1、电学实验(经典)实验设计的基本思路（一）电学实验中所用到的基本知识电学实验中，电阻的测量（包括变形如电表内阻的测量） 、测电源的电动势与内电阻是考查频率较高的实验。它们所用到的原理公式为：。IrUEIR,可见，对于电路中电压 U 及电流 I 的测量是实验的关键所在，但这两个量的直接测量和间接测量的方法却多种多样，在此往往也是高考试题的着力点之处。1电路设计原则：正确地选择仪器和设计电路的问题，解决时应掌握和遵循一些基本的原则，即“安全性”、“方便性”、“精确性”原则，兼顾“误差小”、“仪器少”、“耗电少”等各方面因素综合考虑，灵活运用。（1）正确性：实验原理所依据的原理应当符合物理学的基本原理
2、。（2）安全性：实验方案的实施要安全可靠，实施过程中不应对仪器及人身造成危害。要注意到各种电表均有量程、电阻均有最大允许电流和最大功率，电源也有最大允许电流，不能烧坏仪器。（3）方便性：实验应当便于操作，便于读数，便于进行数据处理。（4）精确性：在实验方案、仪器、仪器量程的选择上，应使实验误差尽可能的小。2电学实验仪器的选择：（1）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（一般要大于满偏度的 1/3），以减少测读误差。（2）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
3、流、电压有很大变化的，不宜采用。（3）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。总之，最优选择的原则是：方法误差尽可能小；间接测定值尽可能有较多的有效数字位数，直接测定值的测量使误差尽可能小，且不超过仪表的量程；实现较大范围的灵敏调节；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，适当提高电流、电压值，以提高测试的准确度。明确目的 选择方案 选定器材 拟定步骤数据处理 误差分析3测量电路的选择1.电流表接法 （1）原理：部分电路的欧姆定律。（2）电流表外接法，如图所示。适用于测小阻值电阻，即 Rx 远小于 Rv 时
4、。VARX待误差分析： VXVAAUURII测 真 系统误差的原因：电压表 V 分流。（3）电流表内接法，如图所示。适用于测大阻值电阻，即 Rx 远大于 RA 时。RXAV误差分析： VVAXAAUUII测 真 系统误差的原因：电流表 A 分压。（4）内、外接法的选用原则aVA RXb方法一：算临界电阻： 0AVR若 RxR0，待测电阻为大电阻，用内接法若 RxR0，待测电阻为小电阻，用外接法即大电阻，电流表内接；小电阻，电流表外接。方法二：在 、 均不知的情况下，可采用试触法。如图所示，分别将 a 端与VAb、c 接触，如果前后两次电流表示数比电压表示数变化明显，说明电压表分流作用大，应采用
5、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。2 滑动变阻器的分压、限流接法：为了改变测量电路（待测电阻）两端的电压（或通过测量电路的电流），常使滑动变阻器与电源连接作为控制电路，滑动变阻器在电路中主要有两种连接方式：限流式，分压式。如图（甲）为滑动变阻器的限流式接法， 为待测电阻。它的接线方式是电源、滑XR动变阻器与待测电阻三者串联。对待测电阻供电电压的最大调节范围是： (ERX是待测电阻，R 是滑动变阻器的总电阻，不计电源内阻) 。X如图（乙）是滑动变阻器的分压式接法。接线方式是电源与滑动变阻器组成闭合电路，而被测电路与滑动变阻器的一部分电阻并联，
6、该接法对待测电阻供电电压的调节范围是：（不计电源内阻时）。E0甲 乙选取接法的原则：要求负载上电压或电流变化范围大，且从零开始连续可调，须用分压式接法。负载电阻 Rx 远大于滑动变阻器总电阻 R 时，须用分压式接法，此时若采用限流式接法对电路基本起不到调节作用。 采用限流电路时，电路中的最小电流（电压）仍超过电流表的量程或超过用电器的额定电流（电压）时，应采用变阻器的分压式接法。负载电阻的阻值 Rx 小于滑动变阻器的总电阻 R 或相差不大，并且电压表、电流表示数变化不要求从零开始起调，可用限流式接法。两种电路均可使用时应优先用限流式接法，因为限流电路结构简单，总功率较小。例 1、用伏安法测量一
7、个定值电阻的器材规格如下：待测电阻 Rx（约 100 ）;直流电流表（量程 010 mA、内阻 50 ）; 直流电压表（量程 03 V、内阻 5 k）;直流电源（输出电压 4 V、内阻不计）；滑动变阻器（015 、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.【审题】本题只需要判断测量电路、控制电路的接法，各仪器的量程和电阻都已经给出，ab c图 10-5只需计算两种接法哪种合适。【解析】用伏安法测量电阻有两种连接方式，即电流表的内接法和外接法，由于 Rx，故电流表应采用外接法.在控制电路中，若采用变阻器的限流接法，当滑动变阻vAR器阻值调至最大，通过
8、负载的电流最小， Imin= =24 mA10 mA,此时电流仍超xARE过电流表的量程，故滑动变阻器必须采用分压接法.如图 10-5 所示.【总结】任一种控制电路必须能保证电路的安全，这是电学实验的首要原则 ，限流接法虽然简洁方便，但必须要能够控制电路不超过电流的额定值，同时，能够保证可获取一定的电压、电流范围，该题中，即便控制电流最小值不超过电流表的量程，因滑动变阻器全阻值相对电路其它电阻过小，电流、电压变化范围太小，仍不能用限流接法。4实物图的连接：实物图连线应掌握基本方法和注意事项。注意事项：连接电表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，不应在导线中间出现分
9、叉。对于滑动变阻器的连接，要搞清楚接入电路的是哪一部分电阻，在接线时要特别注意不能将线接到滑动触头上。基本方法：画出实验电路图。分析各元件连接方式，明确电流表与电压表的量程。画线连接各元件。(用铅笔画线，以便改错 )连线方式应是单线连接，连线顺序应先画串联电路，再画并联电路。一般先从电源正极开始，到电键，再到滑动变阻器等。按顺序以单线连接方式将干路中要串联的元件依次串联起来；然后连接支路将要并联的元件再并联到电路中去。连接完毕，应进行检查，检查电路也应按照连线的方法和顺序。（二）定值电阻的测量方法1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
10、。用欧姆表可以测量白炽灯泡的冷电阻。2替代法：替代法的测量思路是等效的思想，可以是利用电流等效、也可以是利用电压等效。替代法测量电阻精度高，不需要计算，方法简单，但必须有可调的标准电阻（一般给定的仪器中要有电阻箱）。例 2、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 Rx，现有如下器材：读数不准的电流表 A、定值电阻 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。画出实验电路图，并在图上标出你所选用器材的代码。写出主要的实验操作步骤。【解析】实验电路如右图所示。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
11、 R2 不变，调节R1 的阻值，使电流表的指针指在原位置上，记下 R1 的值，则 RxR 1。3伏安法：伏安法的测量依据是欧姆定律（包括部分电路欧姆定律和全电路欧姆定律），需要的基本测量仪器是电压表和电流表，当只有一个电表（或给定的电表不能满足要求时），可以用标准电阻（电阻箱或一个定值电阻）代替；当电表的内阻已知时，根据欧姆定律I=U/R 电压表同时可以当电流表使用，同样电流表也可以当电压表用。4伏安法拓展：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“
12、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 3、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 ；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。【解析】如图所示利用已知内阻的电流表：利用“安安”法测定值电阻的阻值例 4 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 25
13、0mA,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、I 2 和电流表 A1 的内阻为 r1，待测电阻 R1 的阻值的计算公式是： 12rI电压表、电流表混合用例 5 有一电阻 Rx，其阻值
14、在 100200 之间，额定功率为 0.25W。要用伏安法较准确地测量它的阻值，实验器材有：安培表 A1，量程为 50mA，R A1=100安培表 A2，量程为 1A，R A2=20电压表 V1，量程为 5V，R V1=10k电压表 V2，量程为 15V， RV2=30k 变阻器 R1，变阻范围 020 ，2A变阻器 R2，变阻范围 01000，1A9V 电源，电键，导线。实验中应选用的电流表、电压表、变阻器分别是： 。 画出所用实验电路图。【解析】允许通过电阻中电流可能的最大值由： 得，RIP2。因为电阻可能为 200，所以通过被测电阻的电流的最大值可能mAII50321是 35mA，应用电
15、流表的示数来控制通过电阻的电流，因此，电流表应选 A1。又因为,所以 。因为电阻可能为 100，所以允许加在电阻两端的RUP2 VU1.721电压的最大值可能是 5V，应用电压表的示数来控制加在电阻两端的电压，因此电压表应选V1。因为 R1 R2,且 2A35mA , 所以应选变阻器 R1。因为 R1R x 所以滑动变阻器连接方式应选用分压电路。因为 , 所以应选用外接电路。xVAR实验所用电路如图所示（三）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：两只同种电表，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：2替
16、代法：3、半值法（半偏法）。半值法是上面比例法的一个特例，测电流表内阻和测电压表内阻都可以用半值法，电路图如图 10-15 所示。甲图实验时先断开开关 S，闭合 S，调整滑动变阻器 R01（限流法连接），使电流表 A 满度（即指针指满刻度处）；再闭合 S，调整电阻箱R1，使电流表 A 的指针恰好指到半满度处，读出此时电阻箱的阻值 R，则电流表 A 的电阻 rA=R。（测量结果偏小）乙图实验时先闭合开关 S及 S，调整滑动变阻器 R02（分压法连接），使电压表 V 满度；再断开 S，调整电阻箱 R2，使电压表 V 的指针恰好指到半满度处，读出此时电阻箱的阻值 R，则电压表 V 的电阻 rV=R。
17、（测量结果偏大）例 6（2000 年全国）从下表中选出适当的实验器材，设计一电路来测量电流表 A1 的内阻r1，要求方法简捷，有尽可能高的测量精度，并能测得多组数据。VA V AV1 V2A2A1RA1 A2 V2V1 RR21SA1A R21SV1V图 10-15在虚线方框中画出电路图，标明所用器材的代号。器材（代号） 规 格电流表（A 1） 量程 10mA，内阻 r1 待测（约 40）电流表（A 2） 量程 500A，内阻 r2=750电压表（V） 量程 10V，内阻 r3=10电阻（R 1） 阻值约 100，作保护电阻用滑动变阻器（R）总阻值约 50电池（E） 电动势 1.5V，内阻很小
18、导线若干，电键K若选测量数据中的一组来计算 r1，则所用的表达式为 r1=_，式中各符号的意义是_。【解析】如图所示。 ，I 1 表示通过电流表 A1 的电流，I 2 表示通过电流表 A2 的电流，21rr2 表示电流表 A2 的内阻。【备考提示】在很多情况下，电压表和电流表（已知内阻）的功用可以互换。有时利用一块电表配合定值电阻也可以完成功能的互换。实际上就是部分电路欧姆定律的变形运用。在处理时，一定要明确原理，灵活运用。例 7 （2006 年全国、）现要测量某一电压表 的内阻。给定的器材有：待测电压表 （量程 2V，内阻约 4k）；电流表 （量程 1.2mA，内阻约 500）；直流电源E（
19、电动势约 2.4V，内阻不计）；固定电阻 3 个：R 1=4000，R 2=10000，R 3=15000；电键 S 及导线若干。要求测量时两电表指针偏转均超过其量程的一半。试从 3 个固定电阻中选用 1 个，与其它器材一起组成测量电路，并在虚线框内画出测量电路的原理图。（要求电路中各器材用题中给定的符号标出。）电路接通后，若电压表读数为 U，电流表读数为 I，则电压表内阻 RV =_。【解析】实验电路如图所示，若选用电阻 R1，则并联电阻2000，电压表读数并U R 20001.921V ，电流表读数 I mAEr并 5024. mArRE并0.00096A0.96mA 0.6mA，R 1
20、符合要求，同理可得 R2、R 3 不符合要求，5024.故选 R1。VV mAR1S EV mA电路接通后，通过 R1 的电流 I1 ，则通过电压表的电流为 I2II 1I ，所以U1RU电压表的内阻 RV 2I1【提示】本题涉及实验器材选取和电路设计等，对分析综合能力提出了较高要求，解答此类试题必须根据测量要求和所提供的器材，由仪表的选择原则和基本规律为分析的入手点。例 8（2006 年全国）现要测定一个额定电压 4V、额定功率 1.6W 的小灯泡（图中用表示）的伏安特性曲线。要求所测电压范围为 0.1V4V 。现有器材：直流电源 E（电动势 4.5V，内阻不计），电压表 （量程 4.5V，
21、内阻约为4104），电流表 （量程 250mA，内阻约为 2），电流表 （量程 500mA，内阻约为 1），滑动变阻器 R（最大阻值约为 30），电键 S，导线若干。如果既要满足测量要求，又要测量误差较小，应该选用的电流表是 ，下面两个电路应该选用的是 。【解析】在测量小灯泡的伏安曲线时，由于题目要求电压范围为 0.1V4V，因此滑动变阻器采用分压式接法。根据估算通过小灯泡的额定电流为I=0.4A，因此电流表应该选用 。在伏安法测量过程中，由于临界电阻 大于小灯泡电阻，因20VAR此应该选择电流表外接法即选择甲电路进行测量。测电动势和内阻 （1）测量电路如图（2）测量方法第一、计算方法测两组端
22、电压 U 和电流 I 值，然后通过以下式子求解。EU 1I 1rEU 2I 2r第二、作 UI 图象方法通过调节滑动变阻器，取得多组（U ，I ）值，然后在坐标中描点，连成直线用图象处理问题，须注意以下几点：连直线的方法：让尽可能多的点在直线上，直线两则分布的点的个数大致均匀偏离直线较远的点舍去。纵轴截距的含义：电动势 E横轴截距的含义：短路电流 I0斜率的含义：电阻。求解方法：r= 或用直线上任意两点求解斜率的绝对值。0VA2A1A2（3）实验误差分析（1）偶然误差：主要来源于电压表和电流表的读数以及作 UI 图象时描点不很准确。（2）系统误差：系统误差来源于未计电压表分流，近似地将电流表的
23、示数看作干路电流。实际上电流表的示数比干路电流略小。如果由实验得到的数据作出图中实线（a）所示的图象，那么考虑到电压表的分流后，得到的 UI 图象应是图中的虚线（b），由此可见，按图所示的实验电路测出的电源电动势 ，电源内电阻 。说明：外电路短路时，电流表的示数（即干路电流的测量值） 等于干路电流的真实值，所以图中（a）、（b）两图线交于短路电流处。当路端电压（即电压表示数）为 时，由于电流表示数 小于干路电流 ，所以（a）、（b）两图线出现了图中所示的差异。(4)特殊方法 （一）即计算法：画出各种电路图(一个电流表和两个定值电阻)r)(RIE2112I-)R(12I-r(一个电流表及一个电压
24、表和一个滑动变阻器)u2121uE21u(一个电压表和两个定值电阻) rRE21212R-)(21u-R(r例 9、用右图所示的电路，测定一节干电池的电动势和内阻。电池的内阻较小，为了防止在调节滑动变阻器时造成短路，电路中用一个定值电阻 R0 起保护作用。除电池、开关和导线外，可供使用的实验器材还有：（a） 电流表（量程 0.6A、3A）；（b） 电压表（量程 3V、15V）（c） 定值电阻（阻值 1 、额定功率 5W）（d） 定值电阻（阻值 10 ，额定功率 10W）（e） 滑动变阻器（阴值范围 0-10 、额定电流 2A）（f） 滑动变阻器（阻值范围 0-100 、额定电流 1A）那么（1）要正确完成实验，电压表的量程应选择 V，电流表的量程应选择 A； R0 应选择 的定值电阻， R 应选择阻值范围是 的滑动变阻器。（2）引起该实验系统误差的主要原因是 。
