【创新方案】2014年高考物理一轮复习专家专题讲座：第七章
恒定电流
电学实验设计题的解答思路与方法
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
1
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．伏安法测电阻，电流表内接或外接的选择 (1)两种电路的选择：
①阻值比较法：先将待测电阻的估计值与电压表、电流表内阻进行比较，若Rx较小，宜采用电流表外接法；若Rx较大，宜采用电流表内接法。简单概括为“大内偏大，小外偏小”。
②比值比较法，若已知电流表内阻RA、电压表内阻RV。 当>，则用电流表外接法。 当<，则用电流表内接法。
③实验试探法：按图1接好电路，让电压表一根接线柱P先后与a、b处接触一下，如果电压表的示数有较大的变化，而电流表的示数变化不大，则可采用电流表外接法，即接a点。如果电流表的示数有较大的变化，而电压表的示数变化不大，则可采用电流表内接法，即接b点。
RVRxRxRARVRxRxRA
图1
(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。注意实验中读出电表的示数后，应根据已知电表的内阻进行数据处理，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。
2．伏安法测电源电动势、内阻，电流表两种接法选择
(1)若采用图2甲所示电路，即电流表内接(相对于测r)，从乙图可看到E测＝E真，r测>r真
，r测实为r真与RA之和，造成该系统误差的原因是由于电流表分压，使得电压表示数并非
路端电压，由于一般干电池内阻较小，与电流表内阻相差不大，所以电池内阻的测量相对误差会很大，故一般不采用甲电路。
2
图2
(2)若采用图3甲所示电路，即电流表外接(相对于测r)，从乙图看到E测 ，造成该系统误差的原因，是由于电压表的分流，使得电流表的示数不是通过电源的总电 流，由于一般电压表内阻很大，电压表的分流很小，采用图3甲，测干电池的电动势和内阻，系统误差较小。综上所述，中学物理实验中一般采用图3甲测干电池的电动势和内阻。 图3 五、选择控制电路 1．两种控制电路的比较 电路图 负载RL上的电压调节范围 负载RL上的电流调节范围 电路消耗的总功率 限流式 RL RL＋R0E≤UL≤E ERL＋R0≤IL≤ ERLEIL 分压式 0≤UL≤E 0≤IL≤ ERLE(IL＋IaP) 比较 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。 2.两种控制电路的选择 (1)采用分压式接法的三种情况： 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 3 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。 (2)采用限流式接法的三种情况： 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] 有一电阻Rx，其阻值在100～200 Ω之间，额定功率为0.25 W，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： 器材 电流表 电流表 电压表 电压表 滑动变阻器 直流电源 开关及导线 代号 A1 A2 V1 V2 规格 量程0～50 mA，内阻为20 Ω 量程0～3 mA，内阻为0.001 Ω 量程0～5 V，内阻为10 kΩ 量程0～10 V，内阻为20 kΩ 阻值范围0～20 Ω 电动势12 V R E (1)为了保护被测电阻不被烧坏，实验中电阻两端的电压控制在________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 Ω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。 I1＝ I2＝ P＝ RP＝ R0.25 A＝0.035 A＝35 mA 200 0.25 A＝0.05 A＝50 mA 100 控制电流取最小值为0.035 A，因此电流表应选A1 U1＝ PR＝ 0.25×200 V＝7.07 V U2＝ PR＝ 0.25×100 V＝5 V 4 为了保护被测电阻不被烧坏，控制电压取最小值为5 V，因此电压表应选V1，再考虑电流表用内接法还是外接法，以减小系统误差。R0＝ RARV＝ 20×10×10 Ω＝447 Ω，Rx 105应选择分压式电路，如图所示。 [答案] (1)5 V1 (2)0.035 A1 (3)见解析图 [专题小测验] 1．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1.5 V)； B．直流电流表(量程0～0.6 A～3 A,0.6 A挡内阻为0.10 Ω，3 A挡内阻为0.025 Ω)； C．直流电压表(量程0～3 V～15 V,3 V挡内阻为5 kΩ，15 V挡内阻为25 kΩ)； D．滑动变阻器(阻值范围0～15 Ω，允许最大电流为1 A)； E．滑动变阻器(阻值范围0～1 000 Ω，允许最大电流为0.5 A)； F．电键； G．导线若干； H．电池夹． 3 图4 (1)将选定的器材按实验要求的电路(系统误差较小)，在如图4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5所示，可知待测电池的内阻为________Ω。 (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5 解析：(1)连接图如图所示。此问涉及三点：①仪器的选择，应选A、B(0～0.6 A)、C(0～3 V)、D、F、G、H。②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(0.6 A挡)的内阻相近，应采用电流表外接法(相对于电源而言)。③连接实物图，要按设计 5
高考物理一轮复习 第七章 恒定电流专家专题讲座 新人教版
