电学实验的创新设计

电学实验的设计近几年高考在兼顾考查课本实验的基础上，会更注重对课本实验的拓展和延伸考查，甚至会在全新的实验环境中进行考查，因此在复习中要将精力放在理解实验的原理和方法上，再通过训练总结出实验设计的一般原则和思路。高考中要求的电学实验有：1、测定金属的电阻率（同时练习使用螺旋测微器） 2、描绘小电珠的伏安特性曲线3、测定电源的电动势和内阻 4、练习使用多用电表 5、传感器的简单使用一设计型实验的设计原则和思路1设计原则（1）科学性：设计的方案应有科学的依据及正确的方法。（2）安全性：按设计方案实施时，应安全可靠，不会损坏器材。例如：选用电压表或电流表时其量程不能小于被测电压或电流的最大值；设计方案时，应设置保护措施，用电器额定电流太小或电表量程太小时，供电电路设计成分压式，有时甚至还应同时给用电器串联保护电阻等。（3）精确性：在误差允许范围内应尽可能选择误差较小的方案。例如：使用电表前应进行机械调零；选择电流表、电压表量程时，在确保安全性的前提下应选择较小的量程，测量时指针应偏转到满刻度的1/3以上；针对实验中可能出现的因操作而带来的偶然误差，往往多次重复实验，获取多组实验数据，然后采取平均值法（其中包括图象法）处理数据。（4）方便易行、节能省材。 例如：测量电阻时，在满足实验条件的情况下可设计成替代法或半偏法；设计供电电路时，如果限流式和分压式均可，则应设计成限流式。2设计思路设计类实验属实验知识的运用类，题在书本外，理在书本内。在熟练掌握学生分组实验的基本原理和实验技能、技巧的基础上，认真审题，寻找实验原理，设计出最优方案。流程如下： 实验目的和实验器材实验原理电路图实验步骤用测量量表示的待测量的表达式误差分析二、例题和针对练习【例1】在“测定电源的电动势和内阻”的实验中,备有如下器材：A.电源为干电池(电动势为E,内阻为r) B.电流表(00.6 A、内电阻约0.1 )C.灵敏电流计G(满偏电流Ig200 A、内阻rg500 )D.滑动变阻器(020 、2.0 A)E.电阻箱R(09 999.9 ) F.开关、导线若干（1）、将你设计的实验原理图画在实线框内，并根据所画的原理图在实际物图上连线（2)在闭合开关S前,将滑动变阻器的滑片移动至_(填“左端”、“中央”或“右 端”).(3) 右图为该实验绘出的I1I2图线，其中电阻箱R的阻值为9500 ，(I1为灵敏电流计G的示数,I2为电流表A的示数),由图线可求得被测电池的电动势E_ V(保留三位有效数字),内电阻r_ (保留两位有效数字.) 针对练习1、某研究小组收集了两个电学元件：电阻R0(约为2 k)和手机中的锂电池(电动势E标称值为3.7 V,允许最大放电电流为100 mA).实验室备有如下器材：A.电压表V(量程5 V,内阻RV约为4.0 k) B.电流表A1(量程100 mA,内阻RA1约为5 )C.电流表A2(量程2 mA,内阻RA2约为50 ) D.滑动变阻器R1(040 ,额定电流1 A)E.电阻箱R2(0999.9 ) F.开关S一个、导线若干为了测定电阻R0的阻值,小明设计了一电路,图3甲所示为其对应的实物图,请将图中的实物连线补充完整.图中的电流表A应选_(填“A1”或“A2”).为测量锂电池的电动势E和内阻r,小红设计了如图乙所示的电路图.根据测量数据作出图象,如图丙所示.若该图线的斜率为k,纵轴截距为b,则该锂电池的电动势E_,内阻r_(用k、b和R2表示).【例2】用以下器材测量一待测电阻Rx的阻值（9001000）：电源E，具有一定内阻，电动势约为9.0V； 电压表V1，量程为1.5V，内阻r1750；电压表V2，量程为5V，内阻r22500； 滑线变阻器R，最大阻值约为100；单刀单掷开关K，导线若干。（1）测量中要求电压表的读数不小于其量程的，试画出测量电阻Rx的一种实验电路原理图（原理图中的元件要用题图中相应的英文字母标注）。根据你所画的电路原理图在题给的实物图上画出连线。（3）若电压表V1的读数用U1表示，电压表V2的读数用U2表示，则由已知量和测得量表示Rx的公式为Rx_。 针对练习2某同学要测量一导体的电阻Rx.(1)他先用多用电表粗测其电阻.用已经调零且选择开关指向电阻挡“×100”挡位的多用电表测量,其表盘及指针所指位置如图7甲所示,要能比较准确地测量该电阻的阻值,应将多用电表的选择开关旋转到电阻挡的_挡位,调到正确挡位后重新调零,再次测量此电阻,其表盘及指针所指位置如图乙所示,则该电阻约为_ .(2)该同学想用“伏安法”更精确地测量该导体的电阻Rx,现有的器材及其代号和规格如下：A.待测电阻Rx B.电流表A1(量程050 mA,内阻约为50 )C.电流表A2(量程05 mA,内阻约为30 ) D.电压表V1(量程03 V,内阻约为10 k)E.电压表V2(量程015 V,内阻约为50 k) F.直流电源E(电动势6 V,内阻不计)G.滑动变阻器R1(阻值范围为020 ,允许通过的最大电流为2.0 A)H.定值电阻R250 I.开关S一个,导线若干.则为了使实验误差较小,要求电表的指针的偏转幅度达到半偏以上,并要求测得多组数据进行分析,则电流表应选择_,电压表应选择_(选填器材前的字母代号).将你设计的实验电路图使用设计的电路图进行测量,若电压表的读数为U,电流表的读数为I,那么,待测电阻的阻值Rx_(用已知物理量和测量的物理量的字母符号表示).【例3】如图，一热敏电阻RT 放在控温容器M内：为毫安表，量程6mA，内阻为数十欧姆；E为直流电源，电动势约为3V，内阻很小；R为电阻箱，最大阻值为999.9；S为开关。已知RT 在95时阻值为150，在20时的阻值约为550。现要求在降温过程中测量在9520之间的多个温度下RT 的阻值。（1） 在图中画出连线，完成实验原理电路图（2） 完成下列实验步骤中的填空 依照实验原理电路图连线 调节控温容器M内的温度，使得RT 温度为95 将电阻箱调到适当的初值，以保证仪器安全 闭合开关。调节电阻箱，记录电流表的示数I0 ，并记录 。 将RT 的温度降为T1 （20T195）；调节电阻箱，使得电流表的读数 ,记录 。 温度为T1 时热敏电阻的电阻值RT1 = 。 逐步降低T1 的数值，直至20为止；在每一温度下重复步骤三、练习1、某兴趣小组欲通过测定工业污水(含多种重金属离子)的电阻率来判断某工厂废水是否达到排放标准(一般工业废水电阻率的达标值200 ·m).如图8所示为该同学所用盛水容器,其左、右两侧面为金属薄板(电阻极小),其余四面由绝缘材料制成,左右两侧带有接线柱.容器内表面长a40 cm,宽b20 cm,高c10 cm.将水样注满容器后,进行以下操作：(1)分别用多用电表欧姆挡的“×100”、“×1 k”两挡粗测水样的电阻值时,表盘上指针如图9所示,则所测水样的电阻约为_ .(2)为更精确地测量所取水样的电阻,该小组从实验室中找到如下实验器材：A.电流表(量程5 mA,电阻RA为50 ) B.电压表(量程15 V,电阻RV约为10 k) C.滑动变阻器(020 ,额定电流1 A) D.电源(12 V,内阻约10 ) E.开关一只、导线若干 请在实物图中完成电路连接.（3)正确连接电路后,闭合开关,测得一组U、I数据；再调节滑动变阻器,重复上述测量步骤,测出一系列数据如表所示,请在如图11所示的坐标纸中作出UI关系图线.U/V2.03.86.88.010.211.6I/mA0.731.362.202.893.664.15 (4)由以上测量数据可以求出待测水样的电阻率为_ ·m.据此可知,所得水样在电阻率这一指标上_(选填“达标”或“不达标”).1、（全国卷）23如图，一热敏电阻RT 放在控温容器M内： 为毫安表，量程6mA，内阻为数十欧姆；E为直流电源，电动势约为3V，内阻很小；R为电阻箱，最大阻值为999.9；S为开关。已知RT 在95时阻值为150，在20时的阻值约为550。现要求在降温过程中测量在9520之间的多个温度下RT 的阻值。（3） 在图中画出连线，完成实验原理电路图（4） 完成下列实验步骤中的填空 依照实验原理电路图连线 调节控温容器M内的温度，使得RT 温度为95 将电阻箱调到适当的初值，以保证仪器安全 闭合开关。调节电阻箱，记录电流表的示数I0 ，并记录 。 将RT 的温度降为T1 （20T195）；调节电阻箱，使得电流表的读数 ,记录 。 温度为T1 时热敏电阻的电阻值RT = 。 逐步降低T1 的数值，直至20为止；在每一温度下重复步骤【答案】（1）电路图如图 （2）电阻箱的读数R0 仍为I0 电阻箱的读数为R14用两个不同的电压表测量电源电动势和内阻V1图40S1V2S2因为根据全电路欧姆定律列方程有两个未知数，所以至少测量两次。其设计电路如图40所示。闭合S1，记下V1和V2的示数U1和U2； 再闭合S2，记下V1的示数U1。根据全电路欧姆定律有 ， 解方程组得 如果电压表V1的内阻RV1已知，则还可测得电源内阻实验的设计：v 物理实验不仅仅是限于教材中实验，更注重实验设计和探究。要求考生能够运用自己学过的物理理论应用与实验，自行设计、选取方法、器材处理问题，处理实验数据，并能对实验过程予以分析评价。科学探究能力的具体体现。【例2】用以下器材测量一待测电阻Rx的阻值（9001000）：电源E，具有一