■江蘇省鹽城市建湖縣第二中學(xué) 蘭有勝

在高中電學(xué)實(shí)驗(yàn)中,常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)器材和方法的替代主要有以下四個(gè)方面的創(chuàng)新。

一、電表量程的改裝替代

當(dāng)題目給出的電表量程較小,而不能滿足測(cè)量要求時(shí),就需要擴(kuò)大電表的量程,用改裝后的電表來(lái)替代原電表進(jìn)行測(cè)量。

例1測(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻,提供的器材如下：A.待測(cè)電源(電動(dòng)勢(shì)約為8V、內(nèi)阻約為2Ω),B.電壓表V(0～3V,內(nèi)阻約為3kΩ),C.電流表A(0～1A),D.電阻箱R(0～99999.9Ω),E.滑動(dòng)變阻器(0～20Ω),F.滑動(dòng)變阻器(0～100Ω),G.開(kāi)關(guān)一個(gè)、導(dǎo)線若干。

圖1

(1)采用如圖1所示電路測(cè)量電壓表的內(nèi)阻RV。調(diào)節(jié)電阻箱R,使電壓表指針滿偏,此時(shí)電阻箱示數(shù)為R1;再調(diào)節(jié)電阻箱R,使電壓表指針指在滿刻度的一半處,此時(shí)電阻箱示數(shù)為R2。

①電壓表內(nèi)阻RV=____。

②關(guān)于上述實(shí)驗(yàn),下列說(shuō)法中正確的有____。

A.實(shí)驗(yàn)中電源可使用待測(cè)電源

B.閉合開(kāi)關(guān)S前,應(yīng)將電阻箱阻值調(diào)到最小

C.調(diào)節(jié)電阻箱R使電壓表指針滿偏時(shí),電阻箱的阻值是逐漸增大的

D.實(shí)驗(yàn)中忽略了電源的內(nèi)阻,會(huì)使測(cè)量值偏大

(2)若測(cè)得電壓表內(nèi)阻RV=3010Ω,則與之串聯(lián)一個(gè)R=____Ω的電阻,可將電壓表的量程變?yōu)?V。

(3)為測(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻,請(qǐng)用筆畫線代替導(dǎo)線,將如圖2所示實(shí)物電路連接完整。實(shí)驗(yàn)中,滑動(dòng)變阻器應(yīng)選擇____(選填“E”或“F”),并指出產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差的一個(gè)原因：____。

分析：本題中是用改裝的電壓表來(lái)等效替代大量程的電壓表。求解(1)問(wèn)時(shí),應(yīng)考慮到電壓表的內(nèi)阻較大,相對(duì)而言,電源的內(nèi)阻較小,可忽略不計(jì)。另外,求解電路問(wèn)題應(yīng)考慮運(yùn)用閉合電路的歐姆定律列式,并考慮綜合分析實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差問(wèn)題。(2)問(wèn)考查的是改裝電表以擴(kuò)大量程。選擇滑動(dòng)變阻器應(yīng)考慮到電表量程及其讀數(shù)的精確度。

圖2

答案：(1)①R2-2R1②AD

(2)6020

(3)如圖3所示 E 電壓表的分流、電表的讀數(shù)誤差、電表本身的精確度不高等

圖3

二、電流表和電壓表的轉(zhuǎn)換替代

按常理,電流表和電壓表是分別用來(lái)測(cè)量電流和電壓的,但有時(shí)由于實(shí)際需要,可以將電表適當(dāng)改裝而改變它們的用途,將電流表和電壓表轉(zhuǎn)換替代使用。

例2某興趣小組要精確測(cè)定額定電壓為3V的節(jié)能燈正常工作時(shí)的電阻,已知該節(jié)能燈正常工作時(shí)的電阻約為500Ω。實(shí)驗(yàn)室提供的器材有：電流表A(量程0～3mA,內(nèi)阻RA=15Ω),定值電阻R1=1985Ω,滑動(dòng)變阻器R(0～10Ω),電壓表V(量程0～12V,內(nèi)阻RV=1kΩ),蓄電池E(電動(dòng)勢(shì)為12V,內(nèi)阻r很小),開(kāi)關(guān)一個(gè),導(dǎo)線若干。

(1)要精確測(cè)定該節(jié)能燈正常工作時(shí)的電阻應(yīng)采用如圖4所示電路圖中的____。

圖4

(2)若電壓表V的示數(shù)用U表示,電流表A的示數(shù)用I表示,寫出測(cè)量節(jié)能燈正常工作時(shí)的電阻表達(dá)式Rx=____(用U、I、R1、RA、RV表示)。當(dāng)電流I=____mA時(shí),記下電壓表的讀數(shù)U并代入表達(dá)式,其結(jié)果即為節(jié)能燈正常工作時(shí)的電阻。

分析：要測(cè)定該節(jié)能燈正常工作時(shí)的電阻,需測(cè)量節(jié)能燈兩端的電壓和通過(guò)節(jié)能燈的電流。節(jié)能燈的額定電壓為3V,題目中所給的電壓表量程過(guò)大,測(cè)量誤差較大,因此不能用已知的電壓表直接測(cè)量節(jié)能燈兩端的電壓;節(jié)能燈正常工作時(shí)的電流大約為6mA,題目中所給的電流表量程較小,因此無(wú)法用已知的電流表直接測(cè)量通過(guò)節(jié)能燈的電流?？梢詫㈦娏鞅鞟與定值電阻串聯(lián)改裝為電壓表測(cè)量電壓,用已知內(nèi)阻的電壓表代替電流表測(cè)量電流。因?yàn)榛瑒?dòng)變阻器的阻值遠(yuǎn)小于節(jié)能燈正常工作時(shí)的電阻,所以滑動(dòng)變阻器應(yīng)采用分壓式接法。

答案：(1)C

三、電源種類的變換替代

電學(xué)實(shí)驗(yàn)的電源常用干電池,但有時(shí)也會(huì)用其他種類的器材加以替代。常見(jiàn)的電源種類的變換替代有“水果電池”替代“干電池”,“多用電表”替代“干電池”等。

例3指針式多用電表歐姆擋的內(nèi)部電路由直流電源、調(diào)零電阻和表頭相串聯(lián)而成,現(xiàn)設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn),測(cè)量多用表“×1Ω”擋的內(nèi)部電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)部總電阻。給定的器材有：待測(cè)多用電表,量程為100mA的電流表,最大電阻為20Ω的滑動(dòng)變阻器,鱷魚(yú)夾,開(kāi)關(guān),導(dǎo)線若干。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

(1)實(shí)驗(yàn)前將多用電表調(diào)至“×1Ω”擋,將紅、黑表筆短接,調(diào)節(jié)旋鈕,使指針指在____(選填“電阻”或“電流”)的零刻度處。

(2)用鱷魚(yú)夾將紅、黑表筆固定在如圖5所示的兩接線柱上,請(qǐng)用筆畫線代替導(dǎo)線將電路連接完整。

(3)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器,讀出多用電表示數(shù)R、毫安表示數(shù)I,求出電流倒數(shù)記錄在表1中,根據(jù)表格數(shù)據(jù)在圖6的坐標(biāo)系中描點(diǎn)作圖。

表1

圖6

(4)根據(jù)圖像求出多用電表內(nèi)部電源的電動(dòng)勢(shì)為_(kāi)___V,內(nèi)部總電阻為_(kāi)___Ω。(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)

(5)電流表存在一定的內(nèi)阻,這對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果____(選填“有影響”或“無(wú)影響”)。

分析：知道歐姆調(diào)零的原理,便可以確定(1)問(wèn)中應(yīng)該使指針指在電阻的零刻度處。對(duì)照課本中測(cè)定電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)原理可知,此處可用多用電表替代電池。根據(jù)閉合電路的歐姆定律可推導(dǎo)出R=1EI r,結(jié)合數(shù)學(xué)知識(shí)即可求出等效電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻。因?yàn)闅W姆表的示數(shù)是外電路的總電阻,所以電流表的電阻對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有影響。

答案：(1)電阻

(2)如圖7所示

圖7

(3)如圖8所示

圖8

(4)1.50 15.0

(5)無(wú)影響

四、“電阻”測(cè)量方法的替代

測(cè)量電阻常用歐姆表或“伏安法”,而為了考查同學(xué)們的創(chuàng)新能力,有些試題會(huì)用“安阻法”“伏阻法”“半偏法”等替代“伏安法”。

例4(2015年高考全國(guó)Ⅱ卷)電壓表滿偏時(shí)通過(guò)該表的電流是半偏時(shí)通過(guò)該表電流的兩倍。某同學(xué)利用這一事實(shí)測(cè)量電壓表的內(nèi)阻(半偏法),實(shí)驗(yàn)室提供的器材如下：待測(cè)電壓表V(量程3V,內(nèi)阻約為3000Ω),電阻箱R0(最大阻值為99999.9Ω),滑動(dòng)變阻器R1(最大阻值100Ω,額定電流2A),電源E(電動(dòng)勢(shì)6V,內(nèi)阻不計(jì)),開(kāi)關(guān)2個(gè),導(dǎo)線若干。

圖9

(1)如圖9所示的虛線框內(nèi)為該同學(xué)設(shè)計(jì)的測(cè)量電壓表內(nèi)阻的電路圖的一部分,請(qǐng)將電路圖補(bǔ)充完整。

(2)根據(jù)設(shè)計(jì)的電路,寫出實(shí)驗(yàn)步驟：___。

(3)將這種方法測(cè)出的電壓表內(nèi)阻記為RV',與電壓表內(nèi)阻的真實(shí)值RV相比,則RV'____RV(選填“＞”“=”或“＜”),主要理由是：___。

分析：待測(cè)電壓表電阻(約3000Ω)遠(yuǎn)大于滑動(dòng)變阻器R1的最大阻值(100Ω),故滑動(dòng)變阻器R1應(yīng)采用分壓式接法;待測(cè)電壓表的量程為3V,電源的電動(dòng)勢(shì)為6V,由給定的器材分析,應(yīng)優(yōu)先考慮分壓式電路接法;考慮到電路的安全性,在閉合開(kāi)關(guān)前,應(yīng)將變阻器的滑片移動(dòng)到使分壓部分的電壓最小。使電壓表與電阻箱串聯(lián)時(shí)認(rèn)為分壓部分電壓不變,而實(shí)際在斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S2時(shí),將會(huì)引起電路總電阻增大,使得分壓部分的電壓大于電壓表滿偏時(shí)的電壓,即電壓表半偏時(shí),R0的實(shí)際電壓大于電壓表半偏電壓,導(dǎo)致RV＜R'V。另外,滑動(dòng)變阻器的選擇要注意阻值宜適當(dāng)小些,以減少閉合開(kāi)關(guān)S2引起分壓部分總電壓的變化,從而減少誤差。

答案：(1)如圖10所示。

圖10

(2)①先將R1調(diào)到最左端,閉合開(kāi)關(guān)S1、S2,調(diào)節(jié)R1,使電壓表的指針滿偏;②保證滑動(dòng)變阻器的位置不變,斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S2,調(diào)節(jié)電阻箱R0,使電壓表的指針半偏;③讀取電阻箱所示的阻值,此即為測(cè)得的電壓表內(nèi)阻

(3)＞ 斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S2,調(diào)節(jié)電阻箱R0,使得電壓表指針半偏時(shí),電壓表所在支路電阻增大,分擔(dān)的電壓增大,此時(shí)R0的電壓大于電壓表的半偏電壓