DOC《二、电学设计型实验》

二、电学设计型实验 【典型范例导析】 1.

设计实验方法 【例1】 实验室备有电流表、电压表、电阻箱、滑动变阻器、低压直流电源、开关、导线等,要求利用以上器材尽可能精确地测量待测电阻R的阻值.请设计测量电路,简述其实验原理. 解析 采用伏安法测电阻一般有电流表内接和外接两种方式.因为电流表、电压表并非理想电表,所以无论是电流表内接还是电流表外接均不可避免系统误差的存在. 用替代法可有效地减小误差,即用电阻箱替代被测电阻来测定待测电阻阻值. 具体实施方案如下: (1)首先按图6―15连接电路.闭合开关S,读取电流表、电压表示数. (2)再断开开关,并用电阻箱替代被测电阻接人电路,将电阻箱阻值调到最大,如图6―16所示. (3)闭合开关S,调节电阻箱阻值,使两表的示数完全恢复到替代前的示数.此时电阻箱接人电路的阻值与待测电阻(Rx)相等. 点评本实验设计思想是:使电阻箱等效代替被测电阻.在直观效果上,调节电阻箱,使两次电流表、电压表示数与接电阻时相同;

其实质性效果是:两个电路总电阻相等,因此待测电阻阻值与调节后的电阻箱阻值相等. 【例2】 一个电灯,电阻为4R,试设计一个电路,使电灯两端的电压调节范围尽可能大,可利用的器材有:一个电动势为ε、内阻为R/5的电源;

一个最大阻值为R的滑动变阻器;

开关、导线若干. (1)设计实验电路,并画出实验电路图. (2)灯泡两端电压可调节的范围是多少? 解析(1)若采用滑动变阻器限流式接法,灯泡两端电 压的最小值大于零,因而电压调节范围较小.若采用分压式 接法,灯泡上的电压变化范围约为O~ε,显然,滑动变阻器被 当作分压器使用时,灯泡上电压的调节范围比限流时调节范 围大,设计电路如图6―17所示. (2)当滑片P滑到滑动变阻器的左端a时,灯泡两端电 压v1=O;

当滑片P滑到右端b时,有 所以灯泡两端电压可调节的范围是o~. 点评 (1)滑动变阻器的两种接法(分压式和限流式)各有特点,现列表分析如下: (2)在应用滑动变阻器进行调控时,具体选用哪一种接法,要根据需要而定:或者需要使被控元件两端电压调节范围大;

或者需要尽量减小电能的损耗;

或者实验室只给定比被控元件电阻值小(大)得多的滑动变阻器.因此,应用时要根据需要和以上两种接法的特点予以选择. 【例3】 实验室配备有以下实验器材:学生电源,圆柱形金属电极、长条形电极、圆柱形电极(电极均附有接线柱),灵敏电流计、毫安表,白纸、复写纸、导电纸,平木板、导线、开关. 现要求描绘正点电荷电场在平面上的等势线,简要说明你所设计的实验方法. 解析 由于直接测试、描绘静电场等势线相当困难,而恒定电流电场与静电场有相似的特征、遵循相似的规律,所以可以利用恒定电流的电场来模拟静电场,通过描绘恒定电流电场在平面上等势线来掌握静电场在平面上的等势线.具体作法是: (1)选材:学生电源、圆柱形金属电极、圆环形电极、灵敏电流计,白纸、复写纸、导电纸、平木板、导线、开关等. (2)安装:首先在平木板上依次铺放白纸、复写纸、导电纸,再将圆环形金属电极压放在导电纸上,并将圆柱形金属电极压放在圆环形电极的圆心处导电纸上.最后将低压直流电源正、负极分别与圆柱形电极、圆环形电极用导线相连,因而在圆柱形电极与圆环形电极之间导电纸上建立了电场,如图6―18所示. (3)描绘:如图6―1 9所示,作圆环半径OF,并在OF上取基准点a、b、c、d,利用灵敏电流计可寻得分别通过a、b、c、d的等势线.详细操作办法参照本书研究性实验 描绘静电场在平面上等势线 中讲解. 点评 在解析中,巧妙地运用了 模拟法 实现了点电荷电场在平面上的等势线的描绘.通过模拟法还可实现对匀强电场、处于静电平衡的导体内部电场的特性进行了解. 2.设计实验操作步骤 【例4】 为了测量一个量程为3.OV的电压表的内阻Rv(约为几千欧),采用的电路如图6-20所示. (1)可供选择的实验步骤有: A.闭合开关S;