三思而后选 破解电学实验器材选取难点

牛红标

(河北省保定市第一中学 071000)

电学实验一直是每年高考中必考点，因电学理论的抽象性，测量对象的多变性，很多同学缺少直观的现实经验，容易出错；对发散思维及逻辑思维能力具有很强的挑战性.很多同学甚至一些教师对于电学实验题的设计及仪器的选取更是犯怵，对给定的器材总有一种“千挑万选不合理”的感觉，可是经过论证之后还会发现“总有一款适合你”.那么怎样才能快速找到适合的那一款呢，希望本文对各位读者能有一定的启发.

设计好电学实验首先需对以下知识有足够的认识及熟练.

一、认识电表的三重身份

首先是电表的自身属性，电流表和电压表的自身测定相应的电流和电压，欧姆表测定导体的电阻；第二是它的本质属性，电流表和电压表的自身是一只电阻，欧姆表本质上是一个电源；第三是在给定内阻的条件下电压表可以“反串”为电流表，及电流表在给定内阻的条件下可以“反串”为电压表；欧姆表在确定档位时可以从中值电阻得知欧姆表的内阻，对于可知电压或电流的定值电阻可以替代电流表或电压表.

二、把握实验题给定的条件，突破疑难点

三、熟悉伏安法的变化，熟练应用欧姆定律

变化一：安安法

若电流表内阻已知，则可将其当做电流表、电压表以及定值电阻来使用，定值电阻在已知电流时可以做为电压表来使用.

变化二：伏伏法

若电压表内阻已知，则可将其当做电流表、电压表或定值电阻来使用.

四、下面进行几个实例分析

题型一、电流表改装为电压表

例1用伏安法测定一个待测电阻Rx的阻值(阻值约为200Ω)，实验室提供如下器材：

电池组E：电动势3V，内阻不计；

电流表A1：量程0～15mA，内阻约为100Ω；

电流表A2：量程0～300μA，内阻1000Ω；

滑动变阻器R1：阻值范围0～20Ω，额定电流2 A；

电阻箱R2：阻值范围0～9999Ω，额定电流1 A；

开关S、导线若干．

要求实验中尽可能准确地测量Rx的阻值，请回答下列问题：

(1)为了测量待测电阻两端的电压，可以将电流表____(填写器材代号)与电阻箱串联，并将电阻箱阻值调到____Ω，这样可以改装成一个量程为3.0V的电压表．

(2)在图7中画完整测量Rx阻值的电路图，并在图中标明器材代号.

(3)调节滑动变阻器R1，两表的示数如图8所示，可读出电流表A1的示数是____mA，电流表A2的示数是____μA，测得待测电阻Rx的阻值是____.本次测量存在一定的系统误差，考虑这个原因测量值比真实值____(选填“偏大”或“偏小”).

故答案为：(1)A2；9000 (2)电路如图9 (3)8.0；150；187.5；偏小.

点评应用伏安法测电阻，需要用电压表测待测电阻电压，题目中没有电压表，电流表A2给定了内阻，与电阻箱串联改装成电压表，其次是确定滑动变阻器的接法与电流表接法来设计实验电路图；还要能根据电表量程确定电表分度值，得出相应电压值；由欧姆定律可以求出待测电阻阻值，根据电路结构分析实验误差.

题型二、电流表量程的扩大(改装)

例2有一个待测电阻R的阻值约为7.5Ω，现要精确测量该待测电阻的阻值.有下列器材供选用：

A.电压表(0～3 V，内阻未知)

B.电流表(0～3 A，内阻约为0.5 Ω)

C.电流表(0～100 mA，内阻为4.0 Ω)

D.定值电阻R0=1.0Ω

E.滑动变阻器(10 Ω，2 A)

F.滑动变阻器(1 kΩ，0.5 A)

G.学生电源(直流4 V)，还有开关一个，导线若干

(1)实验中所用电流表应选用____(填“B”或“C”).

(2)实验中所用滑动变阻器选用____(填“E”或“F”).

(3)实验时要求精确测量待测电阻R的值，测量电压从零开始多取几组数据，请在虚线方框中画出满足实验要求的测量电路图.

(4)某同学根据实验得到一组数据为电压表示数为1.60 V，电流表示数为40.0 mA，由此数据可得待测电阻Rx=____Ω.(结果保留两位有效数字)．

(1)C(2)E(3)如图10 (4)7.2

Rx两端实际电压为：Ux=1.60V-0.04×4=1.44V；

点评本题是关于伏安法测电阻的基本问题；关键是对仪器的选择，题目中所给的电流表在直接使用时，量程太大，而对应条件中相应给出了小量程电流表的内阻和定值电阻，经过改装后恰好满足测量条件——“总有一款适合你”，因而在已知电表内阻时应该想到电表的改装问题.

题型三、电压表替代电流表(替代)

例3用以下器材测量电阻Rx的阻值(1000-1500 Ω)：

电源E，具有一定内阻，电动势约为9.0 V；

电流表A，量程0.6A，内阻约为2Ω

电压表V1，量程为1.5 V，内阻r1=750 Ω；

电压表V2，量程为5 V，内阻r2=2 500 Ω；

滑动变阻器R，最大阻值约为100 Ω；

单刀单掷开关S，导线若干.

(1)测量中要求测量仪表的读数不小于其量程的二分之一，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字母标注).

(2)测得量表示Rx的表达式为Rx=____.对应物理量符号的物理意义____.

点评本题看条件为典型伏安法测电阻，可电流表不能使用，此时应结合条件想到利用电压表替代电流表完成实验.

题型四、定值电阻替代电流表(替代)

例4现要精确测量某电压表V1(量程0.6V，内阻约500Ω)的内阻，可选用的器材如下：

A.电流表A(量程0.6A，内阻约1Ω)；

B.电压表V2(量程3V，内阻约3kΩ)；

C.滑动变阻器R1(最大电阻10Ω)；

D.定值电阻R2(阻值2kΩ)；

E.电源E(电动势3V，内阻约为1Ω)；

F.开关S及导线若干．(1)实验中，应选用的电表____(填器材序号字母)；

(2)在虚线框内画出实验电路图并标明各器材的符号；

(3)待测电压表V1的内阻表达式为RV=____(用所测物理量的符号表示)．

点评本题的关键是通过估算待测电压表的满偏电流远小于电流表的量程，不能直接使用电流表，由定值电阻R2来替代电流表；由于变阻器的全电阻远小于待测电压表的内阻，变阻器应用分压式接法．

题型五、定值电阻替代电压表

例5某物理兴趣小组要精确测量一只电流表G(量程为1mA、内阻约为100Ω)的内阻.实验室中可供选择的器材有：

电压表V：量程为3V内阻约为3KΩ

电流表A1：量程为3mA内阻约为200Ω；

电流表A2：量程为0.6A，内阻约为0.1Ω；

定值电阻R1：阻值为10Ω；

定值电阻R2：阻值为60Ω；

滑动变阻器R3：最大电阻20Ω，额定电流1.5A；

直流电源：电动势1.5V，内阻0.5Ω；

开关，导线若干．(1)为了精确测量电流表G的内阻，使用的电表要达到半偏以上，你认为该小组同学应选择的电表为____、定值电阻为____.(填写器材的符号)

(2)在方框中画出你设计的实验电路图

(3)按照你设计的电路进行实验，测得选用电表的示数为x，电流表G的示数为I，则电流表G的内阻的表达式为rg=____．

故答案为：(1)A1、R2(2)如图13所示

点评本题关键是没有合适的电压表，只能由定值电阻替代，由电流表A1测出并联总电流，然后由并联电路特点及欧姆定律求出待测电流表内阻；使用滑动变阻器的分压接法；据此设计实验电路，求出电流表G的内阻．

题型六、电阻的精确测量(系统误差消除)

例6有一根细长的空心金属管线样品，长为60mm，电阻约4Ω，横截面如图14甲所示．(1)用螺旋测微器测量金属管线的外径，示数如图14乙所示，则所测外径为____mm．

(2)现有如下器材：

A.电流表A1(量程0～3A，内阻为3Ω)

B.电流表A2(量程0～0.6A，内阻为1Ω)

C.电压表V1(量程0～15V，内阻约为15kΩ)

D.电压表V2(量程0～3V，内阻约为3kΩ)

E.滑动变阻器R1(1750Ω,0.3A)

F.滑动变阻器R2(25Ω,1A)

G.电源E(3V，内阻很小可忽略)

H.开关一个，带夹子的导线若干

要用伏安法较精确测量空心金属管线样品的阻值，电流表应选____，滑动变阻器应选____.(均填序号字母)

(3)实验中记录电压表的示数和对应电流表的示数，作出的U-I图像如图14丙所示.请用笔画线代替导线将图14丁所示的实验电路补充完整．

(4)____Ω.若金属管线的电阻率为1.0×10-6Ω·m，则管线中空部分横截面积为____m2.(结果保留两位有效数字)

点评本题主要考查伏安法测电阻的精确测量原理及数据处理，知道螺旋测微器的读数方法、熟悉实验内接法消除实验误差原理是解题的关键.

综合以上几例可以看出，只要熟练掌握欧姆定律，灵活运用电表的多重属性，对于量程不合适的问题“三思而后选”，总有“一款适合你”，电学实验中仪器的选取及电路设计就均不算什么难题啦.