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在电学实验中,以电阻的测量的实验最多,考察范围最广,也最灵活多变.探究电阻测量的实验,发现它们多是“原理相同,版本各异”,即以伏安法测电阻为基本原理,然后在此基础上改版或升级.本文从例题入手,就此问题作一探讨.
1原版“伏安法测电阻”是基础
题1用伏安法测量未知电阻的阻值时,不知Rx的大概值,为选择正确的电路以减小误差,按图1所示的电路将仪器连接好,并空出电压表的一个接头K,将K与a点接触一下,电表的示数为“2.8 V 4.0 mA”;将K与b点接触一下,电表的示数为“2.7 V 5.0 mA”,则K与点接触实验误差较小,此时电阻的测量值为,测量值比真实值偏.
解析两种接法中电流表读数变化相对较大,说明如果电流读数不准确将引起测量较大误差,故应该采用使电流读数准确的内接法.故本题答案应分别填写为 a , 700, 大.
总结提升可以用“内大外小”来概括伏安法测电阻的特点,它包含两方面的意思:一是“内接法测量值偏大,外接法测量值偏小”,二是“内接法通常测较大的电阻,外接法通常测较小的电阻”.表1两种测量电路的比较类别1电流表内接法1电流表外接法电路图11误差
分析1电压表示数
UV=UR UA>UR
电流表示数IA=IR
R测=UV1IA>UR1IR=R真
误差来源于电流表的分压作用1电压表示数UV=UR
电流表示数IA=IR IV>IR
R测=UV1IA 误差来源于电压表的分流作用误差1测量值偏大1测量值偏小两种
电路
的选择1R越大,UR越接近UV,
R测=UV1IA
越接近于R真=UR1IR
可见,为了减小误差,该电路适合测大电阻,即RRA1R越小,IR越接近IA,R测=UA1IA
越接近R真=UR1IR
可见,为减小误差,该电路适合测小电阻,即RRV2升级“伏安法测电阻” ,提升电路创新设计能力
2.1升级之一:一表两用
题2表2是一些准备用来测量待测电阻Rx阻值的实验器材.
到的器材非常易得,提出的问题富有挑战性但又让每一个同学感觉可以完成而去努力尝试.学生思而不得的时候,老师展示解决这个问题的方法,学生恍然大悟,获得知识技能的喜悦让在场的所有人都感觉到振奋.
高中学生分组实验的固有的器材大多陈旧,精度差,学生也没有兴趣,复杂的实验设备很难分组演示,因此依据课程的需要设计特定的分组实验是我们任课教师所需要思考和解决的问题,就要求我们利用质量轻、体积小、易收集的物品,设计出让学生感觉可以解决,但需要合作探究,有一定的趣味性和挑战性的分组实验.比如有的学校开设的水火箭的设计,关于反冲器具的制作等活动.
3巧用玩具,另辟蹊径
玩具不仅是小孩子玩乐的工具,也是物理教学很好的辅助设备.利用其创设物理情境,可以很好的激发其学生的学习热情,比动画模拟要好.
比如在讲到运动学中的相对运动的时候,如果用小车和玩偶为道具,做一个情境剧,让学生来做解说,站台上的人看到小车在运动,而小车上的人看旁边的人是静止的,其课堂的教学效果比单纯的讲解或者多媒体展示鲜活得多,更为主要的是学生参与到活动中来.再比如教材上猎枪打猴子的习题,就可以用玩具猴做道具,进行演示.耳听为虚,眼见为实,学生见到玩具枪的子弹恰巧击中落下的猴子时,非常有趣且有力的证明平抛运动在竖直方向做的是自由落体运动.需要解决的问题是“子弹”射出时猴子要同步下落,“子弹”要足够大,“枪”离“猴子”的距离要足够远,而且要足够准.另外最好把场景录下来.同步的问题比较好解决,可以在猴子的脑子里放一个小铁块,高处安置电磁铁,扣动扳机的时候切断电源,完成子弹的飞出和猴子的下落同步;子弹可以用玻璃球做,质量不能太大也不易太小,“枪”可以用弹射器来做;瞄准可以用一根细线或长木尺平行“枪管”和“猴”相连,有水平仪是最好的,高度要保持一致.整个过程需要用摄像机或数码相机录下,做完实验后用超级解霸慢放.学生可以十分清晰的见到“子弹”在空中运动时在竖直方向上和小猴一起下落的情形,真正感受到说到不如做到.
高中物理课程比较紧张,教师用于准备实验的时间和器具比较有限,而实验对于学生学习的意义迫使我们要进行必要的准备,自制教具是高中物理实验教学必要的技术支持,器材复杂、精密,可以让实验更精确,但普遍大量使用有难度,上面提到的教具虽然简单、粗糙,精度不足,但使用灵活方便,有着良好的教学效果,做到了小成本大收获.表2器 材1规格待测电阻Rx1阻值在900 Ω~1000 Ω之间电源E1具有一定内阻,电动势约9.0 V电压表V11量程2.0 V,内阻r1=1000 Ω电压表V21量程5.0 V,内阻r2=2500 Ω电流表A1量程3.0 A,内阻r=0.10 Ω滑动变阻器R1最大阻值约100 Ω,额定电流0.5 A开关S、导线若干1为了能正常进行测量并尽可能减少测量误差,实验要求测量时电表的读数大于其量程的一半,而且调节滑动变阻器能使电表读数有明显的变化.试设计满足要求的测量Rx阻值的电路.
解析本题虽然没有电流表,但是电压表V1已知内阻,相当于量程为2.0 mA的电流表,所以电路设計如图2.
总结提升本题中有两个电压表而没有电流表,似乎不能用伏安法测电阻,但是电压表的内阻已知,而电压可直接读数,于是通过它的电流就已经知道了,即相当于一个电流表.所以一个已知内阻的电流表可以当电压表使用,而一个已知内阻的电压表可以当电流表使用.
2.2升级之二:活用定值电阻
题3(全国高考题)从下列器材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,有尽可能高的精确度,并能测得多组数据.
1原版“伏安法测电阻”是基础
题1用伏安法测量未知电阻的阻值时,不知Rx的大概值,为选择正确的电路以减小误差,按图1所示的电路将仪器连接好,并空出电压表的一个接头K,将K与a点接触一下,电表的示数为“2.8 V 4.0 mA”;将K与b点接触一下,电表的示数为“2.7 V 5.0 mA”,则K与点接触实验误差较小,此时电阻的测量值为,测量值比真实值偏.
解析两种接法中电流表读数变化相对较大,说明如果电流读数不准确将引起测量较大误差,故应该采用使电流读数准确的内接法.故本题答案应分别填写为 a , 700, 大.
总结提升可以用“内大外小”来概括伏安法测电阻的特点,它包含两方面的意思:一是“内接法测量值偏大,外接法测量值偏小”,二是“内接法通常测较大的电阻,外接法通常测较小的电阻”.表1两种测量电路的比较类别1电流表内接法1电流表外接法电路图11误差
分析1电压表示数
UV=UR UA>UR
电流表示数IA=IR
R测=UV1IA>UR1IR=R真
误差来源于电流表的分压作用1电压表示数UV=UR
电流表示数IA=IR IV>IR
R测=UV1IA
电路
的选择1R越大,UR越接近UV,
R测=UV1IA
越接近于R真=UR1IR
可见,为了减小误差,该电路适合测大电阻,即RRA1R越小,IR越接近IA,R测=UA1IA
越接近R真=UR1IR
可见,为减小误差,该电路适合测小电阻,即RRV2升级“伏安法测电阻” ,提升电路创新设计能力
2.1升级之一:一表两用
题2表2是一些准备用来测量待测电阻Rx阻值的实验器材.
到的器材非常易得,提出的问题富有挑战性但又让每一个同学感觉可以完成而去努力尝试.学生思而不得的时候,老师展示解决这个问题的方法,学生恍然大悟,获得知识技能的喜悦让在场的所有人都感觉到振奋.
高中学生分组实验的固有的器材大多陈旧,精度差,学生也没有兴趣,复杂的实验设备很难分组演示,因此依据课程的需要设计特定的分组实验是我们任课教师所需要思考和解决的问题,就要求我们利用质量轻、体积小、易收集的物品,设计出让学生感觉可以解决,但需要合作探究,有一定的趣味性和挑战性的分组实验.比如有的学校开设的水火箭的设计,关于反冲器具的制作等活动.
3巧用玩具,另辟蹊径
玩具不仅是小孩子玩乐的工具,也是物理教学很好的辅助设备.利用其创设物理情境,可以很好的激发其学生的学习热情,比动画模拟要好.
比如在讲到运动学中的相对运动的时候,如果用小车和玩偶为道具,做一个情境剧,让学生来做解说,站台上的人看到小车在运动,而小车上的人看旁边的人是静止的,其课堂的教学效果比单纯的讲解或者多媒体展示鲜活得多,更为主要的是学生参与到活动中来.再比如教材上猎枪打猴子的习题,就可以用玩具猴做道具,进行演示.耳听为虚,眼见为实,学生见到玩具枪的子弹恰巧击中落下的猴子时,非常有趣且有力的证明平抛运动在竖直方向做的是自由落体运动.需要解决的问题是“子弹”射出时猴子要同步下落,“子弹”要足够大,“枪”离“猴子”的距离要足够远,而且要足够准.另外最好把场景录下来.同步的问题比较好解决,可以在猴子的脑子里放一个小铁块,高处安置电磁铁,扣动扳机的时候切断电源,完成子弹的飞出和猴子的下落同步;子弹可以用玻璃球做,质量不能太大也不易太小,“枪”可以用弹射器来做;瞄准可以用一根细线或长木尺平行“枪管”和“猴”相连,有水平仪是最好的,高度要保持一致.整个过程需要用摄像机或数码相机录下,做完实验后用超级解霸慢放.学生可以十分清晰的见到“子弹”在空中运动时在竖直方向上和小猴一起下落的情形,真正感受到说到不如做到.
高中物理课程比较紧张,教师用于准备实验的时间和器具比较有限,而实验对于学生学习的意义迫使我们要进行必要的准备,自制教具是高中物理实验教学必要的技术支持,器材复杂、精密,可以让实验更精确,但普遍大量使用有难度,上面提到的教具虽然简单、粗糙,精度不足,但使用灵活方便,有着良好的教学效果,做到了小成本大收获.表2器 材1规格待测电阻Rx1阻值在900 Ω~1000 Ω之间电源E1具有一定内阻,电动势约9.0 V电压表V11量程2.0 V,内阻r1=1000 Ω电压表V21量程5.0 V,内阻r2=2500 Ω电流表A1量程3.0 A,内阻r=0.10 Ω滑动变阻器R1最大阻值约100 Ω,额定电流0.5 A开关S、导线若干1为了能正常进行测量并尽可能减少测量误差,实验要求测量时电表的读数大于其量程的一半,而且调节滑动变阻器能使电表读数有明显的变化.试设计满足要求的测量Rx阻值的电路.
解析本题虽然没有电流表,但是电压表V1已知内阻,相当于量程为2.0 mA的电流表,所以电路设計如图2.
总结提升本题中有两个电压表而没有电流表,似乎不能用伏安法测电阻,但是电压表的内阻已知,而电压可直接读数,于是通过它的电流就已经知道了,即相当于一个电流表.所以一个已知内阻的电流表可以当电压表使用,而一个已知内阻的电压表可以当电流表使用.
2.2升级之二:活用定值电阻
题3(全国高考题)从下列器材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,有尽可能高的精确度,并能测得多组数据.