高中物理電學(xué)實驗教學(xué)設(shè)計專題
[設(shè)計理念]
電學(xué)實驗是高中物理教學(xué)的重點，也是高考實驗題中的熱點，尤其
近年來，設(shè)計性實驗已成為高考的重點考核內(nèi)容之一，它以課本上的基礎(chǔ)知識為依據(jù)。
但比教科書上的實驗要求要高，稍有條件的變化就會導(dǎo)致實驗中的設(shè)備、電路、測量元件損壞。
課程各個部分的變化是考驗學(xué)生運用知識解決實際問題的很好的內(nèi)容之一。
在教學(xué)過程中，從高中科學(xué)課教學(xué)實際出發(fā)，把這部分內(nèi)容作為重點教學(xué)內(nèi)容之一，逐步
教給學(xué)生。
知識目標(biāo)：
1.了解各類實驗的基本原理和方法。
2、能正確選擇分析各類實驗所需的設(shè)備和電路，正確地進行測量和數(shù)據(jù)計算。
3.能根據(jù)課題要求設(shè)計合理的實驗電路、選擇設(shè)備、連接實驗電路并測量數(shù)據(jù)。
能力目標(biāo)：引導(dǎo)學(xué)生辯證分析問題、合理解決問題
德育目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。
【教學(xué)過程】
闡述教學(xué)中的問題：
電工實驗涉及的主要問題有：設(shè)備選型、測量電路選擇、控制電路選擇。
問題解決方案：
解決上述問題的關(guān)鍵是做好以下五個步驟：
（1）選擇合適的實驗原理。
（2）設(shè)計合適的電路。
（3）選擇適當(dāng)規(guī)格的實驗儀器。
（4）選擇合理的電流表接線方式。
（5）選擇合理的滑動變阻器的連接方式。
正確選擇譯碼器和電路的問題具有一定的靈活性。在解決該問題時，應(yīng)掌握和遵循一些基本原則，即
“安全”、“準(zhǔn)確”、“便捷”、“誤差小”、“儀器少”、“功耗低”等要求
綜合考慮.靈活應(yīng)用
具體內(nèi)容為：
1.選擇合適的實驗原理。
（1）利用所學(xué)知識，找出被測物理量與其他量之間的關(guān)系。每一種關(guān)系都是一個實驗原理。
例 1：給定一個電阻。例 2：你有什么方法可以知道其阻值？
分析這個問題的目的實際上就是為了找到測量電阻的實驗原理。
方法 1：利用歐姆定律：R =
方法2：利用串聯(lián)電路的電壓分配規(guī)律：=
方法三：利用并聯(lián)電路的電流分配規(guī)律：I1R1=I2R2
方法四：如果是色環(huán)電阻，可以利用色環(huán)條例來識別其阻值。
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（2）根據(jù)題目給出的情況，選擇適當(dāng)?shù)脑瓌t。
如例1所示，如果給定的設(shè)備是電壓表、電流表、電源、滑動變阻器等，則使用方法1。
假設(shè)設(shè)備是變阻器、電壓表、電源等，則首先考慮方法 2。。。。。。。
實驗室有以下設(shè)備。請設(shè)計一個實驗來測量未知電阻的阻值。
A.被測電阻（電阻值約幾百歐姆）
B.電源E（內(nèi)阻不可忽略）
C.可變電阻箱（最大阻值99?9.9Ω）
D.電壓表（具有足夠的范圍）
E.單刀單擲開關(guān)，單刀雙擲開關(guān)。多根電線
（1）畫出實驗電路原理圖；
（2）寫出測量表達式，并解釋各符號的含義。
分析本實驗中給出的設(shè)備，包括一個可變電阻箱和一個單刀雙擲開關(guān)。首先，我們應(yīng)該考慮使用待測電阻和
所以本實驗的原理是：對于同一個電源，若外接電壓相等，則外接電阻相等。
（1）原理如圖1所示；
（2）測量表達式：RX=R。
2. 設(shè)計合適的電路
選定實驗原理之后，根據(jù)實驗原理確定實驗電路。
例三（1994年上海市高考） 有一只電壓表，其量程已知，內(nèi)阻RV，有一節(jié)電池（電動勢未知）。
請使用此電壓表和電池，然后使用開關(guān)和一些
連接導(dǎo)線，設(shè)計一個實驗方法來測量某個高值電阻Rx。（已知Rx的值與Rv相差不大）
（1）繪制電路圖；
（2）簡寫出測量步驟及需要記錄的數(shù)據(jù)，并推導(dǎo)出高阻Rx的技術(shù)公式。
分析：（1）本實驗的實驗原理是利用串聯(lián)電路的電壓分布規(guī)律。同時必須先使用電壓表。
測量電源的電動勢，即串聯(lián)電路的總電壓。據(jù)此可以畫出如圖2所示的電路圖。
（2）實驗步驟：首先按圖2（a）所示連接電壓表、電池、開關(guān)，閉合開關(guān)，讀取電壓。
電壓讀數(shù)為U1，則U1=E；再將電壓表按照圖2（b）接成電路，閉合開關(guān)，記下電壓讀數(shù)U2。
那么就有了，你就明白了。
3.選擇合適的實驗儀器
在很多設(shè)計性實驗題目中，同一類型的儀器往往會被賦予多種規(guī)格，我們需要選擇符合這些規(guī)格的儀器。
合適的儀器。選擇原則是：
1、安全，即電路中可能出現(xiàn)的最大值一般不能超出儀器儀表的范圍或額定值；
2、在保證安全的前提下，最好選擇量程較小的測量儀器（量程越小，讀數(shù)越準(zhǔn)確）；
3.滑動變阻器的選用可能需要與“分壓”或“限流”等情況結(jié)合使用（如例6）；
4、根據(jù)實際情況綜合考慮。
例4 在某實驗中，有如下各種規(guī)格的設(shè)備：
電池E，電動勢約10?V，內(nèi)阻約1
電流表A1，量程10A，內(nèi)阻r1約為0.2
電流表A2，量程300mA，內(nèi)阻r2約為5
電流表A3，量程250mA高中物理電學(xué)實驗誤差分析，內(nèi)阻r3約為5
電阻箱R1，最大阻值999.9，最小阻值變化0.1
滑動變阻器 R2，最大電阻 100留學(xué)之路，開關(guān)，電線
如果要用圖3所示電路測量電流表A3的內(nèi)阻，應(yīng)選電流表A1、A2中的哪一個作為電流表A'？
僅有的？
分析：從原理圖可知，本實驗采用類似半偏壓法測電阻的方法，電流表A'中的最大電流值僅為
250mA，故應(yīng)選擇電流表A2。
例五：（2000年高考）從下表中選擇適當(dāng)?shù)膶嶒炘O(shè)備，設(shè)計電路，測量電流表A1的電流。
內(nèi)阻r1要求方法簡單，測量精度盡可能高，并且能夠測量多組數(shù)據(jù)。
設(shè)備（代碼）規(guī)格
電流表（A1）電流表（A2）電壓表（V）電阻器（R1）滑動變阻器（R2）電池（E）開關(guān)
（S） 多根導(dǎo)線 量程10mA，待測內(nèi)阻r1（約40） 量程500A，內(nèi)阻r2=750 量程10V，
內(nèi)阻R3=10k，阻值約100，作為保護電阻使用，總阻值約50，電動勢為1.5V，內(nèi)阻很小
（1）如圖4所示，在虛線框內(nèi)畫出電路圖，并標(biāo)出所用設(shè)備編號；
（2）若選取其中一個測量數(shù)據(jù)計算r1，則表達式為r1=___，其中符號為
意思是：___。
電流表分析：本實驗的原理是利用歐姆定律測量A1的內(nèi)阻。當(dāng)通過電流表A1的電流I1為
當(dāng)然是用電流表A1直接讀取的。但測量電流表A1的電壓時，很多同學(xué)設(shè)計用電壓表V。
這也是我們一般的思路，但是對于本題來說不可行，因為A1上的電壓最多為：U1=I1r1
10·10-3·4V=0.4V，電壓表V的量程為10V。對于0.4V的電壓，電壓表的指針只稍微移動
測得的電壓值太大，不準(zhǔn)確，電壓表不能使用。電流表A2的內(nèi)阻r2為
因此本題需要用電流表A2與電流表A1并聯(lián)來測量電壓，電路圖如圖5所示，A1內(nèi)阻表達式
公式為r1=I2r2/I1，式中I1為電流表A1的電流，I2為電流表A2的電流。
4.選擇滑動變阻器，將其作為限流或分壓類型接入電路中
滑動變阻器一般在電路中起控制或改變電路某一部分電壓或電流的作用。
可變電阻的接法可分為限流型和分壓型，選擇限流型或分壓型的基本原則是：
1.以下情況必須選擇分壓器類型
（1）可變電阻器的阻值比被控制電路的阻值小得多。
（2）題目要求被控電路的電壓從零開始連續(xù)變化。
（3）如果采用限流方法，被控制的電路或測量儀器肯定會出現(xiàn)過載現(xiàn)象。
2.限流型一般在以下幾種情況下選擇
（1）若可變電阻器的阻值遠大于被控制電路的阻值時，一般采用限流型。
（2）如果不需要采用分壓器方法，則應(yīng)首先考慮限流方法，因為限流電路簡單，并且消耗的能量較少。
例6：測量“2.5V 0.2W”小燈泡的伏安特性曲線，可用的儀器有：
A. 量程為 0 至 0.6A、內(nèi)阻為 0.2
B. 量程為 0 至 100 mA、內(nèi)阻為 5
C. 量程為0至3V、內(nèi)阻為10k的電壓表
D. 量程為0至15V、內(nèi)阻為50k的電壓表
E.滑動變阻器最大阻值為20，額定電流為0.5A
F.滑動變阻器最大阻值為1000，額定電流為0.1A
G.6V電池、電線、開關(guān)
實驗要求燈泡電壓從零逐漸增加到額定電壓。
（1）電壓表應(yīng)_____，電流表應(yīng)_____，滑動變阻器應(yīng)_____；
（填寫設(shè)備序列號）
（2）如圖6所示，在虛線框內(nèi)畫出實驗電路圖；
（3）如果實驗操作正確，得到圖7所示曲線的原因是_____。
分析：（1）本題電路其實是伏安法測電阻的電路。
電壓，因此滑動變阻器應(yīng)作為分壓器連接。從計算中得知，滑動變阻器E和F的額定電流足夠，并且
為了便于控制，分壓電路中的滑動變阻器最好選用阻值較小的，故變阻器為E.電壓表、電流表
顯然應(yīng)選擇C、B；（2）省略電路圖；（3）原因是燈絲的阻值隨著溫度的升高而變化。
5.選擇“內(nèi)置電流表”或“外接電流表”
1. 伏安法測量電阻或電力時選擇“內(nèi)置電流表”或“外置電流表”的原則
（1）若被測電器設(shè)備阻值較大，則采用“電流表內(nèi)接”法；若被測電器設(shè)備阻值較小，則采用
“外部電流表”。
（2）如果電流表內(nèi)阻已知，電壓表內(nèi)阻未知，則用“電流表內(nèi)部連接”的方式。如果電壓表內(nèi)阻已知，則用“內(nèi)部連接”的方式。
如果不知道電流表的內(nèi)阻，就使用“外部電流表”。
（3）如果已知電流表、電壓表的內(nèi)阻，理論上應(yīng)該將電流表接在內(nèi)部或者外部。
兩種方法都可以，但是我們通常采用（1）中的方法。
2、伏安法測電源電動勢、內(nèi)阻實驗中，應(yīng)該選擇“內(nèi)接電流表”還是“外接電流表”？
問題
（1）一般情況下，如果電源內(nèi)阻較小高中物理電學(xué)實驗誤差分析，且與電流表內(nèi)阻相等，則采用“電流表內(nèi)接法”。
源的內(nèi)阻很大（相當(dāng)于電壓表的內(nèi)阻，一般不會出現(xiàn)這種情況），所以要用“外接電流表”。
（2）如果已知電壓表內(nèi)阻，而不知道電流表內(nèi)阻，則可利用“電流表內(nèi)部接法”來消除系統(tǒng)誤差。
（3）如果電流表內(nèi)阻已知，而電壓表內(nèi)阻未知，可采用“外接電流表”來消除系統(tǒng)誤差。
（4）如果已知電流表、電壓表的內(nèi)阻，則可采用“電流表內(nèi)接法”或“電流表外接法”，一般采用（1）。
中的方法。
因此，在選擇電工實驗儀器和實驗電路時，應(yīng)首先根據(jù)題意確定電流表、電壓表和滑動變量器。
電阻器等儀器，然后確定電流表的內(nèi)外連線，選擇控制電路并畫出實驗電路圖。
