電學實驗中儀器和電路選擇的綜合應用

王新芝

中學電學實驗因其原理豐富、操作容易、現象明顯、誤差相對較小且易于減小實驗誤差等特點，成為各類考試考察中長盛不衰的“熱點”，高考中更是年年必考.其中難點是實驗儀器和電路的選擇，它能充分反映學生對實驗目的、實驗原理、實驗方法和步驟等的理解掌握情況以及對實驗器材性能和操作的熟練程度，是學生學習的重點和難點.下面分析如何解決這一類型的習題.

一、總原則

選擇儀器和電路的目的是為了減小實驗誤差，使測量盡量準確.因此，為了使測量盡量準確和保護儀器，選擇儀器和電路時應注意如下總原則.

1.電表的選擇：①盡量選擇較理想（即安培表內阻越小越好，伏特表內阻越大越好）的電表（電壓表，電流表）；②選量程時應盡量使指針達半偏以上，這樣有利于減小誤差.

2.變阻器的選擇：原則上要便于調節.所以在限流接法中其電阻值應接近待測電阻，不要過大，也不要過小；在分壓接法中，盡量選阻值小的.額定電流則越大越好.

3.安培表內、外接法的選擇：當RxRARVRx時，即測大電阻時用安培表內接法.

4. 分壓、限流電路的選擇：①選擇電路時優先考慮限流電路，當電路中最小電流仍超過電流表量程（或電路中額定電流）時，就用分壓電路；②要求負載電壓從零開始或盡量多測幾組試驗數據時，用分壓電路；③用圖線法處理數據時，用分壓電路.

二、例題解析

例1（2013·北京·21）某同學通過實驗測定一個阻值約為5 Ω的電阻Rx的阻值.

（1）現有電源（4V，內阻可不計）、滑動變阻器（0～50 Ω，額定電流2A）、開關和導線若干，以及下列電表：

A.電流表（0～3 A，內阻約0.025 Ω）

B.電流表（0～0.6 A，內阻約0.125 Ω）

C.電壓表（0～3 V，內阻約3 kΩ）

D.電壓表（0～15 V，內阻約15 kΩ）

為減小測量誤差，在實驗中，電流表應選用，電壓表應選用（選填器材前的字母）；實驗電路應采用圖1中的（選填“甲”或“乙”）.

圖1（2）圖2是測量Rx的實驗器材實物圖，圖中已連接了部分導線.請根據在（1）問中所選的電路圖，用筆畫線代替導線補充完成圖中實物間的連線.

圖2（3）接通開關，改變滑動變阻器滑片P的位置，并記錄對應的電流表示數I、電壓表示數U.某次電表示數如圖3所示，可得該電阻的測量值Rx=UI=Ω（保留兩位有效數字）.

圖3（4）若在（1）問中選用甲電路，產生誤差的主要原因是；若在（1）問中選用乙電路，產生誤差的主要原因是.（選填選項前的字母）

A.電流表測量值小于流經Rx的電流值

B.電流表測量值大于流經Rx的電流值

C.電壓表測量值小于Rx兩端的電壓值

D.電壓表測量值大于Rx兩端的電壓值

解析（1）為了減小誤差，應使電表讀數為量程的13～23，電源電動勢為4 V，故電壓表選C.估算通過Rx的最大電流約為Im=35A=0.6 A，所以電流表應選B.因為RVRx>RxRA，所以電流表應外接，即應采用甲電路，測量誤差較小.

（2）如圖4所示.

圖4（3）電流表、電壓表的讀數分別為I=0.50 A，U=2.60 V，所以Rx=2.600.50Ω=5.2 Ω.

（4）甲電路中產生誤差的主要原因是電壓表的分流作用，選項B正確.乙電路中產生誤差的主要原因是電流表的分壓作用，故選項D正確.

例2在“測定金屬的電阻率”的實驗中，若待測金屬絲的電阻約為5 Ω，要求測量結果盡量準確，提供以下器材供選擇：

A.電池組（3 V，內阻1 Ω）

B.電流表（0～3 A，內阻0.012 5 Ω）

C.電流表（0～0.6 A，內阻0.125 Ω）

D.電壓表（0～3 V，內阻4 kΩ）

E.電壓表（0～15 V，內阻15 kΩ）

F.滑動變阻器（0～20 Ω，允許最大電流1 A）

G.滑動變阻器（0～2 000 Ω，允許最大電流0.3 A）

H.開關、導線若干

（1）實驗時應從上述器材中選用（填寫儀器前的字母代號）；

（2）測電阻時，電流表、電壓表、待測金屬絲電阻Rx在組成測量電路時，應采用電流表（選填“外”或“內”）接法，待測金屬絲電阻的測量值比真實值偏（選填“大”或“小”）；

圖5（3）若用螺旋測微器測得金屬絲的直徑d的讀數如圖5所示，則讀數為mm；

（4）若用L表示金屬絲的長度，d表示直徑，測得電阻為R，請寫出計算金屬絲電阻率的表達式ρ=.

解析（1）電池組電壓是3 V，流過金屬絲的最大電流Im=Er+Rx=0.5 A，故電流表選C，電壓表選D；滑動變阻器選總阻值小的，便于調節，故選F；另外要選導線、開關.

（2）因為RxRA=40，RVRx=800，故電流表選擇外接法，外接法測量值偏小.

（3）根據千分尺的讀數規則知，讀數是0.5 mm+40.0×0.01 mm=0.900 mm.

（4）R=ρLS=ρ4Lπd2，解得ρ=πRd24L.

例3物理興趣小組的同學們從實驗室中找到一只小燈泡，其標稱功率值為0.75 W，額定電壓值已模糊不清.他們想測定其額定電壓值，于是先用歐姆表直接測出該燈泡的電阻約為2 Ω，然后根據公式計算出該燈泡的額定電壓U=PR=0.75×2 V=1.22 V.他們懷疑所得電壓值不準確，于是，再利用下面可供選擇的實驗器材設計一個電路，測量通過燈泡的電流和它兩端的電壓并根據測量數據來繪制燈泡的U-I圖線，進而分析燈泡的額定電壓.

A.電壓表V（量程3 V，內阻約3 kΩ）

B.電流表A1（量程150 mA，內阻約2 Ω）

C.電流表A2（量程500 mA，內阻約0.6 Ω）

D.滑動變阻器R1（0～20 Ω）

E.滑動變阻器R2（0～100 Ω）

F.電源E（電動勢4.0 V，內阻不計）

G.開關S和導線若干

H.待測燈泡L（額定功率0.75 W，額定電壓未知）

（1）在下面所給的虛線框中畫出他們進行實驗的電路原理圖，指出上述器材中，電流表選擇（填“A1”或“A2”）；滑動變阻器選擇（填“R1”或“R2”）.

（2）在實驗過程中，該同學將燈泡兩端的電壓由零緩慢地增加，當電壓達到1.23 V時，發現燈泡亮度很暗，當達到2.70 V時，發現燈泡已過亮，便立即斷開開關，并將所測數據記錄在下邊表格中.