【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 整電阻箱 R1，使電流表A 的指針恰好指到半滿(mǎn)度處，讀出此時(shí)電阻箱的阻值 R，則電流表 A 的電阻rA=R。（測(cè)量結(jié)果偏小） 乙圖實(shí)驗(yàn)時(shí)先閉合開(kāi)關(guān) S’ 及 S，調(diào)整滑動(dòng)變阻器 R02（分壓法連接），使電壓表 V 滿(mǎn)度；再斷開(kāi) S’ ，調(diào)整電阻箱 R2，使電壓表 V 的指針恰好指到半滿(mǎn)度處，讀出此時(shí)電阻箱的阻值 R，則電壓表 V 的電阻 rV=R。（測(cè)量結(jié)果偏大） 圖 1014 圖 1015 第 11 頁(yè) 共 25 頁(yè) 例 8： 測(cè)量某電阻 Rx的阻值 .已知 Rx約為 5Ω左右 .下表給出可供選擇器材 .請(qǐng)畫(huà)出你所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)原理圖（至少 3 種），并標(biāo)明所選器材的規(guī)格或代號(hào) . 【審題】 該題要求至少應(yīng)用 3 種設(shè)計(jì)方案，需要熟練掌握測(cè)電阻的原理和方法，列出所有的測(cè)電阻的基本方法，看題目中給出的儀器是否適合，靈活利用、變通，充分發(fā)揮題目中所給儀器的作用。 【解析】 方案一：應(yīng)用伏 安法測(cè)電阻，見(jiàn)圖 1016. 選 R2，還是選 R1，就是出于對(duì)實(shí)驗(yàn)安全方面的考慮 .R2與 G表，可改裝成 3V 左右的電壓表； R1與 G 表，只能改裝成 左右電壓表，這樣小的電壓表既不能安全實(shí)驗(yàn)，也不能進(jìn)行精確測(cè)量 . 電流表外接而不內(nèi)接，是出于對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確程度的考慮 .因?yàn)楦难b后的電 壓表內(nèi)阻遠(yuǎn)大于 Rx，這樣測(cè)量系統(tǒng)誤差較小 .選 A1表，而不選 A2表是出于精確讀數(shù)的考慮 .A A2誠(chéng)然都能滿(mǎn)足安全的要求，但小量程表讀數(shù)相對(duì)誤差要小得多，顯然這是精確原則的應(yīng)用 . R3作為控制線(xiàn)路的主元件，其控制電壓方便與否，與 R Rx 值相對(duì)大小有關(guān) .當(dāng)兩電阻相近時(shí)，為了線(xiàn)路簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，控制電路適宜用限流接法，這主要是出于實(shí)驗(yàn)操作是否方便的考慮 . 方案二：應(yīng)用全電路歐姆定律測(cè)電阻 .見(jiàn)圖 1017. 原理：令 Rx短路，調(diào) R1，測(cè)得 I1后，由全電路歐姆定律得 E=I1（ r+R1+0+RA）接著去掉 短路線(xiàn)，可得 I2，同理得 E=I2（ r+R1+Rx+RA）可求 Rx. 討論：用 R1為何不用 R2？顯然是考慮了測(cè)量方便問(wèn)題，是方便原則的應(yīng)用 .因?yàn)?R1調(diào)節(jié)時(shí)能用到 ，對(duì)電流調(diào)整是有利的 .圖 2 設(shè)計(jì)較圖 1，主要是考慮了節(jié)省器材原則，這也可以說(shuō)是經(jīng)濟(jì)原則的應(yīng)用 . 備注：另有導(dǎo)線(xiàn)若干，各器材數(shù)目均只一個(gè) 圖 1016 圖 1017 圖 1018 第 12 頁(yè) 共 25 頁(yè) 方案三：歐姆表原理測(cè)電阻，見(jiàn)圖 1018. 原理：先讓 ab 短路，調(diào) R1使 A1滿(mǎn)偏，此時(shí)內(nèi)阻為 5Ω .去掉短路線(xiàn)，接通 S，測(cè)得 I，則依據(jù)歐姆表原理， RX值為（ E/I 5）Ω 討論：用 A1不用 A2或 G，主要是考慮了測(cè)量結(jié)果的精確問(wèn) 題 .若用 A2改裝為歐姆表，其中值電阻為 1Ω；若用 G 改裝為歐姆表，其中值電阻為 10kΩ，與待測(cè)電阻比較，測(cè)量誤差太大 .歐姆表特點(diǎn)是當(dāng)測(cè)量值在其中值電阻附近時(shí)，其讀數(shù)（或測(cè)量結(jié)果）比較準(zhǔn)確 .這是精確原則的應(yīng)用 .且整個(gè)方案三操作上是很方便的 . 【總結(jié)】 本題處理過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，但只要遵循前面所提出的各種選擇方法，題目也就迎刃而解了，因此說(shuō)，基礎(chǔ)知識(shí)是關(guān)鍵，復(fù)雜題目只是基礎(chǔ)知識(shí)的合成。 高考實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)型命題的求解策略 所謂設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，是指根據(jù)現(xiàn)行物理大綱要求，在學(xué)生掌握的基本實(shí)驗(yàn)原理基礎(chǔ)上，應(yīng)用基本測(cè)量?jī)x器自行 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)命題的考查內(nèi)容，涉及到對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的再認(rèn)識(shí)和加工，實(shí)驗(yàn)方案的確定（包括實(shí)驗(yàn)器材的選擇和遷移運(yùn)用，實(shí)驗(yàn)步驟的安排 ，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法，誤差的分析及對(duì)實(shí)驗(yàn)的總結(jié)和評(píng)價(jià)等） . 考生在應(yīng)試過(guò)程的缺陷通常表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 一方面：平時(shí)缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)思想方法（如模擬法，轉(zhuǎn)換法，放大法，比較法，替代法等）進(jìn)行歸納，在全新的實(shí)驗(yàn)情景下，找不到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理，無(wú)法設(shè)計(jì)合理可行的方案 . 另一方面：受思維定勢(shì)影響，缺乏對(duì)已掌握的實(shí)驗(yàn)原理，儀器的使用進(jìn)行新情境下的遷移利用，缺乏創(chuàng)新意識(shí) . 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的 基本方法 ，廣泛聯(lián)系 題目要求測(cè)定什么物理量，或要求驗(yàn)證、探索什么規(guī)律，這是實(shí)驗(yàn)的目的，是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn) .實(shí)驗(yàn)?zāi)康拿鞔_后，應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，廣泛聯(lián)系，看看該物理量或物理規(guī)律在哪些內(nèi)容中出現(xiàn)過(guò)，與哪些物理現(xiàn)象有關(guān)，與哪些物理量有直接的聯(lián)系 .對(duì)于測(cè)量型實(shí)驗(yàn)，被測(cè)量通過(guò)什么規(guī)律需用哪些物理量來(lái)定量地表示；對(duì)于驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，在相應(yīng)的物理現(xiàn)象中，怎樣的定量關(guān)系成立，才能達(dá)到驗(yàn)證規(guī)律的目的；對(duì)于探索型實(shí)驗(yàn)，在相應(yīng)的物理現(xiàn)象中， 涉及哪些物理量??這些都是應(yīng)首先分析的，以此來(lái)確定實(shí)驗(yàn)的原理 . ，簡(jiǎn)便精 確 對(duì)于同一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，都可能存在多種實(shí)驗(yàn)原理，進(jìn)而形成多種 (可供選擇的 )設(shè)計(jì)方案 .一般說(shuō)來(lái)，依據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)原理選擇不同的實(shí)驗(yàn)方案主要遵循四條原則： (1)科學(xué)性：設(shè)計(jì)的方案有科學(xué)的依據(jù)和正確的方式，符合物理學(xué)的基本原理 . (2)可行性：按設(shè)計(jì)方案實(shí)施時(shí)，應(yīng)安全可靠不會(huì)對(duì)人身、器材造成危害；所需裝置和器材要易于置備，且成功率高 . (3)精確性：在選擇方案時(shí)，應(yīng)對(duì)各種可能的方案進(jìn)行初步的誤差分析，盡可能選用精確度高的方案 . (4)簡(jiǎn)便、直觀性：設(shè)計(jì)方案應(yīng)便于實(shí)驗(yàn)操作，讀數(shù)，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，便于實(shí)驗(yàn)者直觀 、明顯地觀察 . ，選定器材 實(shí)驗(yàn)方案選定后，考慮該方案需要哪些裝置，被測(cè)定量與哪些物理量有直接的定量關(guān)系，分別需用什么儀器來(lái)測(cè)定，以此來(lái)確定實(shí)驗(yàn)所用器材 . ，合理有序 第 13 頁(yè) 共 25 頁(yè) 實(shí)驗(yàn)之前，要做到心中有數(shù)：如何組裝器材，哪些量先測(cè)，哪些量后測(cè)，應(yīng)以正確操作和提高效率的角度擬定一個(gè)合理而有序的實(shí)驗(yàn)步驟 . ，誤差分析 常用的數(shù)據(jù)處理方法 (如：平均法、圖象法、描跡法、比較法等 )和誤差分析方法 (如絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差等 )是應(yīng)該掌握的，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)也應(yīng)予以考慮 . 例 9： 一電阻額定功率為 W，阻值不詳 .用歐姆表粗測(cè)其阻值約為 40 kΩ .現(xiàn)有下列儀表元件，試設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)碾娐?，選擇合適的元件，較精確地測(cè)定其阻值 . ①電流表，量程 0～ 300 μ A，內(nèi)阻 150 Ω； ②電流表，量程 0～ 1000 μ A，內(nèi)阻 45 Ω； ③電壓表，量程 0～ 3 V，內(nèi)阻 6 kΩ； ④電壓表，量程 0～ 15 V，內(nèi)阻 30 kΩ； ⑤電壓表，量程 0～ 50 V，內(nèi)阻 100 kΩ； ⑥干電池兩節(jié)，每節(jié)電動(dòng)勢(shì)為 V； ⑦直流穩(wěn)壓電源，輸出電壓 6 V，額定電流 3 A； ⑧直流電源，輸出電壓 24 V，額定電流 A； ⑨直流電 源，輸出電壓 100 V，額定電流 A； ⑩滑動(dòng)變阻器， 0～ 50 Ω， 3 W； ○11滑動(dòng)變阻器， 0～ 2 kΩ， 1 W； ○12電鍵一只，連接導(dǎo)線(xiàn)足量 . 【審題】 考查綜合分析能力、推理能力及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新能力，審題過(guò)程見(jiàn)解析。 【解析】 由于現(xiàn)有器材中有電流表和電壓表，故初步確定用伏安法測(cè)定此電阻的阻值 .又因待測(cè)電阻為一大電阻，其估計(jì)阻值比現(xiàn)有電壓表的內(nèi)阻大或相近，故應(yīng)該采用電流表內(nèi)接法 .由于現(xiàn)有滑動(dòng)變阻器最大阻值比待測(cè)電阻小得多，因此，若用滑 動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)待測(cè)電阻的電流和電壓，只能采用分壓接法，如圖 1019（否則變阻器不能實(shí)現(xiàn)靈敏調(diào)節(jié)） .為了確定各儀表、元件的量程和規(guī)格，首先對(duì)待測(cè) 電 阻 的 額定 電 壓和 電 流 作出 估 算： 最 大 電流 為 Im ＝?RPA＝ 5 10－ 4 A＝ 500μ A；最大電壓 Um＝ 20 實(shí)驗(yàn)中的電流和電壓可以小于而不能超過(guò)待測(cè)電阻的額定電流和額定電壓，現(xiàn)有兩個(gè)電流表內(nèi)阻相近，由內(nèi)阻所引起的系統(tǒng)誤差相近，而量程 0~1000 μ A 接入電路時(shí)，只能在指針半偏轉(zhuǎn)以下讀數(shù)，引起的偶然誤差較大，故選用量程為 0~300 μ Α的電流表 .這樣選用電流表后，待測(cè)電阻上的最大實(shí)際電壓約為 3 10－ 4 40 103 V＝ 12 V，故應(yīng)選用量程為 15 V 的電壓表，由于在如圖所示的電路中，要實(shí)現(xiàn)變阻器在較大范圍內(nèi)靈敏調(diào)節(jié)，電源電壓應(yīng)比待測(cè)電阻的最大實(shí)際電壓高，故電源應(yīng)選輸出電壓為 24 V 一種（其額定電流也遠(yuǎn)大于電路中的最大實(shí)際電流，故可用） . 關(guān)于變阻器的選擇，由于采用分壓接法，全部電源電壓加在變阻器上 .若是把 0~50 Ω的變阻器接入電路，通過(guò)它的最小電流（對(duì)應(yīng)于待測(cè)電路斷開(kāi)）約為 24／ 50 A＝ A，最小功率約為 50 W＝ W，遠(yuǎn)大于其額定功率；而 0~2 kΩ的變阻器接入電路，其最大電流（對(duì)應(yīng)于滑動(dòng)鍵靠近圖 134 中變阻器 A 端）約為并聯(lián)電路總電流 A，小于其額定電流 0~2 kΩ的變阻器 . 【總結(jié)】 本題處理過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，但只要按照“儀器選擇 測(cè)量電路選擇 控制電路選擇”這圖 1019 第 14 頁(yè) 共 25 頁(yè) 樣的順序逐個(gè)突破，將復(fù)雜的過(guò)程逐一分解，遵循前面所提出的各種選擇方法，題目也就迎刃而解了，因此說(shuō)，基礎(chǔ)知識(shí)是關(guān)鍵，復(fù)雜題目只是基礎(chǔ)知識(shí)的合成。 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本思路 附：對(duì)電學(xué)實(shí) 驗(yàn)中幾個(gè)點(diǎn)的強(qiáng)調(diào)說(shuō)明： 一、關(guān)于多用電表 ? (1)使用多用表的電壓、電流擋 .使用多用表測(cè)量電壓、電流的方法，與單獨(dú)使用電壓表、電流表的方法基本上是一樣的，只不過(guò)在使用多用表前要根據(jù)待測(cè)量的情況 (是電流還是電壓 ?是交流還是直流 ?)調(diào)整好選擇開(kāi)關(guān)，并調(diào)整到合適的量程上，其他如正負(fù)接線(xiàn)柱的選用，串聯(lián)還是并聯(lián)到電路中去等，就和單獨(dú)使用電壓表、電流表時(shí)沒(méi)什么兩樣了 . (2)使用多用表的歐姆擋 . ① 機(jī)械 調(diào)零 :使用前先查看指針是否指在左端電阻為無(wú)窮大的位置，如不是，則要用螺釘旋 具慢慢地調(diào)節(jié)定位 螺釘使指針正確定位 . ② 量程選擇 :扳動(dòng)選擇開(kāi)關(guān)到合適的量程上，盡可能使正式測(cè)量時(shí)指針停留在中間位置附近，也就是要盡可能利用中中 RR 4~4中這一范圍內(nèi)，以減少測(cè)量誤差 . ③ 歐姆調(diào)零 :短接兩表筆，調(diào)整歐姆檔的調(diào)零旋鈕，使指針指在零歐姆處，注意每改變一次量程，就要重新調(diào)零一次 . ④ 數(shù)據(jù)讀取 :數(shù)據(jù)讀取時(shí)，一要注意到歐姆刻度不是均勻的，不然估讀會(huì)不正確；二要注意讀得的數(shù)據(jù)還應(yīng)乘以量程的倍率 ；三是測(cè)量電路中的某一電阻阻值時(shí)，應(yīng)該先把電源切斷，再把待測(cè)電阻和其他元件斷開(kāi)，之后再行測(cè)量；四是 要注意手不要碰到表筆的金屬桿，以免人體電阻與待測(cè)電阻并聯(lián)造成誤差 . ⑤ 結(jié)束工作 :測(cè)量完畢后，一定要把選擇開(kāi)關(guān)切換到交流高壓擋或切換到 OFF擋上，以避免漏電或誤操作 . ?刻度時(shí)有什么規(guī)律嗎 ? 對(duì)于磁電式的電流計(jì)，其指針偏轉(zhuǎn)的角度和電流成正比，改裝成電流表或電壓表時(shí)，表盤(pán)刻度是均勻的；但用磁電式電流計(jì)做歐姆表的表頭后，由歐姆表內(nèi) 部電路構(gòu)造及全電路歐姆定律可知，當(dāng)兩表短接和接上待測(cè)電阻 Rx后，分別有 內(nèi)RERrR EIgg ???? 0 ① xxgx RRERRrR EI ??????內(nèi)0 ② 由 ② 式可知，待測(cè)電阻 Rx與通過(guò)表頭的電流 Ix不成線(xiàn)性關(guān)系，這就是造成表盤(pán)刻度不均勻的原因 . 那么，怎樣對(duì)歐姆表的表盤(pán)進(jìn)行刻度呢 ? 明確目的 → → 選擇方案 → 選定器材 → 擬定步驟 數(shù)據(jù)處理 → → → 誤差分析 第 15 頁(yè) 共 25 頁(yè) 設(shè)指針偏轉(zhuǎn)滿(mǎn)刻度的mn(m≥ n)時(shí)，指針?biāo)傅碾娮柚禐?Rx，則應(yīng)有 xg IImn ? ③ 把 ①② 式代人 ③ 式，整理，得內(nèi)Rn nmRx ??， ④ ④ 式便是把表盤(pán)改為歐姆刻度的依據(jù)了 . 這 里順便指出，當(dāng) Rx＝ R 內(nèi) 時(shí)，21?mn，此時(shí) 指針指中，稱(chēng)此值為中值電阻，顯然，中值電 阻恰好等于此時(shí)的歐姆表內(nèi)阻 . 倍率 ? 在實(shí)際測(cè)量時(shí)，可以通過(guò)改變 倍率 使指針指在中中 RR 4~4的范圍內(nèi)，例如，開(kāi)始時(shí)，如發(fā)現(xiàn)指針向右偏得過(guò)多，說(shuō)明原 倍率 選得太大，可改選 倍率 小一些的再試試，直到指針落在中中 RR 4~4的范圍內(nèi)為止 . 也可先估測(cè)出應(yīng)該選用的 倍率 用來(lái)選擋，換擋時(shí)，可利用公式 Rx＝ nR 指 進(jìn)行 ，關(guān)系式中 Rx為待測(cè)電阻的阻值， n 為所選的倍率擋 (如選 100，則 n＝ 100)， R 指 則表示從表盤(pán)上直接讀得的數(shù)字 . 例如 歐姆表中值電阻值為 15Ω，待測(cè)電阻約為 1800Ω，要較準(zhǔn)確地測(cè)定該電阻應(yīng)選用哪一個(gè) 倍率， 可題設(shè)條件知 Rx＝ 1800Ω，而 R 中 ＝ 15Ω，為使測(cè)量較準(zhǔn)確， R 指 宜取 18， 1800＝ n 18， n＝ 100，所以應(yīng)選 100 擋 . 再如 用歐姆表的 100 擋測(cè)一電阻，發(fā)現(xiàn)指針偏角太小，偏角太小，即 R 指 太大，為使指針指示在 R 中 附近，應(yīng)增大偏角，即使 R 指 變小，由 Rx＝ nR 指 可知， n 必增大，故應(yīng)選 1k擋 . ，為什么一定要先進(jìn)行歐姆調(diào)零 ? 歐姆表的表盤(pán)刻度是按照標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻