幻灯片 1 电学实验设计题能有效地考查学生的实验技能和创造性思维能力，在高考中的考查频率很高。不少学生面对这类题感到无从下手。实际上，只要做到“三个明确”“两个选择”，问题便可迎刃而解。
一、明确题目的要求
解答一道电学实验设计题，首先要认真审清题意，看清题目的要求。即要看清题目要求测定什么物理量，验证、探究什么物理规律，或者要求设计达到何种标准的电路等。对实验的目的要求明确了，才能保证解题思路正确、明朗，方法对头。
----
幻灯片 2 二、明确实验设计的原理
测量电路、控制电路、实验仪器的选择，实验方法、步骤的确定，数据处理、误差分析等问题，都是从实验原理派生出来的，只有明确实验原理，其他问题才可得以解决。如果设计测定型实验，应弄清待测物理量可通过哪些规律、公式求得，与哪些物理量有直接联系，可用哪些物理量定量地表示，用何种方法测定相关量，进而得出待求量。如果设计验证型实验，应弄清在相应的物理现象中，何种定量关系成立，才能使待验证的结论成立。对于设计符合一定标准的电路问题，则应根据实验的要求和相关物理规律，器材的规格、性能等，合理选择、连接电路。
----
幻灯片 3 三、明确设计电路的原则
设计电路一般应遵循“安全性”原则、“精确性、方便性”原则，兼顾“运用仪器少，耗电少”等三条原则。
(1)安全性原则
选用仪器组成电路，首先要保证实验正常进行。例如通过电流表的电流和加在电压表上的电压均不得超过其量程，滑动变阻器、被测电阻不得超过其额定电流(额定功率)等，使实验安全进行。
----
幻灯片 4 (2)精确性、方便性原则
“精确”是指选用仪器组成实验电路时要尽可能减小测量误差，提高精确度。例如所用电流表、电压表的指针应有较大的偏转，一般应使指针偏转在满刻度的1/3以上，以减小因读数引起的偶然误差。
“方便”是指实验中便于调节控制，便于读数。例如应根据电路可能出现的电流、电压范围选择滑动变阻器。对大阻值的滑动变阻器，如果滑片稍有移动就使电路中的电流、电压有很大变化，则不宜采用。对于滑动变阻器，还要权衡用分压式电路还是限流式电路。对于什么条件下用分压式电路，什么条件下用限流式电路，在下面的“选择控制电路”中有详细讲述。
----
幻灯片 5 (3)运用仪器少，耗电少原则
在达到实验目的，各项指标均符合要求的前提下，还应注意运用的仪器尽量少和节约电能。例如控制电路有限流式与分压式两种调节电路，若这两种调节电路均能满足要求，从消耗功率小，节约电能的角度，则应选用限流式电路。
四、选择测量电路
1．用伏安法测电阻或用电器的电功率时电流表内接或外接的选择
----
幻灯片 6 (2)若已知电流表内阻，而不知电压表内阻，应采用“电流表内接法”；若已知电压表内阻，而不知电流表内阻，应采用“电流表外接法”。若电流表内阻、电压表内阻均为已知，采用内接、外接均可。实验中读出电表的示数后，根据已知电表的内阻进行数据处理，可以消除电表内阻影响造成的系统误差。若不定量计算由电表内阻影响造成的系统误差，则应按(1)确定连接方式。
----
幻灯片 7 [典例1] 图7－1甲、乙是两组同样的实验器材实物图，用来测量待测电阻R的阻值，每组器材中包括：电池、滑动变阻器、电压表、电流表、待测电阻R、开关，若干导线(图中未标出)。
图7－1
----
幻灯片 8 (1)如果待测电阻R的阻值比电压表的内阻不是小很多，但待测电阻R的阻值比电流表的内阻大很多，试在图7－1甲中连线，使之成为测量电路；如果待测电阻R的阻值比电流表的内阻不是大很多，但待测电阻R的阻值比电压表的内阻小很多，试在图7－1乙中连线，使之成为测量电路。
(2)如果已知上述电压表的内阻为RV和电流表的内阻为RA，要求尽可能多测几组数据，对图7－1甲和图乙连成的测量电路，分别写出计算待测电阻的表达式(用测得的量和给出的电表内阻来表示)。
----
幻灯片 9 [解析] 用伏安法测电阻是一种基本测量方法，其原理是欧姆定律。为了减小测量的系统误差，要注意电流表内接法和外接法的选择。
图7－2
----
幻灯片 10 (1)当待测电阻R的阻值比电流表的内阻大很多时，应采用电流表内接法，实物连接如图7－2甲所示。滑动变阻器应采用分压式接法，以增加可调范围，多测几组I、U值，从而得出电阻的多个测量值，再求出平均值，以减小偶然误差。
当待测电阻R的阻值比电压表的内阻小很多时，应采用电流表外接法，实物连接如图乙所示。滑动变阻器也采用分压式接法。
----
幻灯片 11[答案] 见解析
----
幻灯片 12图7－3
图7－4
----
幻灯片 13 (2)仪器选择
①用电流表的满偏电流乘以内阻确定电压表的量程。若没有合适的电压表，可采用已知内阻的电流表代替(安安法)或采用定值电阻乘以通过的电流计算出电压。
②用电压表的量程除以内阻确定电流表的量程。若没有合适的电流表，可采用已知内阻的电压表代替(伏伏法)或采用定值电阻分流确定通过电压表的电流。
----
幻灯片 14 [典例2] 某电流表的内阻在0.1～0.2 Ω之间，现要测量其内阻，可选用的器材如下：
A．待测电流表A1(量程0.6 A)
B．电压表V1(量程3 V，内阻约2 kΩ)
C．滑动变阻器R1(最大电阻10 Ω)
----
幻灯片 15 D．定值电阻R2(阻值5 Ω)
E．电源E(电动势4 V)
F．开关S及导线若干
(1)在虚线框中画出实验电路图；
(2)若测得电压表V1的读数为U，电流表A1的读数为I，则电流表A1内阻的表达式为RA1＝________。
----
幻灯片 16图7－5
----
幻灯片 17 3．用伏安法测电源电动势和内阻，电流表两种接法的选择
用伏安法测电源电动势和内阻有如图7－6甲、乙所示两种接法。根据闭合电路的欧姆定律列方程分析求解，可得下面的结论：
图7－6
----
幻灯片 18 若考虑电压表内阻RV、电流表内阻RA的影响，用图6甲接法测量时有
r测＝rRV/(RV＋r)
E测＝RVE/(RV＋r)
可见内阻的测量值r测小于真实值r，绝对误差为|Δr|＝r－r测＝r2/(RV＋r)
相对误差为|Δr|/r＝r/(RV＋r)
电动势的测量值E测小于真实值E，绝对误差为|ΔE|＝E－E测＝rE/(RV＋r)
相对误差为|ΔE|/E＝r/(RV＋r)
----
幻灯片 19 从以上分析可以看出，用图7－6甲电路测量，电动势与内阻的测量值均小于真实值，相对误差的大小取决于电压表的内阻，与电流表的内阻无关。
对于用图7－6乙电路测量，作类似分析可知，r测＝RA＋r，E测＝E。可见内阻的测量值偏大，绝对误差为|Δr|＝r测－r＝RA，相对误差为|Δr|/r＝RA/r。可见用图乙电路测量，电动势的测量值与真实值相同，不产生系统误差。内阻的测量值偏大，其大小取决于电流表的内阻RA，与RV无关。所以：
----
幻灯片 20 (1)若电源内阻较小(与电流表的内阻相近)应选用图甲电路；若电源内阻很大(与电压表的内阻相近)应选用图乙电路。
应该指出的是，在中学物理实验中，一般是测量干电池的电动势和内阻。若用图乙电路测量，虽然电动势不产生系统误差，但电流表内阻RA往往与电池内阻r相差不大，所以测内阻的相对误差会很大。用图甲电路测量，虽然电动势和内阻都有相对误差，但RV远大于r的条件很易得到满足，电动势和内阻的相对误差都很小，所以在中学物理实验中，一般都采用图甲电路测量干电池的电动势和内阻。
----
幻灯片 21 (2)若已知电压表内阻，而不知电流表内阻，应采用图甲电路，以消除RV带来的系统误差。
(3)若已知电流表内阻，而不知电压表内阻，应采用图乙电路，以消除RA带来的系统误差。
(4)电流表内阻、电压表内阻均为已知，原则上甲、乙两种接法均可用，但应注意消除RA、RV带来的系统误差。若不定量考虑电表内阻的影响，则应按(1)选择接法。
----
幻灯片 22 [典例3] 在做“测干电池的电动势和内阻”的实验中，备有下列器材供选用：
A．干电池一节(电动势约为1.5 V)
B．直流电流表(量程0～0.6 A～3 A,0.6 A挡内阻为0.10 Ω，3 A挡内阻为0.025 Ω)
C．直流电压表(量程0～3 V～15 V,3 V挡内阻为5 kΩ，15 V挡内阻为25 kΩ)
D．滑动变阻器(阻值范围0～15 Ω，允许最大电流为1 A)
E．滑动变阻器(阻值范围0～1 000 Ω，允许最大电流为0.5 A)
----
幻灯片 23F．电键
G．导线若干
H．电池夹
图7－7
----
幻灯片 24 (1)将选定的器材按实验要求的电路(系统误差较小)，在如图7－7所示的实物图上连线。
(2)根据实验记录，画出的U－I图象如图7－8所示，可知待测电池的内阻为________ Ω。
(3)按本实验要求的电路测出的E测________E真，r测________r真。(填“大于”“小于”或“等于”)
图7－8
----
幻灯片 25 [解析] (1)连接图如图7－9所示。此问涉及三点：①仪器的选择，应选A、B(0～0.6 A)、C(0～3 V)、D、F、G、H。②电路设计，要求系统误差较小，因干电池的内阻很小，与直流电流表(0.6 A挡)的内阻相近，应采用电流表外接法(相对于电源而言)。③连接实物图，要按设计的电路顺序连线。
图7－9
----
幻灯片 26[答案] (1)如图7－9所示 (2)1 (3)小于 小于
----
幻灯片 27 五、选择控制电路
对滑动变阻器的两种接法——两种控制电路的比较与选择归纳如下表。
EIL
限
流
式
电路消耗的总功率
负载RL上的电流调节范围
负载RL上的电压调节范围
电路图
----
幻灯片 28分压式电路的电压、电流调节范围大，但电路消耗的功率较大
比较
E(IL＋IaP)
0≤UL≤E
分压式
电路消耗的总功率
负载RL上的电流调节范围
负载RL上的电压调节范围
电路图
----
幻灯片 29 滑动变阻器以何种方式接入电路中，应遵循安全性、精确性、方便性、节能性的原则，综合考虑，灵活选用。
在下列三种情况下必须采用分压式接法：
(1)要求通过被控制部分的电流或电压实现从零开始调节
(例如测定导体的伏安特性，从零刻度开始校对改装后的电表等)，即大范围测量时，必须采用分压式接法。
(2)当用电器的电阻RL远大于滑动变阻器的电阻R0，且实验要求电压变化范围较大(或要求测量多组数据)时，必须采用分压式接法。
(3)若采用限流式接法，电路中的实际电压(或电流)的最小值仍超过RL的额定电压(或电流)时，只能采用分压式接法。
----
幻灯片 30 在下列三种情况下可采用限流式接法：
(1)测量时电路中的电流、电压没有从零开始调节的要求，只是小范围的测量，且RL与R0接近，或RL略小于R0时，采用限流式接法。
(2)电源的放电电流或滑动变阻器的额定电流太小，不能满足分压式接法的要求时，采用限流式接法。
(3)没有很高的要求，仅从安全性和精确性角度分析，两者均可采用时，可考虑安装简便和节能因素，采用限流式接法。
----
幻灯片 31 [典例4] 有一电阻Rx，其阻值在100～200 Ω之间，额定功率为0.25 W，现用伏安法较准确地测量它的电阻值，实验室中备有下表中所列器材：
开关及导线
电动势12 V
E
直流电源
阻值范围0～20
R
滑动变阻器
量程0～10 V，内阻为20 k
V2
电压表
量程0～5 V，内阻为10 k
V1
电压表
量程0～3 mA，内阻为0.001
A2
电流表
量程0～50 mA，内阻为20
A1
电流表
规格
代号
器材
----
幻灯片 32 (1)为了保护被测电阻不被烧坏，实验中电阻两端的电压应控制在________ V以下，电压表应选________。
(2)为了保护被测电阻，通过它的电流应控制在________ A以下，电流表应选________。
(3)根据题意画出实验电路图。
[解析] 待测电阻的阻值范围较大，在100～200 Ω之间，又有功率限制。应据功率、电阻的大小范围估算电流、电压。
----
幻灯片 33图7－10
----
幻灯片 34[答案] (1)5 V1 (2)0.035 A1 (3)如图7－10所示
----
幻灯片 35[专题练习]
1．(2013·济南模拟)为了测量某待测电阻Rx的阻值(约为30
Ω)。有以下一些器材可供选择：
电流表：A1(量程0～50 mA，内阻约10 Ω)
A2(量程0～3 A，内阻约0.12 Ω)
电压表：V1(量程0～3 V，内阻很大)
V2(量程0～15 V，内阻很大)
电源E(电动势约为3 V，内阻约为0.2 Ω)
----
幻灯片 36定值电阻R(20 Ω，允许最大电流1.0 A)
滑动变阻器R1(0～10 Ω，允许最大电流2.0 A)
滑动变阻器R2(0～1 kΩ，允许最大电流0.5 A)
单刀单掷开关S一个，导线若干
----
幻灯片 37(1)电流表应选________，电压表应选________，滑动变阻器应选________(填字母代号)。
(2)请在方框中画出测量电阻Rx的实验电路图(要求所测量值范围尽可能大)。
(3)某次测量中，电压表示数为U时，电流表示数为I，则计算待测电阻阻值的表达式为Rx＝________。
----
幻灯片 38解析：(1)首先，选取唯一性器材：电源E(电动势约为3 V、内阻约为0.2 Ω)，定值电阻R(20 Ω，允许最大电流1.0 A)，单刀单掷开关S一个，导线若干。
电源电动势约为3 V，所以电压表选择V1(量程0～3 V，内阻很大)；待测电阻Rx的阻值约为30 Ω，流过Rx最大电流为3 V/30 Ω＝0.1 A＝100 mA，如果电流表选择A2(量程0～3 A，内阻约0.12 Ω)，指针偏转很小，测量不准确，所以只能选择A1(量程0～50 mA，内阻约10 Ω)；滑动变阻器R2的全值电阻太大，操作不便，所以滑动变阻器应选R1(0～10 Ω、允许最大电流2.0 A)。
----
幻灯片 39(2)因为实验要求所测量值范围尽可能大，所以滑动变阻器R1要采用分压接法；因为待测电阻Rx的阻值远小于电压表内阻，所以电流表要外接；为了使流过电流表的电流不超过其最大量程即50 mA，应与待测电阻串联一个定值电阻R起保护电路。实验原理图如图所示。
----
幻灯片 402．某待测电阻Rx的阻值约为20 Ω，实验室提供如下器材：
A．电流表A1(量程150 mA，内阻r1＝10 Ω)；
B．电流表A2(量程20 mA，内阻r2＝30 Ω)；
C．定值电阻R0＝10 Ω；
D．滑动变阻器R，最大阻值为10 Ω；
E．电源E，电动势为4 V(内阻不计)；
F．开关S及导线若干。
----
幻灯片 41(2)实验时电流表A1的读数为I1，电流表A2的读数为I2，用已知量和测得的物理量表示Rx，则Rx＝________。
----
幻灯片 42----
幻灯片 43----
幻灯片 44----
幻灯片 45----
幻灯片 463．要测量电压表V1的内阻RV，其量程为2 V，内阻约为2
kΩ。实验室提供的器材有：
电流表A，量程0.6 A，内阻约0.1 Ω；
电压表V2，量程5 V，内阻5 kΩ；
定值电阻R1，阻值30 Ω；
定值电阻R2，阻值3 kΩ；
滑动变阻器R3，最大阻值100 Ω，额定电流1.5 A；
电源E，电动势6 V，内阻约0.5 Ω；
开关S一个，导线若干。
----
幻灯片 47(1)有人拟将待测电压表V1和电流表A串联接入
电压合适的测量电路中，测出V1的电压和电流，
再计算出RV。该方案实际上不可行，其最主要
的原因是________________________；
(2)请从上述器材中选择必要的器材，设计一个测量电压表V1的内阻RV的实验电路。要求测量尽量准确，实验须在同一电路中，且在不增减元件的条件下完成。试画出符合要求的实验电路图
(图7－11中电源与开关已连好)，并标出所选元件的相应字母代号；
(3)由上问写出V1的内阻RV的表达式，说明式中各测量量的物理意义。
图7－11
----
幻灯片 48----
幻灯片 49----
幻灯片 504．某同学在实验室测定一节干电池的电动势和内阻，实验
室有如下器材：
A．待测干电池；
B．表头G(量程3 mA，内阻r1＝20 Ω)；
C．电流表A(量程0.6 A，内阻r2＝0.2 Ω)；
D．滑动变阻器甲(最大阻值10 Ω)；
E．滑动变阻器乙(最大阻值100 Ω)；
F．定值电阻(R1＝100 Ω)；
G．定值电阻(R2＝500 Ω)；
H．定值电阻(R3＝1.5 kΩ)；
----
幻灯片 51I．开关S及导线若干。
(1)由于没有电压表，他决定用表头和定值电阻改装，定值电阻应选用________________，为了方便并能较准确地测量，滑动变阻器应选用________________。(填写各器材前的序号)
(2)请画出实验电路图。
(3)若某次测量中表头G的示数为I1，电流表A的示数为I2，改变滑动变阻器阻值后，表头G的示数为I1′，电流表A的示数为I2′，则电源的内阻r＝________，电动势E＝________。
----
幻灯片 52解析：(1)改装后的电压表的量程应比一节干电池的电动势(约为1.5 V)略大些。将三个定值电阻R1、R2、R3分别代入U＝Ig(r1＋R)中得到0.36 V、1.56 V、4.56 V，故定值电阻应选R2(G)；从精确性原则出发，滑动变阻器最大阻值应尽可能小些，故选甲(D)。
(2)实验电路如图所示。
----
幻灯片 53课时跟踪检测
见“课时跟踪
检测（二十八）”
章末验收评估见“阶段验收评估（七）”
----
【点此下载】