高中物理电学实验中的电路设计分析

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  在物理高考中,电学实验设计是其中一项极为关键的实验题型.然而,学生在这一类型题目的得分上,并不令人满意.针对这种情况,加强对高中物理电学实验的有效教学是很有必要的.
  一、高中物理电学实验中电路设计问题的处理原则
  1.确定实验的目的
  在做电学实验电路设计类型的题目时,学生首先要对题目中所必须测定的物理量进行确定,且对其所需探究的物理规律加以了解,这就是物理电学实验的主要目的,同时还是电路设计的根本出发点与落脚点.在确定实验目的之后,结合已学物理知识,对本次实验所要测定的物理量及其物理规律,与已学知识中的一些物理规律或者是现象之间,是否存在一定的关联性,且经由物理规律、现象及其定量展现出来.
  2.确定设计方案
  在物理实验电路设计过程中,可能不止有一种设计方案.怎样在众多设计方案中选取最理想、最适合的方案呢?在选择设计方案时,可以遵循三大基本原则:(1)可行性.所选择的实验设计方案,在设计操作的过程中,应当确保安全性与可靠性,且实验器材极易获取.(2)精确性.在对设计方案进行选择的过程中,应当对各种设计方案展开有效的误差分析,以从中选取有比较高精确度,且可以多次测量的设计方案.(3)简便性.所选择的设计方案,其物理原理及其操作步骤都应当比较简单,所涉及的物理量比较容易测定.
  3.选取器材、设计原理图
  在确定电路实验设计方案之后,还必须思考一些问题:这一实验方案需要使用到哪些实验测量工具或者是装置;将要测定的物理量和哪一些量存在定量关联,而这些量又要采取何种实验仪器来进行测定.在将这些内容都考虑进去之后,对电路设计的实验器材予以明确,再依据实验所需测量的物理量及其器材,对电路原理图进行合理的设计.
  二、电学实验中电路设计的一般方法
  例1 电压表的内阻在3kΩ,量程是3V,电流表的量程是1mA,电源电动势为3V,滑动变阻器最大阻值是20Ω,要求设计一个电路图,能够对电压表的内阻进行精确的测量.
  分析:不管是怎样的电路,一般都是由测量电路与电源电路两部分构成.在该题中,怎样能够获取一个电源电路(相对比较大的电压调节范围);在电路测量过程中,电压表是被测定的对象,必须在测定电路当中连接电压表,可直接观察到电压表中内阻上的电压,无需进行复杂的分析;怎样了解流过电压表的电流?
  解:首先,电源电路采取滑动变阻器分压式接法,如图1.其次,由于测定对象为电压表,因而可以将其连入测量电路中,如图2.再次,在测量电路上串联电流表,所得电路图如图3.最后,对所设计出来电路图的可行性展开研究与分析.在电压表指针处在满偏的情况之下,通过计算得出流过的电流为1mA.换言之,就是电流表的指针同样处在满偏的状态之下,即证明该电路设计能够在常态之下正常运作.
  分析:对E、r进行测量,需了解的基本电路图是怎样的?在该题中提及了滑动变阻器、电流表以及电压表,为何还有定值電阻?指引学生对定值电阻的位置进行研究,且验证其合理性.
  解:电源内阻与电动势测量的电路图如图4.对该题中的定元件参量进行分析,可知电压表量程不满足有关规定,可通过定值电阻改善电路,同时考虑“如果电压表与定值电阻串联在一起,合理与否?”“如果电流表与定值电阻相串联,合理与否?”即可得到准确的电路图(图略).
  综上,在学习并解答电学实验中有关电路设计方面的题目时,可以依据一定的原则,即确定实验的目的,确定设计方案,选取器材、设计原理图等,同时再结合所学物理知识,灵活运用.
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