电学实验
一、难点形成的原因
1、对电流表、电压表的读数规则理解模糊，导致读数的有效数字错误
2、对滑动变阻器的限流、分压两种控制电路的原理把握不准，导致控制电路选用不当 3、对实验测量电路、电学仪器的选用原则把握不准，导致电路、仪器选用错误 4、对电学实验的重点内容“电阻的测量”方法无明确的归类，导致思路混乱
5、对于创新型实验设计平时缺乏对实验思想方法（如模拟法，转换法，放大法，比较法，替代法等）实行归纳，在全新的实验情景下，找不到实验设计的原理，无法设计合理可行的方案。受思维定势影响，缺乏对已掌握的实验原理，仪器的使用实行新情境 下的迁移利用，缺乏创新意识。
二、难点突破
1、电流表、电压表的读数规则：
电流表量程一般有两种——0.1~0.6A，0~3A；电压表量程一般有两种——0~3V，0~15V。如图10-1所示：
因为同一个电流表、电压表有不同的量程，所以，对应不同的量程，每个小格所代表的电流、电压值不相同，所以电流表、电压表的读数比较复杂，测量值的有效数字位数比较容易出错。下面是不同表，不同量程下的读数规则：
电压表、电流表若用0~3V、0~3A量程，其最小刻度（精确度）分别为0.1V、0.1A，为10分度仪表读数，读数规则较为简单，只需在精确度后加一估读数即可。
如图所示，电压表读数为1.88V，电流表读数为0.83A。若指针恰好指在2上，则读数为2.00V（或A）。 电压表若用0~15V量程，则其最小刻度为0.5V，为2分度仪表读数，所读数值小数点后只能有一位小数，也必须有一位小数。
如图所示，若指针指在整刻度线上，如指在10上应读做10.0V，指在紧靠10刻度线右侧的刻度线上（即表盘上的第21条小刻度线）读数为10.5V，若指在这两条刻度线间的中间某个位置，则可根据指针靠近两刻度线的水准，分别读做10.1V，或10.2V，或10.3V，或10.4V，即使是指在正中央，也不能读做10.25V，若这样，则会出现两位不准确的数，即小数点后的2和5，不符合读数规则，如上图中所示，读数应为9.3V。
电流表若用0-0.6A量程，则其最小刻度为0.02A，为5分度仪表读数，其读数规则与0—15V电压表相似，所读数值小数点后只能有两位小数，也必须有两位小数。
如上图所示，电流表读数为0.17A，若指针指在第11条刻度线上，则读数为0.22A，指在第10条刻度线上，读数为0.20A，指在第12条刻度线上，读数为0.24A。
图10-1
2、滑动变阻器应用分析
滑动变阻器是电学实验中常用的仪器，近几年高考电学设计性实验命题对其应用多次直接或渗透考查.如何选择滑动变阻器的接法设计控制电路仍是历届考生应考的难点.
滑动变阻器的限流接法与分压接法的特点：如图10-2所示的两种电路中，滑动变阻器（最大阻值为R0）对负载RL的电压、电流强度都起控制调节作用，通常把图（a）电路称为限流接法，图（b）电路称为分压接法.
限流接法 源内阻） 图10-2
负载RL上电压调节范围（忽略电负载RL上电流调节范围（忽略电源内阻） 相同条件下电路消耗的总功率 RLRL?R00≤UL≤E E≤UL≤E ERL?R0ER≤IL≤LEIL 分压接法 ER0≤IL≤LE（IL+Iap） 限流电路能耗较小 比较 分压电路调节范围较大 分压电路调节范围较大 RLE~ER?R0①限流法.如图（a）所示，待测电阻上电压调节范围为L.显然，当R0< 滑动触头的过程中，电流的变化范围很小，总电流几乎不变，UL也几乎不变，无法读取数据；当R0>>RL时，滑动触头在从b向a滑动的过程中，先是电流表、电压表的示数变化不大，后来在很小的电阻变化范围内，电流表、电压表的读数变化很快，也不方便读数，只有当RL与R0差不多大小时，才能对电流、电压有明显的调控作用.在同样能达到目的的前提下，限流法较为省电，电路连接也较为简单. ②分压法.如图（b）所示，待测电阻上电压调节范围为0～E，且R0相对于RL越小，R上的电压变化的线性就越好.当R0>>RL时，即使UL变化范围仍是0～E，但数据几乎没有可记录性，因为在这种情况下，滑片从左端滑起，要一直快到右端时，电压表上示数一直几乎为零，然后突然上升到E，对测量几乎没有用处.所以，分压接法要用全阻值较小的滑动变阻器。 滑动变阻器的限流接法与分压接法：两种电路均可调节负载电阻电压和电流的大小，但在不同条件下，调节效果大不一样，滑动变阻器以何种接法接入电路，应遵循安全性、精确性、节能性、方便性原则综合考虑，灵活选择. 1.下列三种情况必须选用分压式接法 （1）要求回路中某部分电路电流或电压实现从零开始可连续调节时（如：测定导体的伏安特性、校对改装后的电表等电路），即大范围内测量时，必须采用分压接法. （2）当用电器的电阻RL远大于滑动变阻器的最大值R0时，必须采用分压接法.因为按图（b）连接时，因RL>>R0＞Rap,所以RL与Rap的并联值R并≈Rap，而整个电路的总阻值约为R0，那么RL两端电 UR压UL=IR并=0于观察和操作. ·Rap，显然UL∝Rap,且Rap越小，这种线性关系越好，电表的变化越平稳均匀，越便 （3）若采用限流接法，电路中实际电压（或电流）的最小值仍超过RL的额定值时，只能采用分压接法. 2.下列情况可选用限流式接法 （1）测量时对电路中的电流或电压没有要求从零开始连续调节，仅仅小范围内测量，且RL与R0相差不大或RL略小于R0，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）没有极大的要求，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优先采用限流式接法. 例1：如图10-3所示，滑动变阻器电阻最大值为R，负载电阻R1=R，电源电动势为E,内阻不计. （1）当K断开，滑动头c移动时，R1两端的电压范围是多少？ （2）当K闭合，滑动头c移动时，R1两端的电压范围是多少？ （3）设R的长度ab=L,R上单位长度的电阻各处相同，a、c间长度为x，当K接通后，加在R1上的电压U1与x的关系如何？ 图10-3 例2：用伏安法测量某一电阻Rx阻值，现有实验器材如下：待测电阻Rx（阻 值约5 Ω,额定功率为1 W）；电流表A1（量程0~0.6 A,内阻0.2 Ω）;电流表 A2（量程0~3 A，内阻0.05 Ω）;电压表V1（量程0~3 V，内阻3 kΩ）;电压表V2（量程0~15 V，内阻15 kΩ）;滑动变阻器R0（0~50 Ω）,蓄电池（电动势为6 V）、开关、导线. 为了较准确测量Rx阻值，电压表、电流表应选________，并画出实验电路图. 例3：用伏安法测量一个定值电阻的器材规格如下：待测电阻Rx（约100 Ω）;直流电流表（量程0~10 mA、内阻50 Ω）;直流电压表（量程0~3 V、内阻5 kΩ）;直流电源（输出电压4 V、内阻不计）；滑动变阻器（0~15 Ω、允许最大电流1 A）；开关1个，导线若干.根据器材的规格和实验要求画出实验电路图. 3、实验电路和电学仪器的选择 （1）电路的选择 ①安培表内、外接电路的选择 因为电压表的分流作用和电流表的分压作用，造成表的示数与通过负载的电压或电流真实值之间产生误差，为减小此系统误差，应慎重选择电流表的内外接法，选择方法如下： 1、直接比较法： 当待测电阻阻值Rx< 当待测电阻阻值与电压表、电流表的阻值相差不多时，如何确定被测电阻R是较大还是较小呢？我们 RV要计算两种接法的相对误差，可用RRVR?RRARVR?RRARR与A相比较. 当即 R?RVRA时，宜采用电流表外接法； 当即 R?RVRA时，宜采用电流表内接法； 而 R?RVRA时，电流表内外接法效果是一样的.此时的被测电阻值R我们称为临界电阻。 3、测试判断法（试触法） 若Rx、RA、RV的大小关系事先没有给定，可借助试触法确定内、外接法.具体做法是： 如图10-6所示组成电路，其中电流表事先已经接好，拿电压表的一个接线柱去分别试触M、N两点，观察先后两次试触时两电表的示数变化情况。 ?I?U?U如果电流表的示数变化比电压表示数变化明显(即I)，说明接M点时电压表分流作用引起的 误差大于接N点时电流表分压作用引起的误差，这时应采用内接法(即电压表接N点)。 ?I?U?IU如果电压表的示数变化比电流表示数变化明显(即 法(即电压表接M点). )，说明接N点时电 流表分压作用引起的误差大于接M点时电压表分流作用引起的误差，这时应采用外接 （口决：“内大外小”，即内接法适合测大电阻且系统误差偏大，即测量值大于真实值，外接法适合测小电阻且系统误差偏小，即测量值小于真实值，） ②控制电路（即滑动变阻器的接法）的选择，见难点2 （2）电路实验器材和量程的选择，应考虑以下几点： ①电路工作的安全性，即不会出现电表和其它实验器材因过载毁坏现象。 ②能否满足实验要求（常常要考虑便于多次测量求平均值）。 ③选择器材的一般思路是：首先确定实验条件，然后按电源—电压表—电流表—变阻器顺序依次选择。根据不使电表受损和尽量减少误差的原则选择电表.首先保证流过电流表的电流和加在电压表上的电压均 图10-6 2不超过使用量程，然后合理选择量程，务必使指针有较大偏转（一般取满偏度的3左右），以减少测读误 差.根据电路中可能出现的电流或电压范围需选择滑动变阻器，注意流过滑动变阻器的电流不超过它的额定值，对大阻值的变阻器，如果是滑动头稍有移动，使电流、电压有很大变化的，不宜采用.应根据实验的基本要求来选择仪器，对于这种情况，只有熟悉实验原理，才能作出恰当的选择.总来说之，最优选择的原则是： 方法误差尽可能小. b、实现较大范围的灵敏调节. c、在大功率装置（电路）中尽可能节省能量；在小功率电路里，在不超过用电器额定值的前提下，适当提升电流、电压值，以提升测试的准确度. 根据以上原则，电学仪器的选择有如下建议： 1、电源的选择：选择直流电源，应根据用电器的需要来确定，一般考虑用电器所需的电压、电路中的电流、电源电动势和允许电流等.在不超过待测器材所允许的最大电压值的情况下，选择电动势较大的电源（以获得更多的测量数据）。在相同电动势情况下，通常选择内电阻较小的电源（以获得较稳定的路端电压）,测电源内阻除外。 2、电表的选择：在不超过电表量程的条件下，选择量程较小的电表（以便测量时示数能在满刻度的2/3左右）。 3、滑动变阻器的选择：要由电路中所要求或可能出现的电流、电压的范围来选定变阻器，实际流过变阻器的电流不得超过其额定值；如要通过变阻器的电阻改变来读取不同的电流、电压值时，要注意避免变阻器滑片稍有移动电流或电压就会有很大变化的出现，也要避免出现滑片从一头滑到另一头，电流或电压几乎没有变化的情况. 若控制电路确定为限流接法,则滑动变阻器应选用与实验电路中其它电阻的总阻值相差不大的;若控制电路确定为分压接法，则应选用在额定电流允许的条件下阻值较小的滑动变阻器。 例4： 图10-7为用伏安法测量一个定值电阻阻值的实验所需器材实物图，器材规格如 下： （1）待测电阻Rx（约100Ω） 图10-7 （2）直流电源（输出电压4V，内阻可不计） （3）直流毫安表（量程0~10mA，内阻50Ω） （4）直流电压表（量程0~3V，内阻5KΩ） （5）滑动变阻器（阻值范围0~15Ω，允许最大电流1A） （6）电键一个，导线若干条 根据器材的规格和实验要求，在实物图上连线。并用“↓”标出在闭合电键前，变阻器的滑动触点应处的准确位置。 例5：某电压表的内阻在20～50KΩ之间，现要测量其内阻，实验室提供下列可选用的器材： 待测电压表V(量程3V)，电流表A1(量程200μA)，电流表A2(量程5mA)，电流表A3(量程0.6A)，滑动变阻器R(最大阻值1kΩ)，电源E(电源电压为4V)，开关S. (1)所提供的电流表中应选用 (填字母代号). (2)为了尽量减小误差，要求多测几组数据，试在图10-9方框中画出符合要求的实验电路(其中电源和开关及连线已画出). 例6：有一改装的电流表A1需要与一标准电流表A2实行校对，图10-9 采用如图所示10-11的电路，其中E为电源，R0为一限流电阻，R为一可变电阻，S为电键，限流电阻能够限制电路中的最大电流，使之不超出电流表的量程过多，从而对电流表起保护作用。实验中已有的器材及其规格如下： 蓄电池E（电动势6v，内阻约为0.3Ω）， 图10-11 改装电流表A1（量程0~0.6A, 内阻约为0.1Ω） 标准电流表A2 ( 量程0~0.6A~3A, 内阻不超过0.04Ω） 实验中备有的电阻器规格如下： A．固定电阻（阻值8Ω，额定电流2A） B．固定电阻（阻值15Ω，额定电流2A） C．滑动变阻器（阻值范围0~20Ω，额定电流2A） D，滑动变阻器（阻值范围0~200Ω，额定电流2A） 已知两个表的刻度盘上都将量程均匀分为6大格，要求从0.1A起对每条刻线一一实行核对，为此，从备用的电阻器中，R0应选用 ，R应选用 。（用字母代号填写） 例7：用伏安法测量某一电阻Rx的阻值，现有实验器材如下： A、待测电阻Rx（阻值大约为5Ω，额定功率为1W） B、电流表A1（0~0.6A，内阻0.2Ω） C、电流表A2（0~3A，内阻0.05Ω） D、电压表V1（0~3V，内阻3KΩ） E、电压表V2（0~15V，内阻15KΩ） F、滑动变阻器R0（0~50Ω） G、蓄电池（电动势为6V） H、电键、导线 为了较准确测量Rx的阻值，保证器材的安全，以便操作方便，电压表、电流表应选择________，并画出实验电路图。
电学实验1
