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浅析怎样进行电学实验设计
李文浩
设计性物理实验是近几年高考试题中的一个新亮点，它要求学生对课本实验原理、方法有较为透彻的理解，能正确使用实验中用过的仪器，并能正确运用在这些实验中学过的方法综合分析解决新的实验问题。电学实验设计较好地符合了上述要求，其灵活性强，区分度高，难度大，高考也对此类题情有独钟。本文将对电学实验设计的基本原则和基本思想进行系统的介绍，并对相应问题归类分析。
一.基本原则
1.安全：保证不损坏实验器材。
2.精确：电表指针偏转要明显，尽可能减小实验误差，并测得多组数据。
3.方便：在保证实验正常进行的前提下，选用的电路和器材应便于操作，所得的实验数据便于处理。
以上原则是必须遵循的原则。另外有一个附加要求，即在同时满足以上原则的基础上，尽可能地节省器材，节约能源。（在平时练习中，若题目无特别说明，一般不予以考虑。）

二.基本思想
1.分压、限流电路的选择
根据分压、限流电路的特点和制约电路的几种因素，有以下选择：
（1）若负载电阻的阻值远大于滑动变阻器的总电阻，因滑动变阻器限流作用弱，如果采用限流电路，电表指针在滑动变阻器阻值改变后偏转不明显，无法测得多组数据，故应采用分压电路。如果电阻的阻值与滑动变阻器的总电阻相差不大，分压、限流电路都可。
（2）若要求负载上电压或电流从零开始连续变化，须用分压电路。
（3）两种电路均可的情况下，若要求电源消耗功率小，须用限流电路。（证明从略）
2.其它设计思想
（4）若知道电压表的量程和阻值，则电压表兼有电流表的功能。
（5）若知道电流表的量程和阻值，则电流表兼有电压表的功能。
（6）根据电压表的构造可知，可以用电流表和电阻串联作电压表使用。
下面通过实例对具体问题具体分析：
1.电压表内阻测定的设计思路
实际的电压表可视为一个理想电压表（其内阻为零）并联在待测内阻（较大）的两端，电压表的示数就是两端的电压，根据欧姆定律R=U/I可知，只需设法测出通过的电流即可。

例1.（1997年全国）某电压表的内阻在之间，现要测量其内阻。实验室提供下列可选用的器材：
待测电压表V（量程3V）；
电流表（量程）；
电流表（量程）；
电流表（量程0.6A）
滑动变阻器R（最大阻值）；
电源E（E=4V）；电键K，导线若干。
（1）所提供的电流表中应选用_____。
（2）为了尽可能减小误差，要求多测几组数据，试在方框内画出符合要求的实验电路图。
解析：（1）流过电压表的最大电流为

比较和的量程，根据精确的原则电流表应选。
（2）由于要测出的电流，因此将与电压表串联。又因为滑动变阻器，根据基本思想（1），滑动变阻器需接成分压式。答案如图1所示。（从另外一个角度讲，如果采用限流电路，将损坏电压表，不满足安全的基本原则。）

图1
2.电流表内阻测定的设计思路
实际的电流表可视为一个理想电流表（其内阻为零）串联在内阻（较小）上，电流表的示数就是所在支路的电流，根据欧姆定律可知，只需设法测出两端电压即可。

例2.（2000年全国）从下表中选出适当的实验器材，设计一电路来测量电流表的内阻，要求方法简捷，有尽可能高的测量精度，并能测得多种数据。
器材（代号）规格电流表（）量程，内阻，待测（约）电流表（）量程，内阻电压表（V）量程10V，内阻电池（）阻值约，作保护电阻用滑动变阻器（）总阻值约电池（E）总电动势1.5V，内阻很小电键（K）导线若干（1）在虚线方框中画出电路图，标明所用器材的代号。

（2）若选测量数据中的一组来计算，则所用的表达式为____，式中各符号的意义是________________。
解析：（1）由于需要测出两端的电压，可将“电压表”并联在的两端，但是将电压表的量程与电动势相比可知，电压表的指针只是稍微偏转，因此不能满足精确的基本原则，故不能选用。由于题目告诉了电流表的内阻，根据基本思路（5）知，可代替电压表，其量程为。虽然与电池的电动势相差很大，但考虑到限流电阻的存在，因而满足要求。电路图如图2所示。（由于题目无特别说明，而滑动变阻器与电流表内阻相当，所以限流电路也满足要求。）

图2
（2）用和分别表示通过电流表和的电流，易得
3.电流表（有刻度无示数）满偏电流测定的设计思路
由于有刻度，故只需设法测出电流表的某一刻度所对应的电流值即可。

例3.有以下可供选用的器材和导线若干，要求尽可能方便准确地测量电流表的满偏电流。
A.电流表A1：满偏电流约，内阻在之间，表盘刻度均匀，总格数为N。
B.电流表：量程0.6A，内阻。
C.电压表V：量程3V，内阻。
D.滑动变阻器：最大阻值。
E.定值阻器，阻值。
F.电源E电动势3V，内阻。
G.开关（K）一个。
（1）在方框中画出电路图，并标明所选器材的代号。

（2）测出得的指针偏转了n格