当前位置: 电信器材 >> 电信器材优势 >> 电学实验中面临的选择
高中物理电路部分往往涉及实验仪器的选择、控制电路的选择等,如何根据已知条件进行这些选择是学生比较头痛的问题。
首先是安全的原则,没有安全保障的方案都是不行的,包括电源的安全、电表的安全、用电器的安全、滑动变阻器的安全。总之,不安全的方案直接否决。
通过电源的电流不超过最大允许电流,更不能将电源短路。选择仪器和设计电路都要估测通过电源的电流值,以确保电源安全。
电表不能测量超过其测量范围的电流和电压,下图是一个改装电流表的设计电路图,要求指出存在的问题。这个电路图中隐藏了一个超过G表量程的可能,当选择开关在1mA和10mA之间转换,选择开关处于空位时(未上下接触),两个分流电阻都没有接通,只有G表接入电路,没有分流电阻,G表有烧毁的可能。所以存在安全问题,改装安培表一般不选用这个电路。
要习惯使用串、并联电路的规律估算电路中通过电表的电流、电压范围,这是选择电表的依据之一,根据用电器的额定电压和额定功率,可以计算出额定电流,滑动变阻器也有最大允许电流,这是选择电表的另一个依据。选择合适的电源,结合以此估算电路的电流、电压值选择电表,才能保证它们的安全。
其次是匹配问题,在保证安全的前提下,电表的量程要与电源的参数匹配,还要与所测量的电流、电压相匹配。如电源电动势是3V,不可能选择量程是0∽15V的伏特表。又如电源电动势是4V,所测量的灯泡额定电压是3V,结合以上条件,应选择量程是0∽3V的伏特表,由于有滑动变阻器和电源内阻及其它部分分压,只要操作得当,一般不用担心电源电动势超过电压表的量程。
其三是误差大小的权衡,由于安培表、伏特表都有内阻,它们同时接入电路测某电阻的电流和电压时,总会有一个表的测量值不等于真实值,要根据测量原理中电表的作用,利用欧姆定律估算怎样连接误差更小。
例如用伏安法测电阻实验如图,伏特表的作用是测量待测电阻的电压,安培表的作用是测待测电阻的电流。
左图内接法中伏特表测量了待测电阻和安培表的总电压,多测了安培表的电压,而安培表与待测电阻串联,准确测量了待测电阻的电流,可见,伏特表读数大于真实值。
右图外接法中伏特表与待测电阻并联,准确测出了待测电阻的电内接法压,安培表则测量了伏特表和待测电阻的总电流,多测量了通过伏特表的电流,可见,安培表的读数大于真实值。
综上可知,如果待测电阻阻值远远大于安培表阻值时,安培表分得的电压很小,采用内接法误差较小。如果待测电阻阻值远远小于伏特表阻值时,伏特表分得的电流很小,采用外接法误差较小。
又如以下测电源电动势和内阻实验。
待测电动势只有1V,电压表的作用是测路端电压,所以选择量程为1V的伏特表。电路中滑动变阻器阻值为零时,估算电路中最大电流I=1V/Ω=2mA,选择2mA的电流表。滑动变阻器有两个可供选择,若选最大值为10Ω的,根据串联电路正比分压规律,它与电源内阻分压比约为10:=1:5,路端电压最大值约为1/6,其最大偏转约为满偏的1/6,显然不满足要求。所以滑动变阻器应选3kΩ。
再看电路图的选择,伏特表的作用是测路端电压,由于电源内阻为Ω,要使伏特表有比较合适的偏转角度,滑动变阻器的阻值也应调到几百欧甚至上千欧。
安培表的作用是测干路电流,若采用图B或C,则安培表只测量了滑动变阻器支路的电流,由于滑动变阻器阻值与伏特表内阻可比,伏特表所分电流较大,所以安培表测量误差较大。应将安培表接在干路上。当然,这样接伏特表又少测了安培表的电压,只不过安培表电阻值为1Ω左右,与其余电阻(电源内阻、滑动变阻器电阻、伏特表电阻)相比微不足道,分压很少,所以选择A图总体误差较小。
据此,读者可以自己分析要测量一节新的干电池的电动势和内阻时,应选用哪些器材和哪个电路最优。
高中电学实验控制电路主要有限流式和分压式控制电路。
前者是用较大电阻的滑动变阻器与测量电路串联来进行控制,测量电路的电压在滑动变阻器阻值调为零时,电压最大;在滑动变阻器阻值最大时,电压最小。由于滑动变阻器的阻值都可以调到零,所以选择不同的滑动变阻器对待测量电路的最大电压值没有影响,选择主要是控制电压的最小值,一般情况下,能把测量电路的电压调到电压表满偏电压的1/3以下就可以了,没有必要选择阻值非常大的滑动变阻器。
后者是用较小电阻的滑动变阻器与测量电路并联来进行控制,因为并联电路的等效电阻比阻值最小的支路电阻小,这样滑动变阻器部分电阻与测量电路并联的等效电阻近似等于滑动变阻器与测量电路并联部分的电阻,使测量电路的电流和电压在要求的合适的范围内变化。当与测量电路并联的部分电阻调为零时,测量电路的电流、电压都为零;当整个滑动变阻器的电阻都与测量电路并联时,测量电路的电流、电压最大(若无其它电阻与滑动变阻器串联,电源内阻很小时,则最大电压接近电源电动势)。
按照以上原则选择控制电路,可以实现对测量电路电流电压的控制,达到实验目的的要求。