文档介绍：
实验题,是物理高考的一个方面军,约占高考试卷总分的17%;电学实验又是高考实验题的重点,占实验题分数的50%以上,因为一般两个实验题或力学、电学各一个,或电学、光学各一个;而在电学实验题中,大家对“电阻的测量”和“电源电动势与内电阻的测量”关注较多,而对“电表的改装”实验较少注意,本文来说说“电表的改装”实验题的方方面面。
“电表的改装”实验一般分三步:
第一步:电流表(表头)内阻的测量,
第二步:把电流表改装为安培表(扩大量程)或电压表,
第三步:对改装好的电表进行校准。
高考中对电学实验通常考查:
原理的理解(包括原理图)
步骤的掌握
器材的选择
电路的连接(实物图)
误差的分析(显性或隐性)等
下面通过例题来说明。
(表头),满偏电流为,内阻约为800~850,把它改装成、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,最大阻值
电阻箱,最大阻值定值电阻,阻值;
电池E1,;电池,电动势;电池,电动势;(所有电池内阻均不计)
标准电流表A,满偏电流;
单刀单掷开关和,单刀双掷开关,电阻丝及导线若干。
采用如图1所示电路用半偏法测电流表的内阻,写出主要实验步骤,及如何求得实验结果。
为提高测量精确度,选用的滑动变阻器为;选用的电池为。
图1
(3)将G改装成两量程电流表。现有两种备选电路,示于图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
(4)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来表示。
解析:(1)在这个实验中,第一步,断开S2,闭合S1,调节R,使电流表满偏,第二步,闭合S2,闭合S1,不调节R,仅调节R’,使电流表半偏,则电流表的内阻约等于电阻箱R’的阻值(即读数)。
(2)答案是①(或最大阻值) ②()
有同学不理解,待测电流表G(表头)的满偏电流仅为,为什么要用大电动势的电池和大阻值的滑动变阻器呢?这要从半偏法测电流表的内阻的误差分析谈起。
因为第二步中认为电阻箱R1分流一半,也就是认为第二步与第一步中干路电流相等。怎么会相等呢?明明是总电阻发生了变化(并联了电阻箱R’),这就要求并联了电阻箱R’后对总电阻的影响可以忽略不计。怎样才能忽略不计?要求,在RA已确定的条件下,只能使滑动变阻器的阻值尽可能大,而要使滑动变阻器的阻值尽可能大,因为RA的满偏电流是确定的,所以就要使电池的电动势尽可能大。
这个分析也可以用公式推导:
在第一步中,电流表的电流为,
在第二步中,根据并联分流公式,电流表的电流为;
从这两式可解得:,只有当,即时,才有,也就是电阻箱的读数为电流表的内阻。
如果还不十分清楚的话,我们不妨代入数据计算一下。
如果使用E3、R2,设表头的内阻为800,则在第一步中,根据,算得;第二步中,根据计算得:
,当表头半偏时, 则,因为,所以,这就是RA的测量值,与真实值RA=800相比,相对误差为;
如果使用E1、R2(用R1不可以,下面的计算可知),表头的内阻为800,则在第一步中,根据,算得;第二步中,根据计算得:,当表头半偏时, 则,因为,所以,这就是RA的测量值,与真实值RA=800相比,相对误差为。
很显然,后者比前者误差大得多。所以选E3、R2。
(3)图2为合理电路; 图3电路在通电状态下,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。
(4)电路图为图4。与A和A’串联的是定值电阻,阻值,是起保护作用,因为改装后的电流表内阻很小,所以如无,则电流可能很大。
图4
为说明改装后的电流表内阻很小,不妨计算一下图2中1mA档的电流表的内阻。
在图2中,总电流,表头电流,所以并联电阻R并(图2中的R1+R2)为并=,所以电流表的内阻为
,如果没有R0,,电流可达(计算中设标准表A’的内阻也是40),远远超过了电流表的量程。
点评:本题考查了半偏法测电流表内阻的实验原理(隐性地考,没明确要求写原理,但要懂原理才能做)、实验步骤(显性地考,明确要求写出)以及器材的选择(显性地考,明确要求写出)和误差的分析(隐性地考)。后者,看起来简单,其实很复杂。也考查了电表的改装及校准的电路,特别提出了两量程的电流表,是课本上没讲的,但是实验中常用的。
。图中R1、R2为电阻,K1、K2为电键,B是电源(内阻可忽略)。
根据图1所给出的电路原理图,在图2的实物图上连线。
②已知R1=14