率的乘积再相加,即1 8.6Ω。

(3)测量电源的电动势与内阻时采用的是安阻法,由闭合电路欧姆定律知E=I(r+ R0+R),变形得,因此为处理简单宜作图像。

(4)因为采用替代法测量水柱的电阻率,所以水柱的电阻率与电流表的内阻无关。设电流表内阻为RA,由闭合电路欧姆定律知,可见图像的斜率不变,截距变大,故电流表的内阻对电动势的测量值无影响,但会使电源内阻的测量值偏大。

点评：本题考查游标卡尺和电阻箱的读数、用替代法测自来水的电阻率、用安阻法测电源的电动势与内阻的原理及误差分析等。同学们在读数时,要注意有效数字的位数和读数规则。

例2 要测量电压表V1的内阻RV,其量程为2V,内阻约为2k Ω。提供的器材有：

电流表A,量程0.6A,内阻约为0.1Ω;

电压表V2,量程5V,内阻约为5k Ω;

定值电阻R1,阻值为3 0Ω;

定值电阻R2,阻值为3k Ω;

滑动变阻器R3,最大阻值为1 0 0Ω,额定电流为1.5A;

电源E,电动势为6V,内阻约为0.5Ω;

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,测出电压表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)请选择合适的器材,设计一个测量电压表V1内阻RV的实验电路。要求测量尽量准确,实验必须在同一电路中,且在不增减元件的条件下完成。试画出实验电路图,并标出所选元件的相应字母代号。

(3)根据(2)设计的电路,电压表V1内阻RV的表达式为,式中各测量量的物理意义是。

解析：(1)因为电压表的内阻很大,将待测电压表V1和电流表A串联后电路中的电流很小,致使电流表测量不准,所以该方案不可行。

(2)因为待测电压表V1的内阻与已知电压表V2的内阻相差约3k Ω,而题中又提供有定值电阻R2,所以可以让电压表V1与定值电阻R2串联后与电压表V2并联。又因为滑动变阻器的阻值较小,所以应该选用分压式。实验电路如图4所示。

图4

点评：本题在课本实验的基础上进行创新设计。求解此类问题时,要结合题给条件,将相应的物理知识进行拓展和迁移,原理是实验的灵魂,它决定着所用仪器、操作方法、要达到的目的等。

跟踪训练

为了测量某电池的电动势E、内阻r和一个电流表的内阻RA(已知电流表内阻与电源内阻差别不大)。某同学设计了如图5所示的实验电路,请你完成以下几个步骤。

(1)用笔画线代替导线,将如图6所示的实物连接起来。

图5

图6

(2)实验前,应先将滑动变阻器的滑片P滑到(选填“a”或“b”)端。

(3)合上开关S1,开关S2接1位置,改变滑动变阻器的阻值,记录几组电压表和对应电流表的示数;将开关S2接2位置,改变滑动变阻器的阻值,记录几组电压表和对应电流表的示数。在同一坐标系内分别描点作出对应的U-I图像如图7所示。图中两直线的纵截距分别为UA、UB,横截距分别为IA、IB。

图7

①开关S2接1位置时作出的U-I图像应是(选填“A”或“B”),测出的电动势E和内阻r存在系统误差,原因是。

②由U-I图像知该电池的电动势和内阻的真实值E=,r=。

③由U-I图像知电流表的内阻RA=。

参考答案：(1)实物连接如图8所示。

图8

(责任编辑 张 巧)