高中物理 第二章 恒定电流 恒定电流电路实验教学设计 新人教版选修3-1

高中物理 第二章 恒定电流 恒定电流电路实验教学设计 新人教版选修3-1

高中物理电学实验教学设计专题 ‎ ‎[设计思想]‎ 电学实验是高二物理教学中的一个重点，同时也是高考实验题目中的考查热点题型，尤其是近几年的高考题目中的设计型实验，更是重点考查的内容之一。它源于课本上的基本知识，但又高于课本上的实验要求，稍有一个条件的变化，就会引起实验中的器材、线路、测量原理等各部分的变化，是考查学生应用所学知识解决实际问题的很好的内容之一。因此在这轮教学的过程中，从高二理科班的教学实际中就把这部分内容作为重点讲课内容之一，逐渐地向学生进行传授。‎ ‎[教学目标]‎ 知识目标：‎ ‎1、了解各种实验的基本原理和基本方法。‎ ‎2、会正确地选择分析各种实验所需的器材、线路，正确地进行测量以及数据运算。‎ ‎3、能根据题目要求设计出合理的实验线路，并选择器材、连接实验线路及测量数据。‎ 能力目标；指导学生辨证地分析问题、合理地解决问题 德育目标：培养学生的创新思维能力。‎ ‎[教学过程]‎ 说明教学中的问题：‎ 电学实验中涉及的主要问题有：器材的选择、测量电路的选择、控制电路的选择。‎ 解决问题的方法：‎ 解决好上述问题的关键是做好以下五个步骤，‎ ‎（1）选择好合适的实验原理。‎ ‎（2）设计好合适的电路。‎ ‎（3）选择好规格合适的实验仪器。‎ ‎（4）选择好电流表的合理接法。‎ ‎（5）选择好滑动变阻器的合理接法。‎ 正确地选译议器和电路的问题，有一定的灵活性．解决时应掌握和遵循一些基本的原则、即“安全性”、“精确性”、“方便性”和“误差小”、“仪器少”、“耗电少”等各方面要综合考虑．灵活运用 具体内容为：‎ 一、选择好合适的实验原理。‎ ‎（1）、利用所学知识，寻找所测物理量与其他量的关系，每一种关系即为一种实验原理。‎ 例1、 给你一只电阻，例2、 你有哪些方法知道其电阻？‎ 分析   本题实际上是要寻找测量电阻的实验原理。‎ 方法一：利用欧姆定律：R=‎ 方法二：利用串联电路电压分配规律： =‎ 方法三、利用并联电路电流分配规律：I1R1=I2R2‎ 方法四、若是色环电阻，可以利用色环的规定辨认其阻值。‎ ‎----------‎ ‎（2）、根据题目给定条件，选择某一合适原理 如例1中，若给定的器材是电压表、电流表、电源、滑动变阻器等，则用其中的方法一。若给定的器材是变阻箱、电压表、电源等，则先考虑其中的方法二。。。。。。‎ 实验室有如下一些器材，请设计一个实验测定某一未知电阻的阻值。‎ A、待测电阻（阻值约几百欧左右）‎ B、电源E（内阻不可忽略）‎ C、变阻箱（最大阻值999.9Ω）‎ D、电压表（量程足够）‎ E、单刀单掷开关，单刀双掷开关。导线若干 ‎（1）画出实验电路原理图；‎ ‎（2）写出测量表达式，并说明各符号的意义。‎ 分析 该实验给定的器材中有变阻箱、单刀双掷开关，首先得想到可能要利用待测电阻和电阻箱进行对比。因此该实验的原理是：对于同一电源，若外电压相等则外电阻相等。‎ ‎（1）原理如图1所示；‎ ‎（2）测量表达式：RX=R。‎ 二、设计好合适的电路 ‎　　选择好了实验原理后，根据实验原理，实验电路也就确定了。‎ ‎　　例3（1994年高考上海）有一只电压表量程已知，内阻为RV，另有一电池（电动势未知，但不超过电压表得量程，内阻可忽略）。请用这只电压表和电池，再用一个开关和一些连接用得导线，设计测量某一高值电阻Rx得实验方法。（已知Rx得值与Rv相差不大）‎ ‎　（1）画出电路图；‎ ‎　（2）简要写出测量步骤和需要记录得数据，导出高阻值电阻Rx的技算式。‎ ‎　分析：（1）该实验的实验原理是利用串联电路的电压分配规律，同时还要先用电压表测出电源的电动势，即串联电路的总电压。（2）实验步骤：先将电压表、电池、开关按如图2（a）连接好，闭合开关，读出电压表示数U1,则U1=E；再将电压表按图2（b）连接成电路，闭合开关，记下电压表示数U2，则有 ，得 。‎ 三、选择好规格合适的实验仪器 ‎　　很多设计型实验题中，往往同一种类的仪器给出了各种规格，需要我们从中选择规格合适的仪器。选择的原则是：‎ ‎1、安全，即电路中可能出现的最大值一般不能超过仪器的量程活额定值；‎ ‎2、准确，保证安全的前提下，对于测量仪器选量程越小的越好（量程越小，读书越精确）；‎ ‎3、方便，对滑动变阻器的选择可能要结合“分压式”还是“接限流式”等情况（如例6）；‎ ‎4、根据实际情况综合考虑。‎ 例4　某实验中，有如下各种规格的器材：‎ 电池E，电动势约10V，内阻约1‎ 电流表A1，量程‎10A，内阻r1约为0.2‎ 电流表A2，量程300mA，内阻r2约为5‎ 电流表A3，量程250mA，内阻r3约为5‎ 电阻箱R1，最大阻值999.9 ，阻值最小改变量为0.1‎ 滑动变阻器R2，最大阻值100 ，开关、导线若干 要求用如图3所示的电路测量电流表A3的内阻，则电流表A’应选电流表A1、A2中的哪一只？‎ 分析：从原理图来看，该实验是利用类似半偏法测电阻。电流表A’中的电流最大值只有250mA，因此应该选电流表A2。‎ 例5：（2000年全国高考）从下表中选择适当的实验器材，设计一电路来测量电流表A1的内阻r1，要求方法简捷，有尽可能高的测量精度，并能测得多组数据。‎ 器材（代号） 规格 电流表（A1） 电流表（A2） 电压表（V） 电阻（R1） 滑动变阻器（R2） 电池（E） 开关（S） 导线若干 量程10mA，内阻r1待测（约40 ） 量程‎500 A，内阻r2=750 量程10V，内阻r3=10k 阻值约100 ，作保护电阻用 总阻值约50 电动势1.5V，内阻很小 ‎（1）在如图4所示虚线框中画出电路图，标明所用器材得编号；‎ ‎（2）若选测量数据中的一组来计算r1，则所用的表达式r1=_________，式中各符号的意义是：_________。‎ ‎　　电流表分析：本实验的原理是利用欧姆定律测A1的内阻，通过电流表A1的电流I1当然是由电流表A1直接读出。但测电流表A1的电压时，有很多同学都是设计的利用电压表V，这也是我们一般的思路，而对于本题这种作法是不行的，因为A1上的电压最多只有：U1=I1r1 10 10-3 4V=0.4V，而电压表V的量程是10V，对0.4V的电压来说，电压表的指针只是稍微偏转了一点点，这样测得的电压值误差太大，因而不能用电压表，而电流表A2的内阻r2已知，因此本题要利用电流表A2与电流表A1并联来测电压。电路图如图5所示。A1内阻的表达式为r1=I2r2/I1。式中I1为电流表A1的电流，I2为电流表A2的电流。‎ 四、选择好滑动变阻器在电路中接成限流式还是分压式 ‎　滑动变阻器在电路中一般是起着控制或改变某部分电路的电压或电流的作用，此时滑动变阻器的连接就有限流式和分压式之分，选择限流式还是分压式的基本原则是：‎ ‎1、下列几种情况必须选择分压式 ‎（1）变阻器电阻远小于被控电路电阻。‎ ‎（2）题目要求被控电路的电压从零开始连续变化．‎ ‎（3）若用限流式则被控电路或测量仪表肯定会过载．‎ ‎2、下列情况一般选择限流式 ‎（1）若变阻器电阻远大于被控电路电阻一般用限流式。‎ ‎（2）若不属于必须用分压式的情况，则首先考虑限流式。因限流式电路简单，耗能少。‎ ‎　例6：为测定一个“2.5V 0.2W”的小灯泡的伏安特性曲线，可供选择的器材有：‎ ‎　　A、量程0～0.6A、内阻0.2 的电流表 ‎　　B、量程0～100mA、内阻5 的电流表 ‎　　C、量程0～3V、内阻10k 的电压表 ‎　　D、量程0～15V、内阻50k 的电压表 ‎　　E、最大阻值为20 ，额定电流为0.5A的滑动变阻器 ‎　　F、最大阻值为1000 ，额定电流为0.1A的滑动变阻器 ‎　　G、6V的蓄电池，导线，开关 ‎　　要求实验中灯泡电压从零逐渐增到额定电压。‎ ‎　　（1）电压表应选___________，电流表应选____________，滑动变阻器应选_________；（填写器材序号）‎ ‎　　（2）在如图6虚线框内画出实验电路图；‎ ‎　　（3）若实验操作正确，得到如图7所示的曲线的原因是____________。‎ ‎　　分析：（1）本题的电路实际就是伏安法测电阻的电路，由于灯泡电压从零增加到额定电压，故滑动变阻器应接成分压式。由计算知，滑动变阻器E、F的额定电流均足够，而为了方便控制，对于分压式电路滑动变阻器选小阻值要好，因此变阻器选E。电压表、电流表显然应选C和B；（2）电路图略；（3）原因是灯丝的阻值随温度的升高而变化。‎ 五、选择好“电流表内接”还是“电流表外接“‎ ‎1、用伏安法测电阻或电功率选择“电流表内接”还是“电流表外接”的原则 ‎（1）若被测电器属大阻值的，则用“电流表内接”；若被测电器属小电阻值的，则用“电流表外接”。‎ ‎（2）若已知电流表内阻，而不知电压表内阻，则用“电流表内接”；若已知电压表内阻而不知电流表内阻，则用“电流表外接”。‎ ‎（3）若电流表、电压表的内阻均已知，理论上是用“电流表内接”或“电流表外接”均可，但我们一般采用（1）中的做法。‎ ‎2、用伏安法测定电源电动势和内阻的实验中选择“电流表内接”还是“电流表外接”的问题 ‎（1）在一般情况（电源内阻较小，与电流表内阻相当）下，用“电流表内接”，若电源内阻很大（和电压表内阻相当，一般不会出现这种情况），用“电流表外接”。‎ ‎（2）若已知电压表内阻而不知电流表内阻，则用“电流表内接”，可消除系统误差。‎ ‎（3）若已知电流表内阻而不知电压表内阻，则用“电流表外接”，可消除系统误差。‎ ‎（4）若已知电流表和电压表内阻，则用“电流表内接”和“电流表外接”均可，一般用（1）中的做法。‎ 所以，我们在选择电学实验仪器和实验电路时，应先依据题意确定电流表、电压表和滑动变阻器等仪器，然后确定电流表的内外接怯，再选择控制电路并画出实验电路图． ‎