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浅析电学实验中的电路设计型试题
变阻器的限流和分压作用的选择
滑动变阻器在电路中有两种接法：分压式接法和限流式接法。
当滑动变阻器用作限流时，其连接如图4所示，它是把滑动变阻器串联在电路中，用以控制或调节电路中的电流。此电路中待测电阻RX两端的电压的调节范围是ERX/（RX+R）~E。
当滑动变阻器用作分压时，其连接如图5所示，它是从滑动变阻器上分出一部分电压加在待测电阻上。其优点是当它的滑片从a端向b端滑动时，待测电阻RX两端的电压可从零开始连续变化到所需电压（限流式则不能），且电压的调节范围是0~E，比用作限流时要大。

图4图5
变阻器的接法的选择可以根据以下条件判断：
1、以下几种情况一般选分压电路：
①要求被测电阻两端电压变化范围较大，如有些实验要求画出U——I图象的，或要求电压从零开始连续可调的。
②若用限流接法接成电路，电路中的最小电流仍大于待测电阻的额定电流或电路中电流的额定值的。
③滑动变阻器的电阻R<<RX，为使电流有明显的变化也应用分压电路。
2、若滑动变阻器的阻值R>RX，两种电路都符合要求，选限流接法，具有省电、电源负担轻、电路连接简便的优点，应用限流法。
3、限流式适合测量阻值小的电阻（跟滑动变阻器的总电阻相比相差不大或比滑动变阻器的总电阻还小）。分压式适合测量阻值较大的电阻（一般比滑动变阻器的总电阻要大）。
例1：用伏安法测量一个定值电阻，有以下实验器材：
待测电阻RX，（约100Ω）；直流毫安表（量程0~10mA，r=50Ω）；直流电压表（量程0~3V，r=5kΩ）；直流电源（E=4V，内阻不计）；滑动变阻器（0~15欧，1A）；电键一个；导线若干。
根据器材的规格和实验要求，请设计实验电路图。
分析：先确定采用电流表内接法还是外接法，RX/RA=100/50=2；RV/RX=5000/100=50，采用电流表外接法。再确定变阻器采用限流式接法还是分压式接法，若用限流式接法，当变阻器阻值最大时，电路中电流最小I=E/（RX+RA+R）=0.024A,已超过电流表量程，故必须用分压式。实验电路如图6：图6
三、实验器材的选择
对实验器材的选择，一般是根据实验原理,掌握“可行”、“精确”、和“方便”的原则。
“可行”是指选用的实验器材要能保证实验的正常运行，比如，线路中的限流电阻必须满足要求，确保电流不能超过允许值；通过电流表的电流或加在电压表上的电压均不能超过它们的量程；通过电源、滑动变阻器的电流不能超过额定值。所有的器件都必须符合实验要求。
“精确”是指选用的实验器材要考虑尽可能的减少实验误差。比如，如果实验原理不考虑电源和电流表的内阻及电压表的分流作用，就必须选用内阻小的电源和电流表及内阻大的电压表；电流表和电压表在使用时，要用尽可能使指针超过半偏以上，接近满刻度的量程，因为这样可以减少读数时的误差，使用欧姆表是宜选用指针尽可能指在中间刻度附近的倍率挡位，因为高阻值区的刻度较密，电阻值不易读准，误差大；而接近零刻度处虽然刻度较稀，读数误差小，但乘上相应的大倍率，误差同样也会变大。
“方便”是指选用的实验器材要便于操作。比如，对于那种高阻值滑动变阻器，尽管其额定电流值满足要求，但如果在实验中实际使用时只用到其中很少有部分的线圈，这样滑动触头只能在很短的范围内调节，使用起来很不方便，不便于操作，就不宜选用了。
例2：为了测定一根长20.00cm、直径为0.220mm的镍铬合金丝的电阻率(电阻率约为1×10-6Ω.m)，提供以下器材：
（A）电动势为15V的直流电源一只；（B）量程为0~200μA、内阻约为3.7KΩ的电流表一只；（C）量程为0~20mA、内阻约为40欧的电流表一只；（D）量程为0~2A、内阻约为0.4欧的电流表一只；（E）量程为0~12V、内阻约为40K欧的电压表一只；（F）量程为0~15V、内阻约为50K欧的电压表一只；（G）阻值为0~10欧、额定电流为1A的滑动变阻器一只；（H）阻值为0~1000欧、额定电流为0。01A的滑动变阻器一只；（I）电键一个；（J）导线若干。
现采用图7所示电路进行测定，请按实验需要，选出适当的器材。图7
解析：应选(A)(C)(E)(H)(I)(J)
由于电源只有一个，(A)必选。由R=ρl/s，算出镍铬合金丝的电阻约为526欧，先不考虑电流表、滑动变阻器的阻值，估算出电路中的最大电流为Im=15/526=28A，可知电流表选(C)，只要控制电路中的电流不超过20mA就行，由于电源电动势才15V，考虑到滑动变阻器等器材的分压，合金丝上的电压可被控制在12V内，电压表选(E) 。由于阻值0~10欧的滑动变阻器调到最大阻值时，电路中的电流仍超过所选电流表的量程，所以滑动变阻器只能选(H)。另外，(I)和(J) 则是必选。
四、注重创新性物理实验的训练
创新性实验试题从解题要求来看，可分为两类：一类根据课本中已经出现过的物理实验的基本原理，所使用的基本材料，以及在这些实验中学过的有关方法，设计一些新的实验问题，让学生按照实验设计方案及要求，完成实验有关内容；另一类是提供有关的实验器材以及实验要求，让学生根据有关知识以及在实验中学过的方法，自己设计实验方案，并完成实验。这已成为近几年高考实验试题的一个新特点。
例3:(2005年高考22题)利用图中（实物图略）给定的器材测量电压表V的内阻RV,图中B为电源(内阻可忽略不计),R为电阻箱,K为电键.1、将图中实物连接为测量所用的电路。2、写出实验中必须记录的数据（用符号表示），并指出各符号的意义：_______________3、用2中记录的数据表示RV的公式RV=___________(解略)
在解答第一类问题时，要认真分析实验的设计原理，搞清实验电路的结构，明确实验的操作方法与步骤，然后结合在实验中学过的有关方法并运用所学知识加以分析和推理，进而完成实验内容与要求。
在解答第二类问题时，要透彻理解实验的目的与要求，明确所提供的器材在实验中的作用，然后结合实验中学过的方法及有关知识，设计合理的实验方案，进而完成实验要求。
例4:从以下器材中选取适当的器材，设计一个测量阻值约为15K 的电阻RX的电路，要求方法简捷，RX两端的电压从零开始变化，要尽可能提高测量的精度。电流表A1：量程300μA，内阻r1=300Ω，电流表A2：量程100μA，内阻r2=500Ω，电压表V1：量程10V，内阻r3=15K ，电压表V2：量程3V，内阻r4=10KΩ ;电阻R0：阻值约为25Ω，作保护电阻用，额定电流为1A，滑动变阻器R1，阻值约为50Ω，额定电流为1A，滑动变阻器R2，阻值约为1000Ω，额定电流为1A，电池组E：电动势3V，内阻很小但不可忽略，开关及导线若干。应选用的器材是：________，画出实验电路图，在所测数据中选一组计算RX，计算表达式为RX=_________。
分析：因电动势为3V，故电压表选V2，通过待测电阻的最大电流为Imax=3V/15KΩ=200μA，因此电流表选A1，考虑电流表的内外接法时，通过计算临界电阻R0=√RA.RV=1730Ω，RX>R0，按大电阻处理，应选内接法，但是该实验中的电压表内阻精确已知，从而可求得电流表的电流，然后通过电流表测得干路电流，两者之差即为流过待测电阻的电流，这样避免了内接法中由于电流表分压引起的误差，故选为接法。待测电阻的表达式是RX=U2/（I1-U2/r4）。
因为题中要求待测电阻两端的电压从零开始变化，所以滑动变阻器用分压接法,选用小电阻的R1，电路图如图8：图8
总之，我认为只要在掌握课本中两个基本实验“伏安法测电阻”、“测定电源的电动势和内阻”的原理的基础上，在具体的实验操作中总结规律，鼓励发散性思维、创新性思路，进行适当针对性的训练，是可以让我们的学生充分地掌握电学实验中的电路设计方法和轻松地解答这类题型的。