创造性电阻的恒定测量_电流表论文

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测量导体的电阻是大纲和考纲要求的一个重要学生分组实验,因其层次感强,内涵丰富,考查功能明显而倍受高考命题专家的青睐,已成为高考命题创意不断的一个热点。

1 实验原理的创意

谈到测量电阻,便会想到“伏安法”,似乎“伏安法”成了测量电阻的代名词,高考命题则独辟蹊径,将电阻的测量原理进行了适当的延伸与拓宽,使教材中某些隐性知识(欧姆表原理)的考查成为可能。

例1 (98年全国题)用图示电路测定未知电阻R[,x]的值,图中电源电动势未知,电源内阻与电流表内阻均可忽略不计,R为电阻箱。

(1)若要测得R[,x]的值,R至少需要取________个不同的数值。

(2)若电流表每个分度表示的电流值未知, 但指针偏转角度与通过的电流成正比,则在用此电路测R[,x]时,R至少需取_______个不同的数值。

(3)若电源内阻不可忽略,能否应用此电路测量R[ ,x]?答:__

_______。

解:初看此题既非学生实验,又非演示实验,既非伏安法,又非测电源,情景确实新颖。若考生看到题目要求测电阻R[,x], 将思维囿于“伏安法”而不能自拔,恐怕解答此题很难成功。反之,若考生学懂了电路原理,理解了电路的基本规律是欧姆定律,由题给电路图联想到用闭合电路欧姆定律来解答此题,问题便会迎刃而解。

(1)当不计电源内阻和电流表内阻时,设电阻箱阻值为R,电流表示为I,由闭合电路欧姆定律可写出

ε=I(R+R[,x])①

但因为电源电动势未知,所以仅由上式无法求出R[,x], 由数学知识可知,还应再列出一个关于ε和R[,x]的方程,即使电阻箱阻值为R′,电流表示数为I′。

ε=I′(R′+R[,x])②

解得R[,x]=(IR-I′R′)/(I′-I[,1]) ③

于是可以判定,R取2个不同数值即可。

(2)设电流表每一分度表示的电流为I[,0],电阻箱阻值是R[,1] 、R[,2]时,电流表指针分别偏转n[,1]和n[,2]个分度,则I[,1]=n[,1]I[,0],I[,2]=n[,2]I[,0],将I[,1]、I[,2]代入③得

R[,x]=(R[,1]n[,1]-R[,2]n[,2])/(n[,2]-n[,1]) ④

可见,最小分度电流值未知,并不影响R[,2]的测定, 其正确答案仍应是2个。

(3)若电池内阻不能忽略,则有ε=I(R+R[,x]+r), 用上述方法测得的应是R[,x]+r值,因r未知,R[,x]便不能确定,答案应该是否定的。

2 实验器材使用的创意

电压表是测量电压的仪表,一般应将其并联在电路中使用,高考命题则反其道而行之,只有将伏特表串入电路才能测出被测电阻的阻值,设计之巧,令人拍案叫绝!

例2 (94年上海题)有一只电压表,量程已知,内阻为R[,v],另有一电池(电动势未知,但不超过伏特表的量程,内阻可忽略)。请用这只电压表和电池,再用一个电键和一些连接用导线,设计测量一高值电阻R[,x]的实验方法。(已知R[,x]的值与R[,v]相差不大)

(1)画出实验电路图

(2)简要写出测量步骤和需记录的数

3 实验设计思想的创意

测量电阻实验的设计思想,一般是从电阻概念R=U/I进行考虑, 设计者总是就如何才能测出被测电阻两端的电压及被测电阻中通过的电流着手设计实验方法及步骤。高考命题则摆脱这一羁绊,以新的角度审视和设计电阻的测量实验,给人以耳目一新之感。

例3 (97年上海题)某同学用以下器材测量电阻:①电流表; ②电阻箱;③单刀双掷电键(这种电键在掷刀a倒向b时ab接通,倒向c 时ac接通);④待测电阻;⑤电源;⑥限流电阻,如图3所示, 实验方法是利用单刀双掷电键分别将电阻箱和待测电阻接入电路,用电阻箱替代待测电阻的方法来测定待测电阻的阻值。

(1)在图中完成电路的连接(其中有2条导线已接好)

(2)本实验中开关应先接通的是含有_________(填“待测电阻”或“电阻箱”)的电路,用开关变换电路,调节电阻箱使两次测量______大小相同,这时待测电阻的值可以从________上读出。

解:该题的实验设计思想是等效替代法,即两个电阻分别接入同一电路,若接入后,两次电路中的电流强度相同,则说明这两个电阻阻值一样,当知道其中一个电阻的阻值大小时,便可知道另一电阻的阻值大小。因此,问题(2)的三个空应分别填入“待测电阻”、 “电流强度”、“电阻箱”,进而便可知道实物电路的连接方法。此处从略。

4 实验目的的创意

例4 (96年上海题)如图4所示,P 是一根表面均匀地镀有很薄的发热电阻膜的长陶瓷管(其长度L为50cm左右,直径D为10cm左右),镀膜材料的电阻率ρ已知,管的两端有导电箍MN,现给你米尺, 电压表V,电流表A,电源ε,滑动变阻器R,电键K和若干导线, 请设计一个测定膜层厚度d的实验方案。

(1)实验中应测量的物理量是_______。

(2)在虚线框内用符号画出测量电路图。

(3)计算膜层厚度的公式是________。

解:从题目给定的实验器材看,用伏安法能测出镀膜长陶瓷管的电阻。可题目则要求测定膜层厚度d,尽管题目给有刻度尺, 但因题中已明确强调膜层“很薄”,显然用刻度尺是无法测定d的大小。那么, 电阻与厚度有无关系?能否通过测定电阻从而测定d呢? 只要考生思维灵活点,是不难想到公式R=ρL/S的;进而想到S=2π(D/2)·d=πDd.至此,便沟通了题给器材与膜厚d之关系, 使两个看似风马牛不相及的实验现象有机地融为一体,可以说,本题是实验目的创意之典范。

5 实验技能的创意

用“伏安法”测电阻,似乎必须用伏特表和安培表,然而,当缺少两表中的某一个电表时,是否还能用“伏安法”测量电阻呢?

例5(99年全国题)图5为测量电阻的电路,R[,x]为待测电阻,R的阻值已知,R′为保护电阻,阻值未知,电源E的电动势未知,K[,1]、 K[,2]均匀为单刀双掷开关,A为电流表,其内阻不计。

(1)按图5所示电路,在图6的实物图上连线。

(2)测量R[,x]的步骤为:将K[,2]向d闭合,K[,1]向_____闭合,记下电流表读数I[,1],再将K[,2]向c闭合,K[,1]向______闭合,记下电流表读数I[,2]。计算R[,x]的公式是R[,x]________。

解:该题初看似乎并非是“伏安法”测电阻,可仔细审视实验原理图就会发现:当K[,1]接a、K[,2]接d时,电流表与已知电阻R 串联后又与R[,x]并联,此时与R这一整体可视为一电压表(电压表改装原理),若此时的示数为I[,2],则“等效伏特表”的示数为U=I[,2]R,由R=U/I知:R[,x]=I[,2]R/I[,1]。由此可见, 本题的实质是将伏特表一分为二,再通过两个单刀双掷开的有效组合,使老生常谈的“伏安法”也呈现出勃勃生机。

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