单位文秘网 2022-02-25 08:17:56 点击: 次
1 抓住实验目的,理清实验思路
设计实验时,一定要弄清实验目的,目的明确了才能理清思路.比如,实验目的是探究铅笔芯的伏安特性曲线,那就要尽可能准确地测出加在铅笔芯两端的电压和通过它的电流,依据此目的,实验应采用“伏安法”.
2 选择相关器材,构建实验原型
采用“伏安法”时,牵涉到滑动变阻器的分压接法和限流接法的选择,如果工作电路两端的电压测量值比电源电压低得较多,或者待测电流及电压要求从零开始变化,又或者滑动变阻器的阻值远远小于待测电阻值时,则往往用滑动变阻器并联分压来控制工作电压.为了满足分压电路的线性要求,从而达到方便操作和提高实验精度的目的,变阻器的总阻值不宜太大.依据测量值与电表量程相匹配来选择电表,再构建电流表内外接法的实验原型图.
3 修改电路设计,检验定型电路
在初步构建实验原型的基础上,对电路进行修改和定型.可以归纳出,设计型电路实验习题的基本解法思路是:
这样的解法思路,反映了人的思维规律在实验探究领域的应用,因而是正确的.有了这样的思维模式之后,解题时就会觉得有“法”可依,有“路”可走,再也不会觉得电路设计深不可测了.
4 例题透析
按照以上的解法思路,可设计出明晰的解题步骤,使得解题时有良好的可操作性,从而产生良好的学习效果.
例题 从实验室提供的以下器材中选出适当的实验器材,设计出一个测电阻丝电阻值的电路.要求:方法简单,能测得多组数据,有尽可能高的测量精度.
A.电流表A1(量程为500 μA,内阻为r1=750 Ω)
B.电流表A2(量程为10 mA,内阻为r2=40 Ω)
C.电压表V(量程为10 V,内阻为RV=10 kΩ)
D.定值电阻R1(阻值为100 Ω)
E.滑动变阻器R2(总阻值约为20 Ω)
F.电阻丝L(阻值约为50 Ω)
G.干电池E(电动势为1.5 V,内阻很小)
H.开关一个和带夹子的导线若干
第一步,针对被测物理量(实验目的),结合所给器材,构建实验原型电路.
若采用“伏安法”测量,由于电压表的量程和电池的电动势不匹配,将导致电压表的指针偏角过小,因而测量精度降低.而已知内阻的电流表可用来测量电压,所以可用“安安法”测量.其原型电路主要有以下两种,如图2和图3所示.
第二步,依据实验参数,通过估算对仪器进行“排兵布阵”.
若采用图1所示的电路,电阻丝L的电阻测量值将是
RL=I2r2—I1r1I1.
该电路是并联电路,两支路电阻的比值(按RL=50 Ω估算)为
R1R2=RL+r1r2=50+75040=20,
电流的比值为
I1I2=R2R1=120,
和A1、A2的量程吻合得相当好,实际测量中电流表A1、A2可以同时达到各自允许通过的最大电流值,实现了电流表测量值的最大可利用化.
若采用图3所示的电路,按RL=50 Ω,I2=10 mA来估算,通过A1的电流将是
I1=I2RLRL+r1=10×5050+750 mA=58 mA,
超过了A1的量程,不妥.按I1=500 μA来估算,通过电流表A2的电流将是
I2=(1+r1RL)I1=(1+75050)×500 μA
=8000 μA,
虽然没有超过A2的量程,但仍有较大的测量空间没有得到有效利用.
通过比较分析可以看出,应该选用如图2所示的测量电路.要测量多组数据,控制电路应采用滑动变阻器并联分压电路,完整电路如图4所示.至此,问题的 解决并没有结束.
第三步,对所设计的电路进行检验,检验后再定型电路.
电流表A2的允许所加电压值为400 mV,只有电池电动势的415.当工作电路电流表满偏时,滑动变阻器与工作电路并联部分的电阻值设为R左,电池内阻很小,忽略不计,工作电路的电阻为
R=(RL+r1)r2RL+r1+r2=(50+750)×4050+750+40 Ω
≈38.1 Ω,
据此有
RR左R+R左∶(R2—R左)=0.41.5—0.4,
得到R左大约为5.92 Ω,约占R2总阻值的0.30倍,滑动触头从左端向右端允许滑动的最大距离只占电阻丝总长度的十分之三,大量的可滑动长度未能得到使用,手动操作不方便.
为了解决这个问题,只要在原工作电路上串联一个电阻,提高工作电路的电阻值即可.串联电阻R1之后,工作电路的电阻值约达到138.1 Ω,远大于滑动变阻器的总阻值,控制电路的线性得以恢复,滑动变阻器的可移动距离几乎接近电阻丝的总长度,可移动范围大,给电路调节和实验精度都提供了保障.
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