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1、第二轮能力专题：电路设计与仪器选择,实验电路设计的原则,1、安全性,2、精确性,3、方便性,4、误差小,5、仪器少,6、耗电少,知识概要与方法,一.仪器的选择,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：,安全性原则：,要保证所用仪器的安全，注意考虑电源的电压、电表的量程、滑动变阻器允许通过的最大电流等。选择电表时，保证其电流和电压均不超过使用的量程。选择滑动变阻器时，流经滑动变阻器的电流不能超过允许通过的最大电流。,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），一般能用小时不用
2、大。选择滑动变阻器时，注意其阻值的大小对实验操作和对实验的影响，一般能用小时不用大。对某个实验来讲，精确程度够用即可，并不是精度越高越好。,操作性原则：,实验时需考虑调节方便，便于操作，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，在二者都能满足实验要求的情况下，还要考虑阻值大小对实验操作中是否调节方便的影响。,选择的一般步骤是：,找出唯一性的器材；草画电路图（暂不把电表接入）；估算最大值（在限流电路中把滑动变阻器触头推向最小值）；考虑能否都使电表达到满偏的1/3以上。,二.供电电路与滑动变阻器的选择,限流电路,设路端电压为U，滑动变阻器的有效电阻为接线柱a和P之间的电阻Ra
3、P，灯泡的电阻为RL，则通过灯泡的电流强度为,灯泡两端的电压为,若滑动变阻器的总阻值为R，则灯泡两端电压的变化范围是,可见滑动变阻器的总阻值R越大，灯泡两端电压的变化范围越大。但若R比RL大得多，则滑动头稍有移动，电流电压便有很大变化,则不便于调节RL两端的电压,不宜采用。,分压电路,设路端电压恒为U，这个电压分布在滑动变阻器的全部电阻丝上，而灯只分得其中接线柱a和P之间的电压。移动滑动变阻器的滑片P，增加a和P之间的电阻RaP，灯泡两端的电压就会随之增大。,灯泡两端电压的变化范围是,如果只从用电器两端电压的变化范围看，好像滑动变阻器的阻值多大都行，但是滑动变阻器的阻值越大越不便于调节用电器两
4、端电压，且耗能越大.,使用限流电路时,一般选用滑动变阻器的全电阻和用电器的电阻相差不多或大几倍,在25倍为好,这样既便于调节,用电器两端电压变化范围又比较大.若过小,则不能有效地控制电流,过大则控制电流不平稳,会造成电流值跳跃太大.,a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。b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。c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。d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。
5、此时假如从节省电能和电路简单考虑，应选限流电路。,使用分压电路时，一般选用滑动变阻器的全电阻小于用电器的电阻,在0.10.5倍之间为好。即阻值小些,以获得较大的电流输出。,选用限流电路还是选用分压电路,以下几点可作参考:,由于电流表、电压表内阻的影响，不管采用电流表内接还是外接都将会引起实验的误差。（如在伏安法测电阻时，内接法测量结果偏大，外接法测量结果偏小。）,内接法的测量误差是由于电流表的分压作用而产生的,由串联电路中电压与电阻成正比,可知当RAR时,电流表的分压作用可忽略不计,此时测量值很接近真实值,可见,测量大电阻时宜采用内接法.,外接法的测量误差是由于电压表的分流作用而产生的，由并联
6、电路中电流与电阻成反比，可知当RvR时，电压表的分流作用可忽略不计，此时测量值很接近真实值，可见，测量小电阻时宜采用外接法。,三、测量电路的选择,如何确定R值是较大还是较小？,当被测电阻与电压表内阻的关系满足RVR即RV/R1时应采用“外接法”较准确；,当被测电阻与电流表的内阻相比满足 RAR即RA/R1,采用“内接法”测量误差较小,当RV/R=RA/R时，电压表的分流作用和电流表的分压作用对测量结果的影响是相同的，此时既可选择“内接法”也可选择“外接法”R=，我们常称为临界电阻,当 RV/R R/RA即R 时，电流表的分压作用较电压表的分流作用明显，应采用外接电路,当RV/R 时，电压表的分
7、流作用较电流表的分压作用明显，应采用内接电路,四.实验设计要求误差小.仪器少.耗电少.,为减小实验误差，在设计电路时，要注意实验原理的完善，尽量选用精密的仪器；选择合适的量程（使指针有较大偏转）；读数时至少保证一个表（电流表或电压表）的指针与刻度线对齐。,在进行实验的设计时，根据实验要求选择必须的实验仪器，要充分发挥仪器的功能，在能完成实验的前提下，尽可能地减少仪器的使用数目。同时也还要求实验电路的耗电要少，节约能源。,如在用滑动变阻器作为控制电路时，滑动变阻器的限流接法较分压接法节省电能，不是非用分压接法不可的时候，通常用限流接法。,五.如何正确的读数，记录正确的实验数据？,1、读数前要明确
8、实验中所用电表的量程，最小刻度是多少；,2、掌握读数最基本的原则：最小刻度的下一位要估读；人眼估读时通常是将最小刻度等分为十等分，然后估计指针的位置是多少等分，最后确定估读数；,3、根据高中实验要求，仪器的最小刻度除以2，所得数字的首位即为估读到的位数；如量程为00.6A的电流表，其最小刻度是0.02A，误差出现在电流表的百分位上（0.02A/2=0.01A）。,例1.某电压表的内阻在20 k50 k之间，现要测量其内阻，实验室提供下列可选用器材：待测电压表V(量程3 V)，电流表A(量程200 A)，电流表A2(量程5 mA)，电流表A3(量程0.6)，滑动变阻器R(最大阻值1 k)，电源E
9、(电动势4 V)，电键S.(1)所提供的电流表中，应选用_(填写字母代号).(2)为了尽量减小误差，要求测量多组数据，试在图中画出符合要求的实验电路图(电源和电键及连线已画出).,解:,电源电动势E=4V,电压表内阻最大50k,故电流最小值I=,=80A，A2、A3量程都太大，故选A1.,由于RV在20k50k之间,远大于滑动变阻器的阻值1k,故应连成分压电路.,例2.用伏安法测量某电阻的阻值，现有实验器材如下：待测电阻Rx（阻值大约为5，额定功率为1W）；电流表A1（量程为00.6A，内阻为0.2）；电流表A2（量程为03A，内阻为0.05）；电压表V1（量程为03V，内阻为3K）；电压表V
10、2（量程为015V，内阻为15K）；滑动变阻器R（050）；蓄电池（电动势为6V），开关、导线。为了较准确测量Rx的阻值，保证器材的安全，以及操作方便，电流表、电压表应选择，并画出实验电路图。,1、确定电压表、电流表 被测电阻Rx的额定电压、额定电流分别为2.2V和0.45A，则电流表选用A1，电压表选用V1。,解,2、确定测量电路 由于待测电阻Rx的阻值大约是5，而所用电流表的内阻为0.2，所用电压表内阻为3K，即RvRx，故采用电流表的外接法。,3、确定控制电路 因滑动变阻器的全值R0大于被测电阻阻值Rx，故考虑滑动变阻器的限流接法（采用限流接法时，通过Rx的最大电流为0.45A，最小电流
11、为0.11A，较符合实验要求）。,例3.有一电阻R,其阻值大约在40至50之间,需进一步测定其阻值,现有下列器材：电池组,电动势为9V,内阻忽略不计；电压表,量程为0至10,内阻20；电流表A1,量程为0至50,内阻约20；电流表A2,量程为0至300m,内阻约4；滑动变阻器R1,阻值范围为0至100,额定电流1A；滑动变阻器R2,阻值范围为0至1700,额定电流0.3;开关及导线若干实验电路图如图所示，实验中要求多测几组电流、电压值在实验中应选 电流表和 滑动变阻器,解:首先估算电路中可能达到的最大电流值，假设选电流表A1，则Im,0.14A超过了 A1的量程.,假设选电流表 A2，则I/m
12、,0.18A，未超出A2的量程，故应选电流表A2.,对滑动变阻器的选择。假没选R1，电路中的最小电流约为,Imin 0.06A，,故电路中的电流强度范围为0.06A0.18A,假设选R2，电路中的最小电流约为 I/min,0.005A,故电路中的电流强度范围为0.005A-0.18A，,因为电流表A2的量程为0.3,电流强度为0.06时,仅为电流表A2量程的1/5,如果移动滑动变阻器阻值再增大,其电流表的示数将更小,读数误差会更大,因此对于R2而言,有效的调节长度太小,将导致电流强度值随滑动片位置的变化太敏感.调节不方便,故应选滑动受阻器R1.,例4.(04全国）用以下器材测量一待测电阻Rx的
13、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r1=750；电压表V2，量程为5V，内阻r2=2500；滑线变阻器R，最大阻值约为100；单刀单掷开关K，导线若干。,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）,解:电源电动势约为9.0V、而电压表中最大量程只有5V，故经滑线变阻器分压后才可使被测电阻两端的电压不超过5V.,题中给出的两个都是已知内电阻的电压表，应将其中的一个已知内电阻的电压表当作电流表来使用，以实现电流值的间接测量.,若选择外接法:,应将电压表V2
14、作电流表使用,因为电压表V2的量程较大,电压表V1与被测电阻Rx并联后再与作电流表使用的电压表V2 串联,这样在不超过V1、V2量程的前提下,可使电压表V1上的示数尽可能地接近满偏（1.5V）,从而减小电压值测量的读数误差，提高测量精确程度.,若选择内接法:,因为电压表V1的量程较小,应将电压表V1作电流表使用,电压表V2的量程较大,应将电压表V2作测量电压表使用.电压表V1与被测电阻Rx串联后再与作电压表使用的电压表V2并联,这样在不超过V1、V2量程的前提下,可使电压表V1上的示数尽可能地接近满偏（1.5V）,从而减小电压值测量的读数误差，提高测量精确程度.,根据你所画的电路原理图在题给的
15、实物图上画出联线.,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=_。,解:外接法:电压表V1上的读数值是被测电阻Rx上的真实压降值,而电压表V2中通过的电流值是流过V1、Rx中电流的和,闭合电键K,调节滑线变阻器的滑动头,使V1、V2尽可能地接近满偏,读出V1、V2两表的读数值U1、U2,由欧姆定律和串并联电路电压、电流的分配关系,有,内接法:电压表V1上的读数值间接地测量出被测电阻Rx上的真实电流值，而电压表V2 测量的是 V1、Rx上两部分的电压降之和，闭合电键K，调节滑线变阻器的滑动头，使 V1、V2 尽可能地接近满偏，读 V1、V2
16、 两表的读数值U1、U2，由欧姆定律和串并联电路电压、电流的分配关系，有,例5.(00全国)利用下表中的实验器材，设计一个电路来测量电流表A1的内阻r1，要求方法简捷，有尽可能高的测量精度，并能测得多组数据，画出电路图,标明器材代号;若选测量数据中的一组来计算r，则所用的表达式为_，式中各符号的意义是：_。,解:,题中直接判定必选的器材是电池E，电键K，导线若干.,由A1量程是10mA，r1约为40，E是电动势1.5V，可判定必须再选电阻R1，滑动变阻器R作为保护，才保证通过A1的电流不至于超过10mA.,要测1的电阻，通过A1的电流值I1可由1读出，只要能测出A两端的电压U，则可求出r,测电
17、压要用电压表，但是若将电压表与A1并联，电流表A1上的电压最多是1,40V0.43V,而电压表的量程是10V，对0.43V的电压来说，电压表的指针只是稍微偏转了一点点，这样测得的阻值误差太大.不符合题目要求，因而不能用电压表测电压.,而电流表A的内阻r知道，通过电流表A的电流I可以读出，因而A两端的电压.,若将A与并联，则即A两端的电压，由此可以求出A的内阻r,式中I1、2分别是电流表A、A2的读数，r1、r2分别是电流表A1、A2的内阻.滑动变阻器R限流，分压接法均可.,例6.(03上海)图1为某一热敏电阻R(电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感)的I-U关系曲线图。为了通过测量得到图1
18、所示I-U关系的完整曲线，在图2和图3两个电路中应选择的是图；简要说明理由：。(电源电动势为9V,内阻不计,滑线变阻器的阻值为0-100),2,电压可从0V调到所需电压，调节范围较大,在图4电路中，电源电压恒为9V，电流表读数为70mA，定值电阻R1=250。由热敏电阻的I-U关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为_V；电阻R2的阻值为。举出一个可以应用热敏电阻的例子：_。,5.2,111.6112.0,热敏温度计,解:I1=9/250=0.036A=36mA I2=34mA,由图1得 UR=5.2V,R2=(9-5.2)/0.034=111.8,例7.(04年江苏)某同学对黑箱中一个电学元件的伏
19、安特性进行研究通过正确测量，他发现该元件两端的电压Uab(Uab=Ua-Ub)与流过它的电流I 之间的变化关系有如下规律 当-15V Uab 0V 时，I 近似为零 当Uab0时，Uab和I 的实验数据见下表：,（1）在图2中画出Uab0时该元件的伏安特性曲线(可用铅笔作图)（2）根据上述实验事实该元件具有的特性是_。,单向导电性,（3）若将此黑箱接入图3电路中，并在该电路的cd两端输入如图4(甲)所示的方波电压信号ucd,请在图4(乙)中定性画出负载电阻RL上的电压信号uef的波形,I/mA,（04上海物理）在测定一节干电池（电动势约为1.5V，内阻约为2）的电动势和内阻的实验中，变阻器和电
20、压表各有两个供选：A电压表量程为15V，B电压表量程为3V，A变阻器为（20，3A），B变阻器为（500，0.2A）电压表应该选（填A或B），这是因为.变阻器应该选（填A或B），这是因为.,B,A电压表量程过大，误差较大；,A,B变阻器额定电流过小且调节不便,（04北京理综）现有一块59C2型的小量程电流表G（表头）,满偏电流为50A，内阻约为800850，把它改装成1mA、10mA的两量程电流表.可供选择的器材有：滑动变阻器R1，最大阻值20；滑动变阻器R2，最大阻值100K,电阻箱R/，最大阻值9999;定值电阻R0，阻值1K；电池E1，电动势1.5V；电池E2，电动势3.0V；电池E3，
21、电动势4.5V；（所有电池内阻均不计）;标准电流表A，满偏电流1.5mA；单刀单掷开关S1和S2，单刀双掷开关S3，电阻丝及导线若干。（1）采用如图1所示电路测量表头的内阻，为提高测量精确度，选用的滑动变阻器为；选用的电池为。,（2）将G改装成两量程电流表。现有两种备选电路图2和图3。图 为合理电路，另一电路不合理的理由是。,图2,图3,（3）将改装后的电流表与标准电流表逐格进行核对（仅核对1mA量程），画出所用电路图，图中待核对的电流表符号用A/来表示。,2,在通电状态下，更换量程会造成两分流电阻都未并联在表头两端，以致流过表头的电流超过其满偏电流而损坏,（2005广东物理卷）热敏电阻是传感
22、电路中常用的电子元件。现用伏安法研究热敏电阻在不同温度下的伏安特性曲线，要求特性曲线尽可能完整。已知常温下待测热敏电阻的阻值约45。热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中，杯内有一定量的冷水，其它备用的仪表和器具有：盛有热水的热水杯（图中未画出）、电源（3V、内阻可忽略）、直流电流表（内阻约1）、直流电压表（内阻约5k）、滑动变阻器（020）、开关、导线若干。在图（a）的方框中画出实验电路图，要求测量误差尽可能小。根据电路图，在图（b）的实物图上连线。简要写出完成接线后的主要实验步骤_。,答案,（1）如答图,往保温杯中加入一些热水,待温度稳定时读出温度计值;调节滑动变阻器，快速测出电流表和电压表的
23、值；重复，测量不同温度下的数据；绘出各测量温度下热敏电阻的伏安特性曲线。,（04北京）为了测定电流表A1的内阻，采用如图1所示的电路。其中：A1是待测电流表，量程为300A内阻约为100；A2是标准电流表，量程是200A；R1是电阻箱，阻值范围0999.9；R2是滑动变阻器；R3是保护电阻E是电池组，电动势为4V，内阻不计；S1是单刀单掷开关，S2是单刀双掷开关。（1）根据电路图1，请在图2中画出连线，将器材连接成实验电路.,（2）连接好电路,将开关S2扳到接点a处,接通开关S1,调整滑动变阻器R2使电流表A2的读数是150A;然后将开关S2扳到接点b处,保持R2不变,调节电阻箱R1,使A2的读数仍为150A.若此时电阻箱各旋钮的位置如图3所示,电阻箱R1的阻值是,则待测电流表A1的内阻R3=.,86.3,86.3,（3）上述实验中，无论怎样调整滑动变阻器R2的滑动端位置，都要保证两块电流表的安全。在下面提供的四个电阻中，保护电阻R3应选用：（填写阻值相应的字母）。A200KB20KC15KD20（4）下面提供最大阻值不同的四个滑动变阻器供选用。即要满足上述实验要求，又要调整方便，滑动变阻器（填写阻值相应的字母）。A1kB5kC10kD25k,B,C,
