《电学设计性实验导析》课件（新人教版）

(共33张PPT)
新课标高考物理电学实验复习
一、命题趋势
近几年，高考实验题发生了明显的变化，已经从课本的分组实验，延伸到课本的演示实验，并且出现了设计型实验。对于实验能力也有明确的要求，”能灵活地运用已学过的物理理论、实验方法和实验仪器去处理问题”。在理科综合《考试说明》中，也把“设计和完成实验的能力”作为重要的考试目标之一。
完整的设计一个实验，要经历诸多环节。在实际实验考查中，一般只考查其中几个环节。比如题目给出了实验条件和实验器材，要求阐述实验原理的；题目给出实验电路图，要求在领会实验原理的基础上，确定需测量的物理量写出计算公式的；题目给出实验操作步骤及测定和物理量判断实验原理、进行误差分析的等等。虽然考查方式不尽相同，但目前高考中几乎所有的设计型实验都有一个共同点，都是在给出实验器材的前提下进行考查，而且都以不同方式或多或少的对实验原理作了一定的提示，以此降低一点难度和减少考生答题的盲目性。
在众多的设计性实验中，电学设计性实验尤为突出。为什么命题专家热衷于这一部分的考查呢？原因很简单，在这一部分命题，能够考查同学们的电路计算、器材选择、实物连图、数据处理、综合构思、误差分析等多方面的分析综合能力。
二、实验理论
（一）认识设计电路的结构
一个实验电路大体可分为供电部件、控制部件、测量部件和研究部件。供电部件由电源充当，电源供给电路中的电能，维持电路中一定的电压或电流；控制部件一般由滑动变阻器、电键充当，电键切断或接通电路，改变电流的方向，滑动变阻器控制输出电压或电流的大小；测量部件一般是电流表或电压表，主要是显示研究对象的电流或电压。研究部件就是电学的研究对象，灯泡、电阻、电动机、二极管等等。研究部件是中心，其他三个部件都服务于这一中心。
（二）熟悉设计电路的基本仪器
1、电源
电源是进行电路设计的必选器材，电源存在有内阻和无内阻两种情况。选择时，一般根据研究对象的额定电压和额定电流来确定，有时根据测量的准确性来确定（比如半偏法测表头内阻实验）。
2、电压表和电流表
在多数情况下，电压表和电流表都被视为理想电表，即电压表内阻无穷大，电流表内阻为零，此时电表的接入对电路没有影响，但是在某些题目中电表并不是理想的，这时电表既是一个测量仪表，又是连接在电路中的一个电阻。电流表读数给出了通过该电阻的RA的电流，电压表读数给出了内阻RV两端的电压。
选择的根据是不使电表受损和尽量减少误差。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）。
电流表和电压表量程一般根据研究对象的额定电压和额定电流、同时参考电源的电动势来选择。
由于电流表分压引起的。
误差产生的原因:
若　 > > 时，采用电流表内接法
由于电压表分流引起的。
误差产生的原因：
内接法
RX
V
A
·
·
RX
A
V
·
·
外接法
若 >> 时，采用电流表外接法。
① 比值法
b.选择方法：
内接法与外接法的选择
a.条件：已给出R的估计阻值
内接法
RX
V
A
·
·
RX
A
V
·
·
外接法
结论： 与 哪个比值大Rx就与对应表“近接”
RA
Rx
RV
Rx
若　 >> 时，采用电流表内接法。
若 >> 时，采用电流表外接法。
② 试触法
b.选择方法：将电压表分别接a、b两点
结论：两次接触，哪个表示数变化明显 , Rx就与哪个表“近接”
a.条件：未给出RX的估计阻值
RX
V
A
·
·
P
a
b
　　如果电流表示数有显著变化，说明电压表的分流作用较强，不满足RX<　　安培表和伏特表示数变化显著（明显）的标志是它们的示数的变化量（绝对误差）占原来值的百分比大．（相对误差）
　　从另一个角度来看，电压表的示数没有显著变化，说明电流表的分压作用很弱，满足RX>>RA,应选用内接法．P 应接在b 处。　
①“内大外小”的两层含义：
——内接法测量值偏大，外接法测量值偏小；
——内接法适宜测量大电阻（与电压表接近的电阻），外接法适宜测量小电阻（与电流表接近的电阻）。
相关结论
②当待测电阻大小无法估计时，要试触。若电流表变化明显（变化量与初值相比，比值较大），说明电压表分流作用明显，宜采用内接法；若电压表变化明显，说明电流表分压作用明显，则采用外接法。即：谁变化大，电阻就与谁“近接”。
3、定值电阻
单一阻值的定值电阻，在电路中充当保护电阻或用来改装电表量程，众多阻值的电阻箱，在电路中的作用是给出可变的定值电阻，用来控制电路，可调电阻是不连续的。
二极管
二极管是一种半导体元件，它的特点具有单向导电性，即正向导通，反向截止。
4、滑动变阻器
滑动变阻器有4个接线柱：A、B、C、D，如图所示。接A和B时，滑动变阻器相当于定值电阻，不起变阻作用，接C和D时，接入电路的电阻为零，也不起变阻作用。
滑动变阻器在电路中只是起辅助作用，是配角.它对测量电路起调节电压，或者调节电流的作用。
　 可见滑动变阻器的总阻值R越大，电阻RX两端电压的变化范围越大。变阻器总阻值R 是Rx 的2--5倍时，限流接法对电流、电压控制作用显著，这样既便于调节,用电器两端电压变化范围又比较大.
(1) 限流电路
在合上开关以前，要使滑动变阻器滑片P的位置处于a端．
RX
P
a
b
E
R
r=0
根据测量电路的要求，滑动变阻器中电路中有两种接法：
(2) 分压电路
RX
P
a
b
E
R
r=0
负载RX的电压调节范围0~E
　　在合上开关以前，要使滑动变阻器滑片位置处于a端．以使负载上的电压和电流最小．（均为零）
　 滑动变阻器的总阻值R越小，越便于调节用电器两端电压． 一般选用滑动变阻器的全电阻小于用电器的电阻, 在0.1—0.5倍之间为好。
1．用电器两端电压要求变化范围较大，或从零开始连读可调，应选分压电路。
2．如果采用限流电路时，电路中最小电流等于或大于用电器的额定电流，应选分压电路。
3．如果滑动变阻器的全阻值比用电器的阻值小得多，为了能使用电器两端电压有较大变化，应选分压电路。
4．如果滑动变阻器的全阻值比用电器的阻值相差不多，两种电路都可以对用电器的电压（电流）进行有效方便的控制，可以任选其中一种电路。此时应从节省电能和电路简单考虑，应选限流电路。
限流电路和分压电路选择的原则 :
滑动变阻器的粗调和微调作用：
①在限流电路中，全电阻较大的变阻器起粗调作用，全电阻较小的变阻器起微调作用。
②在分压电路中，全电阻较小的变阻器起粗调作用，全电阻较大的变阻器起微调作用。
⑴安全性原则
　　要保证所用仪器的安全，电源最大允许通过的电流、电压表和电流表的量程、滑动变阻器允许通过的最大电流、用电器的额定电压电流等。选择电源、电表和用电器时，保证其电流和电压均不超过使用的量程。
⑵精确性原则
　　尽量减小实验误差。选择电表时，在保证电流和电压均不超过使用量程的前提下，合理选择量程。务必使指针有较大偏转（一般取满偏度的2/3），电表达不到满偏的1/3是不允许的。
小结：对实验仪器的选择，在进行正确测量的前提下，一般遵循以下原则：
⑶操作性原则：
　 如滑动变阻器的选择，既要考虑它的额定电流，又要考虑它的阻值范围，当其阻值大于用电器的阻值时用限流电路调节电路的电压(电流)比较方便；当其阻值小于用电器的电阻时用分压电路调节电路的电压(电流)比较方便．
⑷选择的一般步骤
　①根据实验要求设计合理的实验电路；
　②找出唯一性的器材；
　③估算电路中电压和电流的最大值或最小值，结合已知器材的规格选定电源、选定电压表和电流表以及所用的量程；
　④根据实验的要求和待测电阻的阻值选择滑动变阻器.
（三）对电阻箱、电流表和电压表的深层次认识
电阻箱是能读出自身电阻的特殊的电阻，电流表是能读出流过自身电流的特殊电阻，电压表是能读出加在自身两端电压的特殊电阻。
有些设计题目给出了电流表内阻的准确值，此时的电流表既是个电流表又是个“电压表”。这个“电压表”如果和某个研究对象并联，就可以“读出”研究对象两端电压;同样，如果设计题目给出了电压表内阻的准确值，此时的电压表既是个电压表又是个“电流表”，这个“电流表”如果和某个研究对象串联，就可以“读出”流过研究对象的电流。已知准确内阻的电流表和电压表，给了我们更多的信息。
三、常见实验
高中电学实验中，电阻测量的方法是电学实验的基础，也是实验设计的基础，以此潜移默化影响其他的电学实验。我们就从最常见的、最易考查的电阻的测量来体会，以此得到启发。
1.伏安法
限流器电路，安培表内接法
RX
A
V
·
·
限流器电路，安培表外接法
RX
A
V
分压器电路，安培表内接法
分压器电路，安培表外接法
RX
A
V
RX
V
A
RX
A
V
存在系统误差
没有系统误差
RX
A
V
R0
·
·
1
2
RX
A
V
改装图
A2
A1
Rx
．
．
．
．
．
伏安法测电阻之发散思维
“安安法”
条件：已知电流表A2的内阻,将A2看成一个电压表使用．
没有系统误差
根据并联分流进行测量
Rx
V2
v1
．
．
．
．
．
“伏伏法”
条件：已知电压表V2的内阻,将V2看成一个电流表使用．
存在系统误差
Rx
V2
v1
．
．
．
．
．
能否消除？
根据串联分压进行测量
没有系统误差
1．机械调零．检查多用电表的指针是否停在表盘零刻度线，若不指零，可用小螺丝刀旋动定位螺丝使指针指在左端电流零刻度处．
2．选择合适挡：由于欧姆表的中值电阻是几十欧姆，而用欧姆档测电阻时指针指到中央附近读数比较准确，因此所选倍率比待测电阻的估计值小一个数量级．
3．欧姆调零：将红、黑表笔短接，调整调零电阻旋钮使指针指在欧姆表零刻度线位置，若“欧姆零点”旋钮右旋到底也不能调零，应更换表内电池。
4．测量读数：将表笔搭接在待测电阻两端，如果指针在中央附近，表针示数乘以倍率，即为待测电阻的阻值。如果指针靠近左右两端，可根据“大量程大角度偏，小量程小角度偏”规律选择合适倍率重新调零，按步骤3、4进行．
5．多用电表用完后，将选择开关置于“OFF”挡或交变电压的最高挡，拔出表笔。
大量程大角度偏小量程小角度偏
换档重新调零测量完毕旋离
示数不用估读示数要乘倍率
2．欧姆表测量法
复原测量电阻
6、用毕选择开关放在0FF档
1、选择档位
2、插入两表笔并短接
3、转动调零旋钮
4、断开表笔接入待测电阻
5、读出电阻数值
按顺序点击各项
R=15×10=150Ω
复位
指针式多用电表

+
第3步点击
此按钮
3．替代法
　　利用伏安法测电阻，无论电流表内接还是电流表外接都会对测量造成误差，而利用比较法测电阻可避免这些误差．实验时先连入某待测电阻，记下电路中电表的读数，然后把待测电阻换成电阻箱，调整电阻箱，使电路中电表的读数与原来一样，这样的电阻箱便是待测电阻的阻值．
（1）.原理
（2）.电路
R0
·
RX
A
·
·
·
·
S1
S2
+
R0
V
S1
RX
·
·
·
S2
·
·
P
+
用电阻箱和电流表测量
用电阻箱和电压表测量
4．电桥法
S
R3
RX
·
R2
R1
·
·
G
A
B
如图所示，R1、R2为已知电阻，R3为电阻箱，Rx为待测电阻，调整电阻箱R3的阻值，使A、B两点电势相等，灵敏电流表G中无电流，此时
此法可用于精密电阻的测量。
5．半偏法测量电流表的内阻
（1）.原理
　　半偏法测电流表内阻的原理是欧姆定律和并联电路的电流分配关系，因电流表可以读出自身的电流，故在其电流减半时，必有另一支路分掉另一半的电流，在总电流近似不变的条件下，该支路的电阻（电阻箱读出）等于电流表的电阻．
（2）.电路
（3）.步骤
1.先闭合S1 ，调节R1使电流表指针满偏.
2.再闭合S2，保持电阻R1不变，调节R2使电流表指针半偏，记下R2的值.
3.若R1＞100R2 ，有Rg=R2
S1
S2
R1
R2
．
．
．
．
．
．
G
(4).误差分析
　　在用半偏法测电流表的内阻的实验中，当闭合开关S2时，调节R2使电流表半偏，即通过电流表的电流为Ig/2，此时干路总电流因回路中总电阻变小而变大，即比Ig稍大，这样通过R2的电流将大于Ig/2，因此电流表内阻的测量值小于真实值．
半偏法测电压表的内阻
R测>R真
1.把电阻箱R0的阻值调到0，把滑动变阻器的触头P滑到a端．
3.保持滑动变阻器触头位置不变，调节R0使电压表指针半偏，记下R0的值.
4.若R<2.闭合开关S，调节R使电压表指针满偏.
V
R
a
b
S
R0
P
．
．
．
半偏法测电压表的内阻
半偏法测电流表的内阻
电路
实验条件
实验步骤
1.把滑动变阻器的触头P滑到a端．把电阻箱R0的阻值调到0
1.把滑动变阻器R1的电阻调到最大，把电阻箱R2的阻值调到0
2.闭合开关S，调节R使电压表指针满偏.
2.先闭合S1 ，调节R1使电流表指针满偏.
3.再闭合S2，保持电阻R1不变，调节R2使电流表指针半偏，记下R2的值,则Rg=R2.
3.保持滑动变阻器触头位置不变，调节R0使电压表指针半偏，记下R0的值,则RV=R0.
S1
S2
R1
R2
．
．
．
．
．
．
G
V
R
a
b
S
R0
P
．
．
．
原理
Pa间的总电压基本不变
并联分流
干路中的电流基本不变
串联分压
误差分析
并联分流
满偏时Pa之间电阻
半偏时Pa之间电阻
串联分压
S1
S2
R1
R2
．
．
．
．
．
．
G
V
R
a
b
S
R0
P
．
．
．