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电学实验的每一个实验装置在整个实验中发挥着重要作用,可以说牵一发而动全身,只要改动一个装置,整个实验过程都会发生变化,而且这一新实验所包含的内容都是电学部分的重要内容,如电阻的测量、小灯泡的伏安特性曲线等。我们在进行电学实验操作的时候,不能每个实验步骤都照搬老师的演示,而是需要在其基础上进行创新,这样才能在准确掌握实验操作方法的基础上扩展知识储备,发散思维。我在总结老师所演示的电学实验的基础上,对其进行创新设计,如下:
一、设计原则
1.科学性在对电学实验进行创新设计的时候,一定要保证实验设计和实验过程具备科学性,这样才能保证实验的开展有所依,能够顺利开展。2.安全性因为自主实验是由我们学生自己动手操作的,所以安全第一。为了保证实验安全,我们需要从选择实验器材入手,如所选用的电压表或者电流表的量程不能小于被测电压或电流的最大值。在实验的过程中也要设置一定的安全装置,如当实验操作过程中针对电器额定电流过小这一问题,我们可以设计分压式供电电路,来保证实验操作中电流充足。3.便捷性在电学实验操作的过程中,我们需要选择一些常用的器材,这样可以为实验开展提供充足的设备,在实验操作的过程中可以选择方便易行的方法。如在测量电阻的时候,我们在保证实验条件可行性的基础上采用替代法来进行,以此保证实验简单、易操作。4.准确性实验操作的每一个环节,每一个步骤都要保证准确,因为一旦有误差存在,就会使得整个实验所获得数据出现偏差,不符合实验要求。由于学生的物理知识能力有限,不可能做到实验零误差,因此我们需要在误差允许的范围内来选择误差较小的方案,如在使用电表之前要记得进行机械调零;选择电流表量程的时候,要在确保实验安全的前提下选择较小的量程,测量的时候指针应该偏转到满刻度的1/3以上……
二、设计思路
设计思路是指在实验之前对整个实验操作过程做到胸中有竹,在规范的实验操作流程中践行实验。我在进行电学实验的时候,一般会按照“实验器材选择实验电路图设计实验步骤确定实验操作用测量表示的待测量的表达式实验分析(其中以分析误差为重点)”这一思路。
三、实验操作
在进行“测量电阻”这一实验操作的时候,我一般会用比值法来对实验进行创新。1.实验原理串联电路电阻与电压成正比;并联电路电阻与电流成反比。2.创新实验在“测量电阻”的时候,我会根据以上的实验原理,采取两种不同的实验设备来进行对比实验,从比较不同的实验数据中获取实验结果。(1)选择一个理念的电流表、待测电阻R1和定值电阻R,单刀双掷开关、电压表、两个非理想电流表;(2)设计短路图。(3)对比实验操作。第一,选择一个理想的电流表先后测量两个并联电阻两端的电流(图一)。在实验过程中我会利用单刀双掷开关改变电流表的位置,测出流过两个电阻(待测电阻R1和定值电阻R)的不同电流,然后根据“并联电路电阻与电流成反比”这一原理来算出R1的阻值。第二,选择两个非理想的电流表分别测量两个并联电阻的电流(图二)。实验过程如上。在这两个对比试验操作过程中,我们可以将自己所学到的物理基础知识引入其中,对老师所演示的简单实验进行加工,在实验操作复杂的基础上融入更多的相关知识,实现知识迁移。总之,在高中物理电学实验操作中,我们可以对传统教师简单的实验操作进行升级创新,在改进实验操作步骤的基础上,深化实验操作,以此提高实验操作水平。
参考文献:
[1]柯璋.高中物理教学中创新实验的设计与实践[J].中国校外教育,2015.
1功能电路
按照功能划分电路,是电子线路的观点,将此观点运用于高中电路的学习,有助于搞清楚电路各部分的作用,实践证明,这种观点和方法是卓有成效的.高中阶段按照功能电路的观点来看,电路可分为四种或四部分,分别是供电电路,测量电路,保护电路和校对电路,其中主要的是供电电路和测量电路.
1.1供电电路
顾名思义,供电电路负责给电路供电,一般包括电源和滑动变阻器两个元件.供电电路有三种方式:
第一种是初中学过的、拿电源直接给用电器供电;
第二种就是高中学过的分压式供电电路,如图1所示;
第三种就是限流式供电电路,如图2所示.
关于供电电路是选择分压式还是限流式已有多篇文章分析过,本文不再赘述,只用16字简单总结一下:零起必分,滑小必分,滑大可限,烧表必分.
1.2测量电路
顾名思义,测量电路负责对电路中的相关量进行测量,因为高中物理中的电学测量工具只有电压表和电流表及万用电表,故而测量电路这部分主要就是伏安电路.由于电表本身有内阻,方法上又分为外接法和内接法,外接法适合测量小电阻,测量值小于真实值,内接法适合测量大电阻,测量值大于真实值,可简单总结为“外小内大”.需要注意的是,测量电路它具有的就是测量功能,故而电路中相关量的测量与计算只看这部分电路即可,不需去管供电电路.
1.3保护电路
保护电路实际上就是一个电阻,它负责保护测量电路.一般是在供电电路和测量电路对接的时候接保护电路即可.
这种电路主要是在把电表改装后需要与标准表进行校对,校对不仅仅是把改装表和标准表连在一起就行了,我们需要给它提供一个完整的电路,这个电路就叫校对电路.
有了功能电路的思想后,我们再看电学实验主要测什么.
2三个测量
高中电学实验归纳起来就是三个测量:测电阻,测电表,测电源.
测电阻就是测量电阻的阻值,测电表就是测非理想电表的内阻,测电源就是测电源电动势和内电阻.那么这些量的测量各有几种方法?
2.1测电阻
测电阻可归纳为以下几种方法: ①欧姆表法;②电阻的决定式;③伏安法;④比例法;⑤等效替代法.
其中等效替代法不仅是高中物理任何一个实验都可以用的方法,更是一个用途广泛、道理简单、使用方便的方法,应该引起我们的高度重视.
2.2测电表(的内电阻)
测电表可归纳为以下几种方法:①欧姆表法;②伏安法;③比例法(半偏法);④等效替代法.
由于测电表的内电阻本质上仍然是测电阻,故而测量方法与测电阻的方法基本一致.但是电表本身能够自报读数,在知道电表内阻的情况下可以伏安互换,一表三用,就又衍生出了许多测量方法,但仍然体现了测电阻的共性方法.
2.3测电源(的电动势和内电阻)
测电源可归纳为以下几种方法:①两表一电阻;②一表两定阻;③理想电表法.
该实验从原理上来讲就是闭合电路欧姆定律,需要关注测量电路,对闭合电路欧姆定律变形得出符合图象的函数表达式,结合图象由斜率和截距等来求电动势和内阻.
3举例说明
例1实验室备有以下器材:
待测电阻Rx;
不能看作理想表的电流表A;
不能看作理想表的电压表V;
滑动变阻器R1;
电阻箱R(最大阻值大于待测电阻的估计值);
低压直流电源,导线、开关若干.
(1)利用所提供的器材,设计一个测量R的实验方案,要求避免由于电压表和电流表不能看作理想表对实验造成的误差.画电路图.
(2)简述实验原理、实验步骤.
解析首先明确实验目的就是测电阻,但题目中给的是非理想表,而且要避免由于非理想表引起的误差,那么在测电阻的五个方法里面筛选,欧姆表法和电阻的决定式法不能用,伏安法必须考虑电表的内阻,也不能用,剩下的就是[TP1GW113.TIF,Y#]比例法和等效替代法,很显然,等效替代法是最简单的,因此从方法上选择等效替代法.
接好的电路如图3.
在等效替代法中,被测物和替代物不能同时接入电路中,因此我们用了两个开关加以控制.要让它完成实验必须要有供电,我们用了一个限流的电源.
主要的实验步骤就是:(1)闭合总开关S3,然后闭合S1,使被测电阻Rx接入电路,读出电流表的读数;(为了读数方便,我们可以调节滑动变阻器得到一个比较方便的读数,其实这个地方的电流表只起一个记录的作用) (2)断开S1,闭合S2,使电阻箱接入电路,调节电阻箱,使电流表的示数重复出现,这时电阻箱的示数就是待测电阻的阻值.
我们完成一个实验,首先要知道它测什么,知道这个测量有几种方法,再根据已给出的器材就能够决定我们用什么方法,就能够画出相应的电路图.
例2从下表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.要求方法简洁,有尽可能高的测量精度,并能测得多组数据.
(1)画出电路图,标明所用器材代号;
(2)若选测量数据中的一组来计算,则所用的表达式是什么?各符号的物理意义是什么?
[HT6][WB]器材:[WB]规格:
[DW]电流表A1(待测物)[DW]量程10 mA,内阻r1待测(约40 Ω)
[DW]电流表A2[DW]量程500 μA,内阻r2=750 Ω
[DW]电压表V [DW]量程10 V,内阻r3=10 kΩ
[DW]电阻R1[DW]阻值约为100 Ω做保护电阻用
[DW]滑动变阻器R2[DW]总电阻约为50 Ω
[DW]电池E[DW]电动势1.5 V,内阻很小
[DW]电键S
[DW]导线若干
解析首先明确实验目的是测电表内阻,那么思考改用什么测量方法呢?由测电表的四种方法,很多同学容易想到伏安法,那么我们画出伏安法的测量电路这一部分,一般有三种画法: 我们比较三种做法,第一种(见图4),原理正确,但被测物是电表,可以自报读数,只需要再测出表A1的电压即可,这里多用了一块电表,不符合“方法简单”的要求;第二种(见图5),比第一种简单,但根据已知条件电压表的量程是10 V,电源的电动势是1.5 V,即使将电源直接接到电压表上,表针的摆动幅度也只有1.5/10格,无法达到比较高的测量精度,这个缺点在第一种图中也同样存在;第三种(见图6),因电表A2的内阻已知,所以可以把它当电压表来用,即伏安互换,互换之后的量程是否满足要求呢?根据已知条件A1的满偏电流10 mA,内电阻约为40 Ω,那么这个表的满偏电压是0.4 V.A2的满偏电流500 μA,内电阻750 Ω,那么这个表的满偏电压0.375 V,量程相近,满足题目要求.
由于被测量的表达式只由测量电路决定,与其它电路无关,所以画出测量电路后,被测物理量的表达式自然出现,
下面我们看该电路的其它部分:
在图7中使用的是限流式的供电电路,用分压式可以吗?当然可以.用电源直接供电呢?不行,因为它不能满足题目测量多组数据的要求.
另外,保护电路就是一个电阻(见图8),在测量电路和供电电路对接的时候加上这个保护电阻即可,教学中发现,很多学生不能识别定值电阻的用途,不知道它是做保护电路使用,故而出现了许多不应该出现的问题.
例3如图9所示,图中E为直流电源,R为已知电阻,V为理想电压表,其量程略大于电源电动势,S1和S2是开关,现要利用图中电路测量电源的电动势E和内阻r,试写出主要实验步骤及结果的表达式.
解析实验目的是测电源电动势和内电阻,题中给了一个理想电压表,并且量程大于电源电动势,筛选测电源的方法,可以用理想电压表直测.把S1断开,S2闭合,则电压表的读数U1就是电源电动势.
关键词:教学;自感现象;方法;电路;初始值;稳定值;瞬时值
普通高中课程标准实验教科书《物理》选修3-2中《自感》一节的教学中,涉及通电和断电的自感现象。在断电自感现象的实验中,都少不了要观察现象:断电瞬间,灯泡要“闪亮”后再熄灭!以此现象来说明:断电后,由于回路中出现感应电流,在灯泡断电后极短时间内要继续发光,延迟熄灭。由此展开对自感现象的讨论,分析。当涉及为什么会“闪亮”后再熄灭的现象时,必然要分析讨论到流经灯泡中的电流大小。在实际的教学中,笔者感到:这是一次对电学知识中,电路(回路)、欧姆定律应用的又一次训练的绝好机会,应充分展开讨论,抓住这一契机,让学生得到一次充分的思维训练。并体会总结出解决这一类问题的方法步骤,真正的能达到提高能力的作用。以下我们就以实例做示范讨论。
实例1、如图一:电路由线圈(L),灯泡(D),开关(S),电池(E)组成。当S断开时,在什么条件下,才能观察到灯泡出现“闪亮”后熄灭?
分析:在S闭合且稳定状态下,电路是:L与D并联作为外电路。此时L、D中电流分别为:IL=URL,ID=URD(RL为线圈直流电阻)。当S断开的瞬间,L中产生自感电动势―阻碍L中电流减小(从ⅠL开始减小)。而此时电流的回路是c b a d。故电流I=IL=ID应从IL开始减小。若IL>ID(RL
从以上的实例分析:我们应感悟到:这类问题的分析要求学生必须:
1.分析清楚两个状态:S闭合时状态,S断开时状态。
2.两个状态中的电路联接情况(一般情况下是不相同的)。
3.自感现象阻碍原电流的变化,那么原电流初始值多大。
4.根据电流的变化判定出现的现象。
这4点不仅仅是解决这类问题的方法步骤,同时也是考查学生的知识和能力的要点,也是作为教学中要突破的重点和难点。所以本人认为在教学过程中要着力的围绕这4点开展教学和对学生的训练。下面我们再来看一看实例。
实例2如图二A.B是两个完全相同的灯泡,L是较大的理想线圈,当S闭合与断开时,会看到怎样的现象?
分析:1)S从断开到闭合过程中:原来IL=0,IA=0,IB=0,后来(闭合时)电路的联接为:R外=(RL//RA)+RB+R。线圈中产生感应电动势阻碍IL从零开始增大。故S闭合瞬时:IL=0,此时电流的回路是SBadAcbR回到电源负极,故灯泡A、B应同时亮。
2)S从闭合到断开过程中:原来(S闭合稳定时),a,b短路(L是理想线图)电流回路:电源正极SBabR电源负极。此时IB=IL(B亮着),IA=0(A熄着)。当S断开时:L发生自感,此时的电流回路bcAdab,故A要闪亮后熄灭,B则立即熄灭。(电容的作用可不考虑,因题中L是较大理想线图)。
实例3.如图三L1L2相同的灯泡,L为自感系数很大的线圈,其直流电阻与R相同,问S合上后待稳定又断开,L1,L2两灯的亮暗顺序是什么?
分析:1)S从断开到合上过程:原来(S断开),IL1=0,IL2=0,IL=0。后来(S合上时)L中发生自感,阻碍ⅠL从零开始增大。此时电路联接R外=RL1+(RL2+R)故得出IL1>IL2,所以L1先亮,L2后亮。稳定后R外=(RL1//RL)+(RL2//R)。故L1,L2一样亮。
2)S从合上到断开过程:S合上且稳定时,IL1=IL2。灯泡一样亮。IL=IR。S断开时。L发生自感,此时电流经f c b a f回路且从IL开始减小。故L2立即熄灭,而L1后熄灭。
实例4,如图四电流为E,r,L电阻不计,R值大于RD,t=0时,闭合S,过一段时间后,在t=t1时断开S,则画出VAB随t变化的图象是:
1.使用多用电表直接测量
多用电表是高考考试说明明确要求掌握的常用仪器,其中欧姆档的使用方法是高考考查的重点,只不过这种方法对电阻的测量是粗略的.
例1(2011年安徽第21题Ⅱ)(1)某同学使用多用电表粗略测量一定值电阻的阻值,先把选择开关旋到“×1 k”挡位,测量时指针偏转如图1所示.请你简述接下来的测量过程.
④测量结束后,将选择开关旋到“OFF”挡.
解析本题考查多用电表的使用步骤.
①断开待测电阻,将选择开关旋到“×100”档;
②将两表笔短接,调整“欧姆调零旋钮”,使指针指向“0 Ω”;
③再接入待测电阻,将指针示数×100,即为待测电阻阻值.
2.伏安法测电阻
伏安法测是的原理:用安培表把流过Rx的电流I测出来,用电压表把Rx两端电压U测出来,再根据欧姆定律(Rx=UI)将Rx求出来.
根据这一原理,设计测量电路时,必须有电压表和安培表,同时还要满足三个条件:第一,选好电压表、安培表的量程,量程太大或太小,都会违反读数原则;第二,正确选择安培表
一、在测量电阻时的通常方法是“伏安法”
在用伏安法测量电阻时有分压电路和限流电路的选择、电流表内接和外接的选择、电流表和电压表量程的选择、滑动变阻器的选择以及电源的选择等问题。
(一)分压和限流电路的选择
看滑动变阻器的阻值与被测电阻值之间的关系。
1.若R变<Rχ,通常选分压电路。
2.若R变>Rχ通常选限流电路。
3.若R变~Rχ分压和限流电路均可,但最好选限流电路。
4.当变阻器的所有电阻都联入电路时,用电器的电压、电流都会超过额定值时应采用分压电路。
若题目中要求测量电路的电压从零开始或要求测多组数据,则要用分压电路。
(二)内外接电路的选择
判断方法主要有3种情况。
1.已知RA则选择内接法,因为内接法时有R测= R真+ RA所以此时没有系统误差,理论上可得到RA的真实值;同理已知RV时则采用外接法,因为外接法时有1/R测=1/ R真+1/ RV所以这时也没有系统误差。我们在选用内外接法时应首先考虑此种方法。
2.比较法:若RV/Rχ>Rχ/RA,则选用外接电路;若Rχ/RA>RV/Rχ则用内接电路。也可用试触法选内外接电路。
3.试触法:如图我们分别把开关K与a,b接触,得到两组U,I数据,然后比较电压与电流的变化率(不是变化量)的大小关系,电压表变化率大,则说明电流表分压明显,则我们选择外接法,电流表率大则说明电压表分流明显,我们选择内接法。
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我们在判断的时候应依次判断,因为第一种方法最为准确没有系统误差,第二种方法较为简便。当然具体采用哪种方法应根据题目中的具体情况而定。
(三) 电压表和电流表量程的选择
1.如果题目中给出用电器的额定功率(即隐含给出此用电器的额定电压和额定电流),这种情况要从保护被测用电器的角度出发,用电流表或电压表示数来控制用电器中的电流或用电器两端的电压。
2.如果题目中没有给出用电器的额定功率,则要从保护电流表和电压表的角度出发,要求测量的电流或电压的最大值不能超过电流表或电压表的量程。
3.在电流表和电压表的量程大于测量值的前提条件下,量程越接近测量最大值越好,即表盘刻度尽可能大范围利用,一定不能只利用其中的一小部分刻度。
(四)滑动变阻器的选择
在满足实验要求的条件下,要选用阻值比较小的变阻器(阻值越小,电阻的变化越平缓,不至于使测量电路中的电流或电压增加的非常突然,在调节时比较容易控制测量的物理量的变化,即调节方便)。一般情况下分压式电路,在保证安全的前提下,电阻阻值越小越好;而限流式接法一般要求变阻器的阻值为被测电阻的2—5倍为宜。
二、几种测电阻的方法
(一)伏安法
利用伏安法测量定值电阻的类型我们的课本及各类参考书中已有详细介绍此处不再赘述。这里我们介绍一下利用伏安法测量电表内阻的类型。
例:某电压表的内阻在 20k Ω~ 50k Ω之间,现要测量其内阻。实验室提供如下器材:
待测电压表 V (量程 3V )
电流表 A 1 ( 量程 200 μ A)
电流表 A 2 ( 量程 50mA)
电流表 A 3 ( 量程 0.6A)
滑动变阻器 R (最大阻值 1 k Ω)
电源 E ( 电动势 4V)
开关、导线
1.所提供的电流表中,应______________
( 填字母代号 )。
2.为减小误差,要求多测几组数据,试画出试验原理图 。
探究:把“待测电压表 V ”看作一个能够说出自身两端电压的电阻,且该电阻可以显示自己的电压,无需另外测量。根据欧姆定律,我们只需测出其电流即可。器材也恰恰有电流表,从理论方面讲,问题可完全解决。电流表选哪块呢?由电压表的规格可算出其满偏电流不会超过 150 μ A ,从精确度和电表的安全角度考虑,应选量程 200 μ A 的 A1 。工作电路中的滑动变阻器应采用分压式。电路图如图所示。
(二)等效替代法
原理:将电键接到1处,读出电流表A2的数值,然后将电键接到2处,调节电阻箱R1使A2的数值回到原来值,此时R1的电阻 就等于A1的内阻。
例:为了测量一微安表头A的内阻,某同学设计了如图所示的电路。图中,A0是标准电流表,R0和RN分别是滑动变阻器和电阻箱,S和S1分别是单刀双掷开关和单刀开关,E是电池。完成下列实验步骤中的填空。
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1.将S拨向接点1,接通S1,调节________,使待测表头指针偏转到适当位置,记下此时_____的读数I;
2.然后将S拨向接点2,调节________,使________,记下此时RN的读数;
3.多次重复上述过程,计算RN读数的________,此即为待测微安表头内阻的测量值。
解析:以等效法测电流表电阻为背景考查电学实验的一般思路与方法,涉及闭合电路欧姆定律。(1)将S合向1,闭合S1,将Ro调至使Ao表指针偏转到接近满偏值的某值I,记下此示数。保持Ro不变;闭合S1将S合向2,调节RN使Ao表示数恢复到I。由于电源的电动势E、内阻r、Ro不变。因此,待测电流表的电阻等于RN。
答案:(1)Ro,Ao;(2)RN,电流表Ao的示数为I;(3)平均值。
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