電學實驗專題(學案)
開篇引入：電學實驗年年考，年年有變化．從這麼多年來的實驗題來看，特地是很明顯的：
(1)從簡單的背誦實驗轉向分析、理解實驗
實驗原理是物理實驗的靈魂．近年來，高考物理實驗題既不是簡單地回答「是什麼」，也不是背誦「該怎樣」，而是從物理實驗情境中理解「為什麼」，通過分析推理判斷「確實是什麼」，進而了解物理實驗的每乙個環節．
(2)從既定的課本學生實驗轉向變化的創新實驗
只有創新，試題才有魅力；也只有變化，才能永葆實驗考核的活力．近年來，既定刻板的學生實驗已經從高考物理實驗題中淡出，取而代之的是學生尚未接觸過的要通過解讀物理原理的新穎實驗(如應用性、設計性、專題性實驗等)．創新的實驗題可以使能力考核真正落到實處．
匯入考綱：那麼來看我們2023年的物理考綱
ⅱ.較高要求：對所列知識要理解其確切定義及其他知識的聯絡，能夠進行敘述和解釋，並能在實際問題的分析、綜合、推理和判斷過程中運用．
那麼，我們做電學實驗電路的基本結構及構思的一般程式是什麼？
1．電學實驗電路的基本結構
乙個完整的電學實驗電路往往包括測量電路與控制電路兩部分．
測量電路：指體現實驗原理和測量方法的那部分電路，通常由電表、被測元件、電阻箱等構成．
控制電路：指提供電能、控制和調節電流(電壓)大小的那部分電路，通常由電源、開關、滑動變阻器等構成．
有些實驗電路的測量電路與控制電路渾然一體，不存在明顯的分界．如「測定電源的電動勢和內阻」的實驗電路．
2．實驗電路構思的一般程式
(1)審題
①實驗目的；
②給定器材的效能引數．
(2)電表的選擇
根據被測電阻及給定電源的相關資訊，如電源的電動勢、被測電阻的阻值範圍和額定電流等，估算出被測電阻的端電壓及通過它的電流的最大值，以此為依據，選定量程適當的電表．
(3)控制電路的選擇
一般情況或沒有特別說明的情況下，由於限流電路能耗較小，結構連線簡單，應優先考慮限流連線方式（如圖）．限流接法適合測量小電阻和與變阻器總電阻相比差不多或還小的電阻．
但在下列三種情形下，應選擇分壓式電路：
①當採用限流電路「限不住」電流時，即給定的滑動變阻器阻值偏小，即使把阻值調至最大，電路中的最小電流仍超過用電器的額定電流時，必須選用滑動變阻器的分壓連線方式；
②給定的滑動變阻器的阻值r太小，即電器的電阻遠大於滑動變阻器的總電阻值，rrx，調節滑動變阻器時，對電流、電壓的調節範圍太小；
③實驗要求電壓的調節範圍盡可能大，甚至表明要求使電壓從零開始變化(或要求測量多組實驗資料)，必須選用滑動變阻器的分壓連線方式．
如描繪小電珠的伏安特性曲線、電壓表的校對等實驗，通常情況下都採用分壓式電路．
(4)測量電路的選擇
根據所選定的電表以及被測電阻的情況，選擇測量電路(估算法、試觸法)．
在測量電路中，我們的電流錶有兩種接法：
電流錶的外接法和內接法（測量電路的系統誤差注1）：
(1)採用電流錶內接時，由於電流錶的分壓，電壓表測出的電壓比rx兩端的實際電壓要大一些，即系統誤差使得電阻的測量值大於真實值，即r測》r真．
(2)採用電流錶外接時，由於電壓表的分流，電流錶測出的電流比rx中的實際電流要大一些，即系統誤差使得電阻的測量值小於真實值，即r測如何選擇內接法還是外接法？
(1)採用內接法時，測量電阻的真實值，可以看出ra比r小的越多時，ra的分壓越小，測量的誤差就越小，因此，內接法適合大電阻。
(2) 採用外接法時，測量電阻的真實值，可以看出rv比r大的越多時，rv的分流就越小，測量的誤差就越小，因此，外接法適合小電阻。
如何判斷待測電阻是大電阻還是小電阻？
(1)如果我們的待測電阻的大約值已知，那麼當rx遠大於ra或臨界阻值(2)如果我們不知道待測電阻的大約值，那我們根據實驗中兩電表的讀數變化來判斷。我們用下圖，把電壓表的一段分別接在a、b兩點，若電壓表示數變化較大，說明待測電阻可以與ra相比擬，是小電阻；若電流表示數變化較大，說明待測電阻可以與rv相比擬，是大電阻。
(5)滑動變阻器的選擇
根據所確定的控制電路可選定滑動變阻器．
①限流式電路對滑動變阻器的要求：
a．能「限住」電流，且保證不被燒壞；
b．阻值不宜太大或太小，有一定的調節空間，一般選擇阻值與負載阻值相近的變阻器．
②分壓式電路對滑動變阻器的要求：
電阻較小而額定電流較大，i額＞ (r為變阻器的總電阻)．．
3．電表的反常規用法
其實，電流錶、電壓表如果知道其內阻，它們的功能就不僅僅是測電流或電壓．因此，如果知道電表的內阻，電流錶、電壓表就既可以測電流，也可以測電壓，還可以作為定值電阻來用，即「一表三用」
三、常見的測量電阻的方法注2
例題訓練：
例1：從下表中選出適當的實驗器材，設計一電路來測量電流錶的內阻r1．要求方法簡捷，有盡可能高的測量精度，並能測得多組資料．
(1)畫出電路圖，標明所用器材的代號．
(2)若選測量資料中的一組來計算r1，則所用的表示式r1式中各符號的意義是
【解析】根據所列儀器的特點，電流錶的內阻已知，由此可採用兩電流錶併聯．因為兩電流錶兩端的電壓相等，即可省去電壓的測量，從而減小實驗誤差，由i2r2＝i1r1，得r1＝．
[答案] (1)電路圖如圖所示
(2) i1、i2分別為、的示數
【點評】①分析題意可知需測量電流錶的內阻，按常規方法應用伏安法，將電壓表併聯在待測電流錶兩端，但經分析可知即使該電流錶滿偏，其兩端的電壓也僅為0.4 v，遠小於量程10 v．這恰恰就是本題設計考核學生應變能力的「陷阱」．
②此題也可理解為「將已知內阻的電流錶當成電壓表使用」，這實際也是伏安法的一種推廣形式．
例2：有一根圓台狀勻質合金棒如圖7－9甲所示，某同學猜測其電阻的大小與該合金棒的電阻率ρ、長度l和兩底面直徑d、d有關．他進行了如下實驗：
圖7－9
(1)用游標卡尺測量合金棒的兩底面直徑d、d和長度l．圖6－8乙中的游標卡尺(遊標尺上有20個等分刻度)的讀數l＝________cm．
(2)測量該合金棒電阻的實物電路如圖6－8丙所示(相關器材的引數已在圖中標出)．該合金棒的電阻約為幾個歐姆．圖中有一處連線不當的導線是用標註在導線旁的數字表示)
圖7－9丙
(3)改正電路後，通過實驗測得合金棒的電阻r＝6.72 ω．根據電阻定律計算電阻率為ρ、長為l、直徑分別為d和d的圓台狀合金棒的電阻分別為rd＝13.3 ω、rd＝3.
38 ω．他發現：在誤差允許範圍內，電阻r滿足r2＝rd·rd，由此推斷該圓台狀合金棒的電阻r用ρ、l、d、d表述)
[2023年高考·江蘇物理卷]
【解析】(1)游標卡尺的讀數，按步驟進行則不會出錯．首先，確定游標卡尺的精度為20分度，即為0.05 mm；然後以公釐為單位從主尺上讀出整公釐數99.00 mm，注意小數點後的有效數字要與精度一樣；再從光標尺上找出對的最齊一根刻線，精度×格數＝0.
05×8 mm＝0.40 mm；最後兩者相加，根據題目單位要求換算為需要的資料，99.00 mm＋0.
40 mm＝99.40 mm＝9.940 cm．
(2)本實驗為測定乙個幾歐姆的電阻，在用伏安法測量其兩端的電壓和通過電阻的電流時，因為安培表的內阻較小，為了減小誤差，應用安培表外接法，⑥線的連線使用的是安培表內接法．
(3)審題是關鍵，弄清題意也就能夠找到解題的方法．根據電阻定律計算電阻率為ρ、長為l、直徑分別為d和d的圓柱狀合金棒的電阻分別為：
rd＝13.3 ω，rd＝3.38 ω
即rd＝ρ，rd＝ρ
而電阻r滿足r2＝rd·rd
將rd、rd代入得：r＝．
[答案] (1)9.940 (2)⑥ (3)
例3：用以下器材測量一待測電阻rx的阻值(900～1000ω)：電源e ，具有一定內阻，電動勢約為9.
0v；電壓表v1，量程為1.5v，內阻r1=750ω；電壓表v2，量程為5v，內阻r2=2500ω；滑動變阻器r，最大阻值約為100ω；單刀單擲開關s；導線若干．
(1)測量中要求電壓表的讀數不小於其量程的1/3，試在下面的方框中畫出測量電阻rx的一種實驗電路原理圖(原理圖中的元件要用題圖中的相應的英文本母標註
(2)根據你所畫的電路原理圖在題給的實物圖上畫出連線．
(3)若電壓表v1的讀數用u1 表示，電壓表v2的讀數用u2表示，則由已知量和測得量表示rx的公式為
或【解析】(1)本題中測量電阻的原理是併聯分流或串聯分壓．由於滑動變阻器的最大阻值遠小於測量電阻的阻值，且電源電動勢大於兩電壓表的量程，在調節滑動變阻器的過程中，為保證電壓表的安全，且其讀數有明顯的改變，滑動變阻器應採用分壓式控制電路，電路原理圖如圖甲或乙所示．
(2)實物連線圖如圖所示：
(3)若用甲電路，根據併聯電路的電流分配關係
解得，；
若採用乙電路，根據串聯電路的電壓分配關係，
解得，。
備註：已知內阻的電表可以當作另一種電表使用，而且測量沒有系統誤差．對於電表的選擇，必須先根據已知條件估算電路中的最大電壓或電流值，以此確定選用略大於且量程最小的電表，另外還必須滿足題目的其他條件．
例4：如圖，一熱敏電阻rt放在控溫容器m內；為毫安表，量程6ma，內阻為數十歐姆；e為直流電源，電動勢約為3v，內阻很小；r為電阻箱，最大阻值為999.9ω；s為開關．已知rt在95℃時的阻值為150ω，在20℃時的阻值約為550ω.
現要求在降溫過程中測量在95℃～20℃之間的多個溫度下rt的阻值．
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