2.4 第2课时 电路的选择（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中物理必修第三册（教科版2019）

第2课时　电路的选择 物理观念 科学探究 科学态度与责任 1.掌握安培表内外接法的误差分析和选择。 2．掌握滑动变阻器限流式和分压式接法和阻值选择。 3．设计电路时能够正确的选择控制电路和测量电路。 　　在实验探究过程中，进一步掌握电流表、电压表和滑动变阻器的正确使用。 　　通过“伏安法”测电阻探究实验，提高自己科学探究的能力和实事求是的科学态度以及周密严谨的科学思维。 探究点一___测量电路的选择 初中物理学过利用电压表和电流表测电阻R，电路图如图所示。 [问题设计] (1)利用电压表和电流表测量电阻的原理是什么？ (2)如果电压表和电流表分别是理想电表时，两表示数是R的真实两端电压和流过电阻的真实电流吗？ (3)如果电压表和电流表不是理想的电表，电压表内阻很大但不是无穷大，电流表的内阻小但不是等于零，在这种情况下两表的示数是电阻真实的两端电压和流过电阻的真实电流吗？ 提示：(1)部分电路欧姆定律；(2)是；(3)不是。 1．伏安法测电阻的原理 欧姆定律I＝ 可以得到R＝，测量R两端的电压和流过R的电流。 2．电流表的两种接法 内接法 外接法 电路图 误差原因 电流表分析U测＝Ux＋UA 电压表分流I测＝Ix＋IV 电阻测 量值 R测＝＝Rx＋RA＞Rx，测量值大于真实值 R测＝＝＜Rx，测量值小于真实值 适用条件 RA≪Rx RV≫Rx 3．电流表内接法、外接法的确定方法 (1)比值法：>，大电阻，安培表内接；<，小电阻，安培表外接。 (2)试触法：如图所示。 将电压表分别接在a、c和b、c两点间时，若电流表示数变化显著，说明电压表流过的电流大，不可忽略，Rx阻值和电压表内阻接近，是大电阻，选用安培表内接法；若电压表示数变化显著，则选外接法。 【例1】 一个未知电阻Rx无法估计其电阻值，某同学用伏安法测电阻的两种电路各测量一次，如图所示，按甲图测得数据是3.0 V、3.0 mA，按乙图测得数据是2.9 V、4.0 mA，由此可知按________图所示的电路测量的误差较小，Rx的真实值更接近于________Ω。 答案：甲　1 000 解析：＝<＝，因此两种电路图中电流表示数变化明显，说明电压表分流作用明显，电阻R是大电阻，应该选用电流表内接，因此选用甲图，R＝＝1 000 Ω。 [练1] 如图所示，用电流表和电压表测量电阻Rx的阻值，c端与b端相连时，电流表示数为4.60 mA，电压表示数为2.50 V，c端与a端相连时，电流表示数为 5．20 mA，电压表示数为2.30 V，比较这两次结果正确的是(　　) A．电阻的真实值更接近543 Ω，且大于543 Ω B．电阻的真实值更接近543 Ω，且小于543 Ω C．电阻的真实值更接近460 Ω，且大于460 Ω D．电阻的真实值更接近460 Ω，且小于460 Ω B　解析：比较两次的电压表读数，可知ΔU＝0.20 V，则＝＝0.08；电流表示数变化ΔI＝0.60 mA，则＝＝0.130，可见>，即电流变化明显一些，可见电压表内阻带来的影响比电流表内阻带来的影响大，故应采用内接法，Rx＝≈543 Ω，此法测量值偏大，因此B正确。 探究点二___滑动变阻器的限流式和分压式接法 1．滑动变阻器的两种接法 接法 限流式接法 分压式接法 电路图 特点 (1)用电器R0与滑动变阻器R的部分电阻串联，另一部分不起作用 (2)R0上电压调节范围为～E (1)用电器R0与滑动变阻器的部分电阻并联后再与另一部分串联 (2)R0上电压调节范围为0～E 适用 条件 R0与R的阻值差不多且不要求R0上电压能调至零 (1)要求电压调节能从0开始增大 (2)R比R0小 2．分压电路、限流电路的选择原则 (1)限流式：该接法适合测量小阻值电阻(和滑动变阻器的总阻值相比)，因为Rx越小，滑动变阻器分得电压越大，调节范围越大。优点是电路简单，耗能低。 (2)分压式：该接法适合测量大阻值电阻(和滑动变阻器总阻值相比)，因为Rx越大，分压式中Rx几乎不影响电压的分配，滑片移动时，电压变化与触头移动距离几乎成线性关系，便于调节。 3．在以下三种情况下，必须使用分压式： (1)要求电压或电流从零开始连续变化，或给定表格数据从零开始，或要求测量范围尽可能大。 (2)若待测电阻的阻值比滑动变阻器总电阻大得多，以致在限流电路中，滑动变阻器的滑动触头从一端滑到另一端时，待测电阻上的电流或电压变化范围不够大，此时应改用分压电路。 (3)若采用限流式不能控制电流满足实验要求，即若滑动变阻器阻值调到最大时，待测电阻上的电流(或电压)仍超过电流表(或电压表)的量程，或超过待测电阻的额定电流，则必须选用分压式。 【例2】 某同学测量阻值约为25 kΩ的电阻Rx，现备有下列器材： A．电流表(量程100 μA，内阻约2 kΩ)； B．电流表(量程500 μA，内阻约300 Ω)； C．电压表(量程15 V，内阻约100 kΩ)； D．电压表(量程50 V，内阻约500 kΩ)； E．直流电源(20 V，允许最大电流1 A)； F．滑动变阻器(最大阻值1 kΩ，额定功率1 W)； G．电键和导线若干。 电流表应选________，电压表应选________(填字母代号)。 该同学正确选择仪器后连接了以下电路，为保证实验顺利进行，并使测量误差尽量减小，实验前请你检查该电路，指出电路在接线上存在的问题： ①________________________________________________________________________； ②________________________________________________________________________。 答案：(1)B　C (2)电流表应采用内接的方法；滑动变阻器应采用分压式接法。 解析：电学实验选择仪器的一般步骤如下：①根据电路中电流、电压的最大值选择电流表和电压表的量程，量程不能太大；②根据题中关键语句，如精确测量，从零开始连续可调等等选择分压电路亦或是限流电路；分压电路滑动变阻器选择小阻值，限流电路滑动变阻器选择大阻值；③选择电流表的内外接法，采用阻值比较法，－般的原则是“大内大，小外小”。 本题中，待测电阻Rx的阻值约为25 kΩ，直流电源电动势为20 V，经粗略计算电路中最大的电流约为I＝800 μA，所以电流表选择B；虽然电压表C的量程不足，可以用变阻器调节使电压不超过量程，滑动变阻器应采用分压式的接法；电压表D的量程超过太多，读数误差大，故电压表选择C表。由于＝83>＝4则电流表应采用内接的方法。对照实验图，可以看到连接错误之处：电流表采用外接法，滑动变阻器采用了限流式，都是错误的。 [练2] 用伏安法测量一定值电阻，实验器材如下： A．待测电阻Rx(约30 kΩ，1 W)； B．直流电流表(量程0～500 μA，内阻约300 Ω)； C．直流电压表(量程0～15 V，内阻约30 kΩ)； D．直流稳压电源(输出电压20 V)； E．滑动变阻器(0～2 kΩ，0.3 A)； F．开关、导线等。 电路应选________。 B　解析：因为滑动变阻器的最大电阻远小于待测电阻，所以变阻器应采用分压式接法；根据待测电阻满足>可以知道电流表应用内接法，即电路应是“分压内接”电路，所以B正确，ACD错误。 探究点三___实验器材的选择 1．电源、电流表、电压表的选择 (1)一个电源：根据电源电动势选电压表，再据电压量程和电阻选电流表。 (2)两个电源：电源电动势，电压表、电流表量程相互制约，注意相互匹配。电压表和电流表指针偏转在满刻度三分之一以上。 (3)若待测电阻有额定值，根据额定值选择。 2．滑动变阻器的选择 限流接法：滑动变阻器的阻值在待测电阻阻值的5倍以内。 分压接法：滑动变阻器的阻值小些好。 【例3】 欲用伏安法测定一段阻值约为5 Ω左右的电阻，要求测量结果尽量准确，现备有以下器材： A．电池组(3 V，内阻约1 Ω)； B．电流表(0～3 A，内阻约0.012 5 Ω)； C．电流表(0～0.6 A，内阻约0.125 Ω)； D．电压表(0～3 V，内阻约3 kΩ)； E．电压表(0～15 V，内阻约15 kΩ)； F．滑动变阻器(0～20 Ω，额定电流1 A)； G．滑动变阻器(0～2 000 Ω，额定电流0.3 A)； H．电键、导线。 (1)上述器材中应选用________________(填各器材字母代号)。 (2)实验电路应采用电流表__________接法。 (3)为使通过待测金属导线的电流强度能在0～0.5 A范围内改变，请按要求画出测量待测金属导线电阻Rx的电路图。 答案：(1)A、C、D、F、H　(2)外 (3)见解析图 解析：(1)根据待测电阻电流调节范围为0～0.5 A可知，电流表应选C；由于实验要求电流从零调，所以变阻器应采用分压式接法，应选择电阻小的变阻器以方便调节。(2)由于待测电阻满足<，所以电流表应用外接法，即电流应是“分压外接”。(3)电路图如图所示。 探究点四___实物连接 实物连线的步骤 1．根据题给条件确定滑动变阻器连接方式；安培表的内外接法。 2．参照实物在图中的位置画出电路图，并在电路图上标出仪表正负极。 3．按先串后并顺序连接电路。 4．对照电路图检查，特别注意下述连接是否正确： (1)电键位置，电键控制整个电路。 (2)滑动变阻器滑动触头的位置，导线不能接到滑片或腿上。 (3)接线上柱，连线不交叉。 (4)仪表量程及正负极(电流必须从正极流入，负极流出)；电路顺着连，从电源正极流出回到负极。 【例4】 在下面实物图中画出分压外接实物连线图。 答案： [练3] 某同学研究小灯泡的伏安特性，实验室提供的器材有：小灯泡(6.3 V，0.15 A)，直流电源(9 V)，滑动变阻器，量程合适的电压表和电流表，开关和导线若干，设计的电路如图1所示。 根据图1，完成图2中的实物连线。 答案： 1．(多选)用伏安法测未知电阻Rx时，若不知Rx的大约数值，为了选择正确的电流表接法以减小误差，可将仪器按如图所示接好，只空出电压表的一个接头K，然后将K分别与a、b接触一下，观察电压表和电流表示数变化情况，则(　　) A．若电流表示数有显著变化，K应接a B．若电流表示数有显著变化，K应接b C．若电压表示数有显著变化，K应接a D．若电压表示数有显著变化，K应接b BC　解析：若电流表示数有显著变化，说明电压表分流作用明显，应采用内接法，K接b。故A错，B对；若电压表示数有显著变化，说明电流表分压作用明显，应采用外接法，K接a。 2．某同学通过实验测定一个阻值约为5 Ω的电阻Rx的阻值。 (1)现有电源(3 V，内阻可不计)、滑动变阻器(0～50 Ω，额定电流2 A)、开关和导线若干，以及下列电表： A．电流表(0～3 A，内阻约0.025 Ω) B．电流表(0～0.6 A，内阻约0.125 Ω) C．电压表(0～3 V，内阻约3 kΩ) D．电压表(0～15 V，内阻约15 kΩ) 为减小测量误差，在实验中，电流表应选用________，电压表应选用________(选填器材前的字母)；实验电路应采用下图中的________(选填“甲”或“乙”)。 (2)接通开关，改变滑动变阻器滑片P的位置，并记录对应的电流表示数I、电压表示数U。某次电表示数如下图所示，可得该电阻的测量值Rx＝＝________Ω(保留两位有效数字)。 (3)在不损坏电表的前提下，将滑动变阻器滑片P从一端滑向另一端，随滑片P移动距离x的增加，被测电阻R两端的电压U也随之增加，下列反映U－x关系的示意图中正确的是________。 答案：(1)B　C　甲　(2)5.2　(3)A 解析：(1)因电源的电压为3 V，电压表选择C；由于阻值约为5 Ω的电阻Rx，根据欧姆定律I＝＝ A＝0.6 A，可知电流的最大值为0.6 A，从精确角度来说，电流表选择B；待测电阻阻值约为5 Ω，电流表内阻约为0.125 Ω，电压表内阻约为3 kΩ，电压表内阻远大于待测电阻阻值，电流表应采用外接法，应选择图甲所示电路图。 (2)由图示电流表可知，其分度值为0.02 A，示数为I＝0.50 A；由图示电压表可知，其分度值为0.1 V，示数为U＝2.60 V；电阻阻值为R＝＝ Ω＝5.2 Ω。 (3)根据闭合电路欧姆定律与电阻定律U＝IRx＝Rx，当随着滑片P移动距离x的增加，被测电阻Rx两端的电压增大，但不成正比，且增加越来越快，则U－x图像如图A所示。 3．某学习小组用伏安法测量一未知电阻Rx的阻值，给定器材及规格为： 电流表A(量程为0～5 mA，内阻约为10 Ω)； 电压表V(量程为0～3 V，内阻约为3 kΩ)； 滑动变阻器(最大阻值约为50 Ω)； 电源E(电动势约3 V)； 开关S，导线若干。 (1)由于不知道未知电阻的阻值范围，先采用如图所示的电路试测，读得电压表示数大约为2.0 V。电流表示数大约为4.0 mA，则未知电阻的阻值Rx大约为________Ω。 (2)经分析，该电路测量误差较大，需要做改进。请在虚线框内画出改进后的测量原理图。 (3)用改进后的电路进行测量，其测量值________(填“等于”“小于”或“大于”)真实值。 答案：(1)500　(2)见解析图　(3)大于 解析：(1)根据部分电路的欧姆定律可知R＝＝ Ω＝500 Ω (2)由于500 Ω是大电阻，用外接法误差大，电路应改为内接法。因R滑＝50 Ω<Rx＝500 Ω 故用分压式接法，电路图为 (3)采用电流表内接法，电流表分压导致电压的测量值偏大，由R＝知，所以R测>R真，满足伏安法大内偏大，小外偏小的规律。 [课时梯级训练(15)见P162] 学科网（北京）股份有限公司 $$