正文 第13章 恒定電流的實驗操作與改進設計(1)(1 / 3)

串、並聯電路的兩個結論與比較法測電阻

結論1:兩個電阻R1、R2串聯按在一恒定的電壓U兩端,用一內阻為RV的伏特表分別去測量R1、R2兩端的電壓,讀數分別為U1、U2,則:U1/U2=R1/R2。

當伏特表並聯在R1兩端,由串聯電路的分壓原理有:

(R1RVR1+RV)/R2=U1(U-U1)令:R1/R2=a,由合比定理有:

aRV/[R1+(a+1)RV]=U1/U①同理,當伏特表並聯在R2兩端時有:

RV/[R1+(a+1)RV]=U2/U②由①/②得證:a=U1/U2=R1/R2。

結論2:兩個電阻R1、R2並聯接在一電流恒為I的電路中,用一內阻RA的安培表分別去測量流過R1、R2中的電流,讀數分別為I1、I2,則I1/I2=R2/R1。

當安培表與R1串聯時,由並聯電路的分流原理有:I1=R2I/(R1+R2-RA)③同理,當安培表與R2串聯時有:

I2=R1I/(R1+R2+RA)④由③/④得證:I1/I2=R2/R1從上述兩個結論可知,隻要保證測量電路兩端的電壓U(或電流I)一定,用比較法測量電阻Rx的值,其測量結果與伏特表(或安培表)的內阻無關。

按上述線路連線,當把○V1(或○A1)分別與Rx、R並聯(或串聯)時,調節滑動變阻器,使○V1(或○A1)的讀數不變,就可保證上述實驗條件:測量電路兩端的電壓(或電流)一定,這樣就可減少伏特表(或安培表)內阻對實驗結果的影響,從而提高實驗結果的準確性。

補償法測電阻的實驗設計

“全國中學生物理競賽”分理論和實驗兩個部分。在理論方麵,已引起了我們各級教練的足夠重視,知識培訓、思維訓練,各類資料也相繼出現了不少。但實驗培訓,還遠遠沒有達到應有的重視程度。其實,實驗也同理論一樣,是一個日積月累的過程,需要我們教練員在平時的教學中對學生進行不斷地訓練,才能使學生思路開擴,才能使他們的思維水平和實驗設計技巧不斷地提高。這裏,湖南師大附中姚自遠老師介紹了自己在“補償法測電阻”的實驗設計教學中的一些做法:

實驗器材(1)電源(幹電池兩節),標準電池(ε=101866V)1隻;(2)電阻箱R1(6轉盤,精確到01Ω),電阻箱R2(4轉盤,精確到1Ω);(3)檢流表1隻(有三檔:5V、01V、G檔),量程為1mA的安培表1隻;(4)待測電阻Rx(約為270Ω);(5)開關1隻,導線若幹。

施教步驟(1)根據本實驗提供的器材,先請學生設計出各種測量電路,發散思維、暴露缺陷。

(2)點評分析學生設計的電路中出現的問題,有無違背實驗原則(電學實驗原則有三條,即安全、精確、簡潔),從中使學生的思維水平得到提高。經過進一步啟發,以獲得正確的測量電路。

最為普遍的一個有問題的電路,評析如下:

伏安法測量電阻,無論是內接還是外接,都有係統誤差。設計本電路的目的是用補償法測量出Rx兩端電壓為ε=101866V時流過Rx的電流I,然後用Rx=ε/I計算出Rx。但是,由於安培表A的量程隻有1mA,Rx上的最大電壓隻能是027V,所以補償無法實現。

下麵的圖2、圖3兩個電路就是根據這一思想,克服了圖1所示電路的不足而設計的。

圖2電路中將串聯電阻R1和Rx看做待測電阻,調節R1和R2,使標準電池的電動勢剛好能補償R1+Rx上的電壓時,讀出安培表A的讀數I1,則Rx=ε/I1-R1。

若檢流表為虛線所示連接,按照上述方法,將Rx當做已知電阻,便能同時測得安培表的內阻RA。電路補償之所以無法實現,原因是安培表A的量程太小。電路測出安培表內阻RA的基礎上,將R1與之並接,以擴大安培表的量程。安培表擴大以後的量程以5mA為宜(為什麼?請讀者自己思考)。調節電路中的R2,以使標準電池的電動勢與Rx上的電壓降達到補償平衡,讀出此時電路中的電流I2(等於5倍安培表A的示數),則Rx=ε/I2。

上述圖2、圖3兩個電路的設計思想是以伏安法為基礎,下麵圖5、圖6兩個電路的設計思想是以比較法和替代法為基礎。

學生設計的第二種有問題的電路,評析如下:

電路的設計思想與圖1電路基本相同。其意圖好像是用了兩個限流電阻,這樣便給電路加了雙重保險。前述過它無法實現對Rx的電壓補償作用,同時它還暴露了設計者對電學實驗設計的簡潔要求的無知,有待教師在教學中不斷強化。

該電路的設計也反映了學生在設計思維中出現了這樣一對矛盾:一方麵安培表不能測超過1mA的電流,另一方麵通過Rx上的電流必須更大,才能實現電壓補償。教練員可以激化矛盾,以使學生在思維上獲得突破。例如,不用安培表,就可以去掉電路對電流的限製,但同時Rx的測量就不能用伏安法了。

電路就是學生突破了這一局限以後設計出來的,它采用兩次電壓補償,第一次如圖中實線所示,調節R1在270Ω左右,再調節R2,以使標準電池的ε補償Rx上的電壓;第二次虛線所示,實現ε對R1上電壓的補償平衡。若在第二次補償過程中,R1+R2的阻值始終等於第一次補償平衡時兩者之和,則電路中的總電阻不變,兩次補償平衡狀態下電路中電流相等,則Rx必等於第二次補償平衡時的R1之值。此法屬比較法——在電流相等的條件下電壓也相等的兩直流電阻元件的阻值必相等。