電表、電路測量及設計
2007-12-31 00:00:00陳臣騫
物理教學探討 2007年10期
縱觀歷年高考物理實驗試題，第一重點和熱點首推“電學試驗”，而剖解試題內容不難發現主要關鍵詞是“電表”、“測量”、“設計”。本文圍繞這三個關鍵詞就電學實驗復習作一歸類分析。
1電表的認識：
1.1電流表串聯于電路中測電流I；電壓表并聯于電路中測電壓U。
1.2電表的“雙重性”：作為實際電表，內阻均不可忽略，所以本質上講實際電表就是一個可讀I或U的定值電阻。
1.4電表讀數越接近滿偏值相對誤差越小，故一般正確讀數要求范圍為：1／3滿偏~滿偏，這是實驗中電表量程準確選擇的主要依據。
2電路測量的目標量設定多為電阻，具體包括定值電阻、電表內阻、電源內阻及非線性電阻的伏安特性。電阻測量的幾種常見方法：
2.1歐姆表直接測量(注意不能在通電電路中進行)
2.2半偏法(常針對于測小阻值，如○A內阻)
——也可延伸為比例法
2.3等效替代法
S連1，調節R1，使○A為某讀數；S連2，凋節R2，使○A為同讀數。則有Rx=R2。
3如何認識伏安法?
伏安法是進行電阻測量的主要方法之一，更因兼以實驗誤差的分析和實驗電路的設計而成為高考的熱點。其理論基礎為歐姆定律R=U/I，而因電表為實際電表（內阻不可忽略，由此產生對電路的分流或分壓)，則有兩種接法。
總之，伏安法測電阻中，伏、安兩表總是“一準一誤”，為魚和熊掌不可兼得，實驗取舍區別為：哪一種接法帶來的相對誤差更小而已。
4電路設計的指導思想
電路設計思想是考查學生電路知識、電學器材的基本運用、誤差分析和實驗能力等綜合素質的好載體，尤其于培養、挖掘和檢查學生創造性思維能力和實際應用能力為一個不可替代的好題型。故歷年為高考的重熱點所在。如何進行電路設計?基本指導思想為分解電路結構：測量部分+控制部分+供電部分，進而分而理之。
4.1測量電路部分：對伏安測量電表的正確連接，以達到減小實驗誤差。分三種常見情形：
4.1.3反常規伏安法(前提已知RV或RA而題目要求是“準確測量”—即排除系統誤差的測量)
例已知電流表(0-0.6A，內阻約10Ω)；電壓表(0-6V，內阻RV=2kΩ)：要求準確測量Rx約為1kΩ的待測電阻阻值。(審題關注：“準確測量”要求，及兩電表內阻給予的用詞區別“約”和“=”)
4.2控制電路部分：實驗電路都需借助滑動變阻器進行電路的安全控制或多次測量減小偶然誤差，而作為電路控制的滑動變阻器在電路中有兩種接法：
兩種接法對測量電路部分工作電壓Ux實際控制范圍比較如下(取測量電路電阻為Rx、滑動動變阻器總電阻為R0、電源內阻r不計)：
兩種接法實際工作電壓UX范圍結論
由于限流式接法簡明，能耗小，故一般情況下取限流式，而針對下列幾種情形則需取分壓式。
①測量范圍盡可能大(或要求用圖像法進行結果處理);
②測量范圍及0(電表的校準、要求或只允許小電壓、小電流進行工作);
③Rx raquo;R0——限流式的測量范圍實在小。
4.3供電部分：電源+電鍵
例1用伏安法較準確的測定一個阻值約為100Ω的電阻，所給的器材規格如下：
A.電流表(0-0.6A，內阻0.1Ω)；
B.電壓表(0-6V，內阻5kΩ)；
C.電池(4.5V，內阻不計)；
D.滑動變阻器(0-50Ω，1A)；
E.開關一個；
F.導線若干。
在用圖象法求Rx，試畫出所采用的電路圖。
分析這是一道典型的電路設計問題。而簡化此類問題的常用方法就是“分而理之”：第一供電部分：電源+電鍵；第二控制部分：滑動電阻器分壓或限流的選擇；第三測量部分：伏安內外接法的選擇。
由于一般情況下滑動變阻器的限流接法具有接法簡明、能耗低的優點而為優先選擇。運用分壓接法時，題目必有所指——“范圍大”(特別是從0開始)，此也是我們審題的著眼所在。本題要求用分壓法的所指用詞就是“在用圖象法求RX”，圖象法即要求盡可能多次測量。而測量部分由于滿足RxRA，故采用○A內接法。
例2用如圖所示的兩個電路測量同一個電阻R，用(a)圖的電路時，伏特表示數為U1=6.0V，電流表示數I1=6.0mA。用(b)圖的電路時，伏特表示數為U2=5.9V，電流表示數I2=10.0mA．問：①用哪個電路所測電阻誤差較小?測量值是多少?測量值是偏大還是偏小?②如果已知RA=2Ω，則待測電阻的真實值為多大?③如果P、Q間電壓恒定不變，則待測電阻R的真實值多大?
分析本題是伏安接法結果處理及誤差分析、誤差修正的延伸和拓展。
(2)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______。
分析此題的關鍵點在于只有○V表而沒有○A表，則還能運用伏安法嗎?答案是肯定的，由于告知○V表內阻RV，由○V讀數來間接得到所測電流IV=UV/RV，正是命題意圖所在，這就是所謂的“電表另用”。由題目要求電壓表讀數不小于其量程的13，可選定兩表的連接位置。而題設Rx的阻值（900Ω~1000Ω）滑動變阻器R最大阻值約為100Ω，故控制電路采用分壓式。由上分析可得設計圖如下。
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