高考电学设计性实验中器材与电路的选择
江苏省前黄高级中学（213172） 顾国富
电学实验是高中实验教学的重点内容之一，而电学实验设计则是高中学生必须掌握的基本实验操作技能，因而电学设计性实验成为历年高考的热点之一。由于中学电学实验原理丰富，涉及的器材种类较多，每一种器材对应有不同的量程，所以电学实验设计的难点在于对电路和器材的选择。电学实验设计能充分反映学生对实验目的、原理、方法和步骤理解掌握情况及对实验器材性能和操作的熟练程度，是对学生实验能力的一种综合性考查，往往具有一定的难度。笔者在近几年的高考阅卷过程中发现对这一类问题大部分学生的得分率都较低，因此有必要对这一个问题作一些探讨。下面我们就来介绍有关电学实验器材和电路选择的基本原则和方法。
电学实验器材和电路选择的总的原则是安全、精确和方便。器材的选择与实验所用的电路密切相关，因此在选择器材前首先要根据实验目的和实验原理设计测量精确、安全可靠、操作方便的实验电路，再根据实验电路的需要选择器材。选择器材和电路时，为了使测量结果精确和保护仪器，应遵循以下原则：
１．电表的选择
通过估算确定电路中通过电流表的最大电流和电压表两端的最大电压，所选择的电表的量程应大于最大电流和最大电压，以确保电表的安全；通过估算确定电路中通过电流表的最小电流和电压表两端的最小电压，选择的电表的量程应使电表的指针摆动的幅度较大，一般应使指针能达到半偏以上，以减小读数的偶然误差，提高精确度；在满足上述两个条件以后，在不计电表内阻时应选用内阻较小的电流表和内阻较大的电压表，以减小系统误差。
２．变阻器的选择
所选用的变阻器的额定电流应大于电路中通过变阻器的最大电流，以确保变阻器的安全；为满足实验中电流变化的需要和调节的方便，在分压式接法中，应选用电阻较小而额定电流较大的变阻器，在限流式接法中，应选用电阻与待测电阻比较接近的变阻器。
３．电源的选择
一般可以根据待测电阻的额定电流或额定电压选择符合需要的直流电源。
４．电流表内接法、外接法的选择
为了减小系统误差，当待测电阻Ｒx>时，采用电流表内接法；当待测电阻
Ｒx<时，采用电流表外接法；
５．分压式和限流式电路的选择
在选择变阻器分压式和限流式电路两种接法时应优先考虑限流式接法，为了能使实验正常进行和操作方便，当电路中的最小电流仍然超过电流表的量程或待测电阻的额定
电流，或者待测电阻远远大于变阻器的最大值或者需要在待测电阻两端从零开始测量电压、电流时采用分压式接法。
例1．（1986/全国高考卷）有一电阻RX，其阻值大约在40－50Ω之间，需要进一步测定其阻值，手边现有下列器材：
电池组E，电动势9V，内阻约0.5Ω；
伏特表V, 量程10V，内阻20kΩ；
毫安表A1，量程50mA，内阻20Ω；
毫安表A2，量程300mA，内阻4Ω；
滑动变阻器R1，阻值范围0-100Ω，额定电流1A；
滑动变阻器R2，阻值范围0-1700Ω，额定电流0.3A；
开关S，导线若干。
有两种可供选择的电路，如图１甲、乙所示，实验要求多测几组电流、电压值，画出电流-电压关系图。
为了实验能正常进行减小测量误差，而且要求滑动变阻器便于调节，在实验中应选用图 所示的电路，应选用代号 的毫安表和代号 的滑动变阻器。
分析：由于待测电阻RX阻值大约在40-50Ω之间，为了电流调节方便，滑动变阻器只能选择R1。电路中的最大电流,毫安表A1的量程小于最大电流，故电流表只能选毫安表A2；
由于282.8Ω，待测电阻Ｒx<，应采用电流表外接法，即选甲图。
例２．（1997/全国高考卷17题）某电压表内阻在20--50KΩ之间，现要测量其内阻，实验室中提供了下列可供选用器材:
待测电压表V，量程3V；
电流表A1，量程20 0μA；
电流表A2，量程5mA；
电流表A3，量程0.6A；
滑线变阻器Ｒ，最大电阻1KΩ；
电源E，电动势4V；
开关S，导线若干。
(1)所提供的电流表中，应选用 。
(2)为了尽可能减小测量误差，要求测多组数据，试在方框中画出符号要求的实验电路图。(其中电源和开关及其连线已画出)
分析：要求测量电压表的内阻，可以把电压表看作一只能读出两端电压的电阻。在本题中由于电压表内阻远远大于滑动变阻器的最大电阻，若此时采用限流式接法，通过待测电压表中的电流变化范围比较小，不可能达到多测几组数据的要求，无法精确测量电压表的内阻，故只能采用分压式接法，如图２所示。
电路中通过电压表的电流的最大值，因此为了使电流表指针能达到半偏以上只能选A1。
例３．（2000/全国高考卷16题）从下表中选出适当的实验器材，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。
电流表A1 (量程10mA，内阻r1待测约40Ω)
电流表A2 (量程500μA，内阻r2=750Ω)
电压表V (量程10V，内阻r3=10kΩ)
电阻R1 (阻值约为100Ω，起保护电阻用)
滑动变阻器R2
(总阻值约50Ω)
电池E (电动势1.5V，内阻很小)
开关S
导线若干。
分析：根据本题所给的条件，若采用伏安法，电压表测量的最大电压为1.5伏，指针偏转角度过小，无法精确测量，故只能采取两电流表并联，利用电流表的电流与电阻成反比进行测量。如图3所示，保护电阻串联在干路中，两电流表并联以后的阻值约为38Ω，若采用变阻器的限流式接法，干路中的电流范围约为7.9-10.8mA，通过两电流表的电流大小约分别为400―500μA、7.5―10.36mＡ，两电流表指针偏转范围较小，操作不方便，另一方面测得的数据比较密集，误差较大，不符合题目要求。因此可以采用滑动变阻器的分压式接法，使得通过两电流表的电流大小可以从零开始连续变化，当滑片滑到右侧时，通过两电流表的电流最大可以接近量程，就可以测得多组数据
例４．（2001/全国高考理科综合卷29题）实验室中现有器材如实物图所示(图略)，有
电池E，电动势约10V，内阻1Ω；
电流表A1，量程10A，内阻r1约为0.2Ω；
电流表A2，量程300mA，内阻r2约为5Ω；
电流表A3，量程250mA，内阻r3约为5Ω；
电阻箱R1，最大电阻999.9Ω，阻值最小改变量为0.1Ω；
滑线变阻器R2，最大电阻100Ω；
开关S，导线若干。
要求用图4所示的电路测定图中电流表A的内阻。
(1)在所给的三个电流表中,那几个可用此电路来精确测出其内阻?答 。
(2)在可测的电流表中,任选一个作为测量对象,在实物图上连成测量电路。
(3)你要读出的物理量是 。用这些物理量表示待测内阻的计算公式是 。
分析：电阻箱R1和电流表A并联，通过的电流与阻值成反比，因此干路中的电流将大部分通过电流表A，通过电流表A/与电流表A的电流强度数值相差不大，两电流表的量程应相差不大，根据题设条件所提供的三只电流表只能选用A2、A3。另一方面整个电路的最大电阻的大约在110Ω，最小电流约为91mA，为了提高测量精确度，也应采用A2、A3表。
此题型的解题思路如下：
1． 由确定的器材估算电路中电流或电压的极值（最大值或最小值）；
2． 由电流或电压的极值确定电路（分压式或限流式）；
3． 由电流或电压的极值确定电表量程；
4． 由电表内阻与待测电阻的关系确定安培表接法（内接与外接）；
5． 画好电路图。
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