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5电学试验

电学试验

【知识梳理】

一．电学实验中电路和器材的选择

1．基本原则：

安全——不损坏实验器材；

精确——尽可能减小实验误差；

方便——在保证实验正常进行的前提下，选用的电路和器材应便于操作，读得的数据便于处理。

2．实验器材的选取：

A．电源允许的最大电流要大于电路中的实际电流。

B．用电器的额定电流不能小于通过该用电器的实际最大电流。

C．电压表和电流表的量程不能小于被测电压和电流的最大值。

D．电压表和电流表的指针应指到满偏刻度1/3以上。

E．使用多用电表测电阻时，应选择适当的档位，使欧姆表的示数在电表的中值附近。

二．伏安法测电阻中电流表的内接法与外接法

原理:

部分电路欧姆定律

1．电流表外接法,如图1所示

①

，测量值偏小。

②系统误差原因:

伏特表V分流

③适用于测量小阻值电阻.因为RX越小,V分流越小,误差越小

2．电流表内接法,如图2所示

①

，测量值偏大。

②系统误差原因:

安培表A分压

③适用于测大阻值电阻,因为RX越大,A分压越小,误差越小

3．内、外接法的选用方法

①在知道RX,RV,RA的大约值时,可用估算法.

时,选外接法

时,选内接法

②在不知道RX,RV,RA大约值时,可用试触法,如图3所示.

触头分别接触a、b:

如V变化大,说明A分压大,应选外接法；如A变化大,说明V分流大,应选内接法.

三．滑动变阻器两种电路接法的选择

滑动变阻器以何种接法接入电路，应遵循安全性、精确性、节能性、方便性原则综合考虑，灵活择取.

1．下列三种情况必须选用分压式接法

（1）要求回路中某部分电路电流或电压实现从零开始可连续调节时（如：

测定导体的伏安特性、校对改装后的电表等电路），即大范围内测量时，必须采用分压接法.

（2）当用电器的电阻RL远大于滑动变阻器的最大值R0，且实验要求的电压变化范围较大（或要求测量多组数据）时，必须采用分压接法

（3）若采用限流接法，电路中实际电压（或电流）的最小值仍超过Rx的额定值时，只能采用分压接法.

2．下列情况可选用限流式接法

（1）测量时电路电流或电压没有要求从零开始连续调节，只是小范围内测量，且Rx与R0接近或Rx略小于R0，采用限流式接法.

（2）电源的放电电流或滑动变阻器的额定电流太小，不能满足分压式接法的要求时，采用限流式接法.

（3）没有很高的要求，仅从安全性和精确性角度分析两者均可采用时，可考虑安装简便和节能因素采用限流式接法.

例1．有一电阻Rx，其阻值在100～200Ω之间，额定功率为0.25W。

要用伏安法较准确地测量它的阻值，实验器材有：

安培表A1，量程为50mA，RA1=100Ω

安培表A2，量程为1A，RA2=20Ω

电压表V1，量程为5V，RV1=10kΩ

电压表V2，量程为15V，RV2=30kΩ

变阻器R1，变阻范围0～20Ω，2A

变阻器R2，变阻范围0～1000Ω，1A

9V电源，电键，导线。

⑴实验中应选用的电流表、电压表、变阻器分别是：

。

⑵画出所用实验电路图。

例2.在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，除有一标有“2.2V，0.5W”的小灯泡、导线和开关外，还有

A.直流电源6V（内阻不计）

B.直流电流表0~3A（内阻0.1Ω以下）

C.直流电流表0~300mA（内阻约为5Ω）

D.直流电压表0~3V（内阻约为15kΩ）

E.滑动变阻器10Ω，2A

F.滑动变阻器1kΩ，0.5A

实验要求小灯泡两端的电压从零开始变化并能多测几次。

（1）实验中电流表应选用_________，滑动变阻器应选用___________。

（均用仪器前的字母表示）

（2）在下面按要求画出实验电路图。

四．仪器的读数

高考要求会正确使用的电学仪器有：

电流表、电压表、多用电表、滑动变阻器、电阻箱等等。

除了滑动变阻器以外，其它仪器都要求会正确读出数据。

1．读数的基本原则是：

凡仪器最小刻度是10分度的，要求读到最小刻度后再往下估读一位（估读的这位是不可靠数字）；凡仪器最小刻度不是10分度的，只要求读到最小刻度所在的这一位，不再往下估读。

2．不需要估读的测量仪器：

游标卡尺、秒表、电阻箱在读数时不需要估读；欧姆表刻度不均匀，可以不估读或按半刻度估读。

例1．右图是

电阻箱示意图，试读出当时电阻箱的阻值。

例2．按照有效数字规则读出下列电表的测量值。

⑴⑵

接0~3V量程时读数为________V。

接0~3A量程时读数为_______A。

接0~15V量程时读数为_______V。

接0~0.6A量程时读数为______A。

例3.某同学做“测定金属丝电阻率”的实验。

需要通过实验直接测量的物理量有：

（写出名称和符号）。

②这位同学采用伏安法测定一段阻值约为5

左右的金属丝的电阻。

有以下器材可供选择：

（要求测量结果尽量准确）

A．电池组（3V，内阻约1

）；

B．电流表（0~3A，内阻约0.025

）

C．电流表（0~0.6A，内阻约0.125

）

D．电压表（0~3V，内阻约3k

）

E．电压表（0~15V，内阻约15k

）

F．滑动变阻器（0~20

，额定电流1A）

G．滑动变阻器（0~1000

，额定电流0.3A）

H．开关、导线。

实验时应选用的器材是　　　　　　　　　　　　　（填写各器材的字母代号）。

　请在下面的虚线框中画出实验电路图。

　这位同学在一次测量时，电流表、电压表的示数如下图所示。

由图中电流表电压表读数可计算出金属丝的电阻为　　　　　　　　

。

五．电表的改装

（1）电流表原理和主要参数

电流表G是根据通电线圈在磁场中受磁力矩作用发生偏转的原理制成的，且指什偏角θ与电流强度I成正比，即θ＝kI，故表的刻度是均匀的。

电流表的主要参数有，表头内阻Rg：

即电流表线圈的电阻；满偏电流Ig：

即电流表允许通过的最大电流值，此时指针达到满偏；满偏电压Ug：

即指针满偏时，加在表头两端的电压，故Ug＝IgRg

（2）电流表改装成电压表

方法：

串联一个分压电阻R，如图所示，若量程扩大n倍，即n＝

，则根据分压原理，需串联的电阻值

，故量程扩大的倍数越高，串联的电阻值越大。

（3）电流表改装成电流表

方法：

并联一个分流电阻R，如图所示，若量程扩大n倍，即n＝

，则根据并联电路的分流原理，需要并联的电阻值

，故量程扩大的倍数越高，并联的电阻值越小。

需要说明的是，改装后的电压表或电流表，虽然量程扩大了，但通过电流表的最大电流或加在电流表两端的最大电压仍为电流表的满偏电流Ig和满偏电压Ug，只是由于串联电路的分压及并联电路的分流使表的量程扩大了。

【例1】如图所示，四个相同的电流表分别改装成两个安培表和两个伏特表。

安培表A1的量程大于A2的量程，伏特表V1的量程大于V2的量程，把它们按图接入电路，则

安培表A1的读数安培表A2的读数；

安培表A1的偏转角安培表A2的偏转角；

伏特表V1的读数伏特表V2的读数；

伏特表V1的偏转角伏特表V2的偏转角。

（填“大于”，“小于”或“等于”）

【例2】一灵敏电流计，允许通过的最大电流（满刻度电流）为Ig=50μA，表头电阻Rg=1kΩ，若改装成量程为Im=1mA的电流表，应并联的电阻阻值为Ω。

若将改装后的电流表再改装成量程为Um=10V的电压表，应再串联一个阻值为Ω的电阻。

六．多用电表的使用

1．使用前应查看指针是否指在刻度盘左端零刻线处。

如不在，应进行机械调零。

方法是用小螺丝刀轻旋表头正下方中央处的调零螺丝，使指针指左端零刻线。

2．根据被测物理量及其数量级将选择开关旋到相应的位置。

读数时还要注意选用刻度盘上对应的量程刻度。

（如测量20mA左右的直流电流，应将选择开关对准左边100mA量程处；在刻度盘上，应该看最下一行刻度，即满偏刻度为10的刻度线，从刻度盘读出数据后还应再乘10，得测量结果。

）

3．使用欧姆挡时，先选好倍率，再进行欧姆调零。

方法是：

将红、黑表笔短接，调节欧姆调零旋钮，使指针指右端零刻线处。

因此用多用电表的欧姆挡测电阻的操作步骤是：

⑴选倍率。

一般要选择比被测电阻的估计值低一个数量级的倍率。

如估计值为200Ω就应该选×10的倍率。

⑵进行欧姆调零。

⑶将红黑表笔接被测电阻两端进行测量。

⑷将指针示数乘以倍率，得测量值。

⑸将选择开关扳到OFF或交流电压最高挡。

注：

用欧姆挡测电阻，如果指针偏转角度太小（即指针所指的刻度值太大），应该增大倍率重新调零后再测；如果指针偏转角度太大（即指针所指的刻度值太小），应该减小倍率重新调零后再测。

如果指针恰好指在中间位置，则外电阻的阻值等于此档对应的内电阻的阻值。

4．使用多用电表时，两只手只能握住表笔的绝缘棒部分，不能接触表笔上的金属部分（首先是为了安全；其次两手之间的人体电阻将与被测电路并联，改变了电路结构）。

5．不论使用多用电表的哪个挡，电流总是从多用电表的正接线柱（红表笔）进入电表，而从负接线柱（黑表笔流出）。

例1．一多用电表的电阻有三个倍率，分别是×1、×10、×100。

用×10档测量某电阻时，操作步骤正确，发现表头指针偏转角度很小，为了较准确在进行测量，应换到

＿＿＿档，如果换档后立即用表笔连接待测电阻进行读数，那么缺少的步骤是＿＿＿＿＿＿＿，若补上该步骤后测量，表盘的示数如图，则该电阻的阻值是_________Ω。

例2．如图所示为简单欧姆表原理示意图，其中电流表的满偏电流Ig=300μA，内阻Rg=100Ω，滑变电阻R的最大阻值为10kΩ，电池的电动势E=1．5V，内阻r=0．5Ω，图中与接线柱A相连的表笔颜色应是   色，按正确使用方法测量电阻Rx的阻值时，指针指在刻度盘的正中央，则Rx=   kΩ。

若该欧姆表使用一段时间后，电池电动势变小，内阻变大，但此表仍能调零。

按正确使用方法再测上述Rx，其测量结果与原结果相比较   （填“变大”、“变小”或“不变”）。

例3．把一个量程为5mA的电流表改装成欧姆表R×1档，当电流表的内阻是50Ω，电池的电动势是1.5V，经过调零之后测电阻，当欧姆表指针指到满偏的3/4位置时，被测电阻的阻值是（）

A．50ΩB．100ΩC．16.7ΩD．400Ω

例4．一只灵敏电流表满偏电流为200μA，把它改装成欧姆表后，用它测量10KΩ的电阻时，表针恰好指在100μA处，用它测量另一只电阻Rx时，表针指在50μA处，则Rx=。

七．半偏法测电表电阻

（一）．半偏法测量电流表电阻

[1.]实验原理：

在右图电路中，先断开S2，闭合S1，让电流通过电流表并使其满偏，然后接上电阻箱，并调节它使电流表半偏，由于总电流几乎不变，电流表和R2上各有一半电流通过，意味着它们电阻相等，此时读出电阻箱的电阻，即为电流表的内阻Rg=R2

实验器材：

待测电流表、蓄电池组、电阻箱、滑动变阻器、电键2个及导线若干。

[2.]实验步骤：

1．按图接线，图中R1为滑动变阻器、R2为电阻箱，电源为蓄电池，内阻可以不计。

2．先合下S1，调节R1使电流表指针满偏.

3．再合下S2，保持电阻R1不变，调节R2使电流表指针半偏，记下R2的值.

4．若R1＞100R2，则Rg=R2一般情况R测量＜R真实

[3.]注意事项：

1．R2必须用电阻箱，电阻箱的选择，只要它能调出与电流表内阻相当的电阻即可；

2．R1可以用滑动变阻器，也可以用大阻值的电阻箱。

当电阻箱接入时，维持总电流几乎不变是至关重要的，因为这时才可以说两条支路上各有一半电流。

为此：

R1的实际阻值应远大于电流表的内阻（R1＞100R2），才能做到总电流几乎不变。

3．需要注意的是，R1的大小不是由选用滑动变阻器的阻值大小决定，而是由下式决定：

，在实验中，Ig、Rg都是一定的，为保证R1＞100R2，因此电源电动势应尽量选大一点好。

4．在调节电阻箱时，电阻R1不应变化。

5．若不能保证R1＞＞R2，则由闭合电路欧姆定律（不计电源内阻），有

，化简得到

（二）．半偏法测量电压表电阻

1．按右图接线，图中R0为电阻箱.

2．先合下S1，调节R0=0，再调节R使电压表指针满偏.

3．保持变阻器电阻R不变，调节R0使电压表指针半偏，记下R0的值.

4．若R0＞＞R，有RV=R0，一般情况R测量＞R真实

针对练习：

1．要测量内阻较大的电压表的内电阻，可采用“电压半值法”，其实验电路如图所示。

其中电源两端的电压值大于电压表的量程，电阻箱R2的最大阻值大于电压表的内电阻。

先将滑动变阻器R1的滑动头c调至最左端，将R2的阻值调至最大，依次闭合S2和S1，调节R1使电压表满偏，然后断开S2，保持滑动变阻器的滑动头c的位置不变，调节R2使电压表半偏，此时R2的示数即可视为电压表的内电阻值。

（1）实验时，在断开S2调节R2的过程中，a点与滑动变阻器的滑动头c之间的电压应。

（2）实验室备有如下四个滑动变阻器，它们的最大阻值分别为

A．10

B．1k

C．10k

D．100k

为减小测量误差，本实验中的滑动变阻器R1应选择。

（填序号）

2．用半偏法测电流表内阻，提供的器材如下：

干电池（电动势E约为1.5V，内阻r约为10Ω）、待测电流表A（0~50μA，内阻约4kΩ）、电阻箱R1、R2（均为0~99999.9Ω）、电键、导线若干。

⑴实验电路如图，有关实验操作及测量如下：

①只闭合S，当调节R1到26090.0Ω时，电流表A满偏；

②再闭合S1，R2调为3770.0Ω时，电流表A半偏，由此可得电

流表的内阻Rg的测量值为Ω。

⑵半偏法测量电流表内阻时，要求R1>>Rg（比值R1/Rg越大测量误差越小），本实验中R1虽比Rg大，但两者之比不是很大，因此导致Rg的测量误差较大。

具体分析如下：

电流表A半偏时的回路总电阻比全偏时的回路总电阻（填“偏大”或“偏小”），导致这时的总电流（选填“变大”或“变小”），半偏时R2Rg（填“大于”或“小于”）。

3．有一电流表

，量程为1mA，内阻rg约为100Ω。

要求测量其内阻。

可选用的器材有：

电阻箱R0，最大阻值为99999.9Ω；滑动变阻器甲，最大阻值为10kΩ；滑动变阻器乙，最大阻值为2kΩ；电源E1，电动势约为2V，内阻不计；电源E2，电动势约为6V，内阻不计；开关2个，导线若干。

采用的测量电路图如图所示，实验步骤如下：

a．断开S1和S2，将R1调到最大；b．合上S1，调节R1使

满偏；c．合上S2，调节R2使

半偏，此时可认为的

的内阻rg＝R2。

试问：

（ⅰ）在上述可供选择的器材中，可变电阻R1应该选　　　　　；为了使测量尽量精确，可变电阻R2应该选择　　　　　　　　；电源E应该选择　　　　　。

（ⅱ）认为内阻rg＝R2，此结果与的rg真实值相比　　　　。

（填“偏大”、“偏小”、“相等”）

4．上题中将滑动变阻器甲改为最大阻值为1kΩ；多加一个电阻箱R0|，最大阻值为999.9Ω；多加一个电源E3，电动势约为15V，内阻不计。

其他条件不变，则：

在上述可供选择的器材中，可变电阻R1应该选　　　　　；为了使测量尽量精确，可变电阻R2应该选择　　　　　；电源E应该选择　　　　　。

5．利用如图22所示电路测量一量程为300mV的电压表的内阻RV，RV约为300Ω。

某同学的实验步骤如下：

①按电路图正确连接好电路，把滑动变阻器R的滑片P滑到a端，闭合开关S2，并将电阻箱R0的阻值调到较大；

②闭合开关S1，调节滑动变阻器滑片的位置，使电压表的指针指到满刻度；

③保持开关S1闭合和滑动变阻器滑片P的位置不变，断开开关S2，调整电阻箱R0的阻值大小，使电压表的指针指到满刻度的一半；读出此时电阻箱R0的阻值，即等于电压表内阻RV。

实验所提供的器材除待测电压表、电阻箱（最大阻值999.9Ω）、电池（电动势约1.5V，内阻可忽略不计）、导线和开关之外，还有如下可供选择的实验器材：

A．滑动变阻器（最大阻值150Ω）；

B．滑动变阻器（最大阻值50Ω）；

根据以上设计的实验方法，回答下列问题：

（1）为了使测量比较精确，从可供选择的实验器材中，滑动变阻器R应选用。

（填序号）。

（2）对于上述测量方法，从实验原理分析可知，在测量无误的情况下，实际测出的电压表内阻的测量值R测（填“大于”、“小于”或“等于”）真实值RV；且在其他条件不变的情况下，若R越大，其测量值R测的误差就越（填“大”或“小”）。

6．为了测量一个量程为3V的电压表的内阻RV（约几千欧），可以采用图23甲电路。

（1）试将图23乙所给实验仪器按实验电路连成测量电路。

（2）在测量时，可供选择的实验步骤有：

A．闭合开关K；

B．将电阻箱R0的阻值调到最大；

C．将电阻箱R0的阻值调到零；

D．调节电阻箱R0的阻值使电压表的指针指示1.5V，记下此时R0的值；

E．调节变阻器R的滑动片P，使电压表的指针指示3.0V；

F．把变阻器R的滑动片P滑到a端；

G．把变阻器R的滑动片P滑到b端；

H．断开开关K；

把必要的合理步骤选出来，按操作顺序将字母代号填在下面横线上。

（3）若在步骤D中读出R0的阻值为图23丙所示位置，则电压表的电阻为Ω。

用这种方法测出的电压表内阻与真实值相比偏（填大或小）。

7．要测量一未知电阻Rx的阻值，实验室提供的器材如下：

A．待测电阻Rx

B．电源E：

电动势约为3V

C．电流表A1：

量程为0~5mA，内阻r1不超过10Ω

D．电流表A2：

量程为0~1mA，内阻r2为50Ω

E．滑动变阻器R：

最大阻值为50Ω

F．电阻箱

：

阻值0~9999.9Ω

G．开关、导线若干

①由于没有电压表，甲同学利用电流表A2和电阻箱改装了一个0~3V的电压表（表盘刻度未改），则电流表A2应与电阻箱_________（填“串联”或“并联”），电阻箱的阻值应为___________Ω。

该同学利用电流表内接法和电流表外接法分别测量Rx两端的电压和通过Rx的电流，读出两表的数据记录如下：

接法一

接法二

1

2

3

1

2

3

A1：

I1/mA

1.50

2.00

2.50

1.50

2.00

2.50

A2：

I2/mA

0.50

0.67

0.84

0.43

0.57

0.71

请你根据测量结果判断接法二是电流表______（填“内”或“外”）接法。

用

表示A2改装后的电压表，在测量Rx的以下实验电路中误差较小的是_______。

②为测量电阻Rx，乙同学设计了如下电路，他确定：

只要保持滑动变阻器的滑片P位置固定，无论怎样调节电阻箱，分压电路的输出电压变化都很小。

这是因为待测电阻Rx______滑动变阻器R（填“远大于”、“远小于”或“大致等于”）。

他的操作步骤如下：

A．将滑动变阻器的滑片P放在最左端，闭合开关S；

B．将电阻箱的阻值调节到零，调节滑动变器，使电流表A2的指针达到满偏；

C．保持滑动变阻器的滑片不动，调节电阻箱，使电流表的指针达到半偏；

D．读出电阻箱的示数，记为R0；

E．断开开关，整理器材。

请你根据已知量与测量量，写出待测电阻Rx的表达式______________。

该测量值与真实值相比_________（填“偏大”或“偏小”）。

八．用电流表和电压表测电池的电动势和内电阻

实验电路如右。

根据闭合电路欧姆定律：

E=U+Ir，本实验电路中电压表的示数是准确的，而电流表的示数比通过电源的实际电流小，所以本实验的系统误差是由电压表的分流引起的。

为了减小这个系统误差，滑动变阻器R的阻值应该小一些，所选用的电压表的内阻应该大一些。

为了减小偶然误差，要多做几次实验，多取几组数据，然后利用U-I图象处理实验数据。

将点描好后，用直尺画一条直线，使尽可能多的点落在这条直线上，而且在直线两侧的点数大致相等，个别偏离直线较远的点舍去（说明偶然误差太大）。

这条直线代表的U-I关系的偶然误差比每一组实验数据的偶然误差都小。

这条直线在U轴上的截距就是被测电源电动势E（对应的I=0），斜率的绝对值就是被测电源的内阻r。

（特别要注意：

有时纵坐标的起始点不是0，求内阻的一般式应该是r=|ΔU/ΔI|）。

【例1】某研究性学习小组利用如图1所示电路测量电池组的电动势E和内阻r。

根据实验数据绘出如图2所示的R—

图线，其中R为电阻箱的读数，I为电流表读数，由此可以得到E＝＿＿V，r＝＿＿＿Ω。

【例2】在某实验室中测量电源的电动势和内电阻，可以提供的器材有：

①待测电池：

电动势E（约3V）、内电阻r（约1Ω）

②电流表：

量程500μA，内阻r2=400Ω

③电流表：

量程3A，内阻r1=0.1Ω

④滑动变阻器：

阻值0-600Ω，额定电流0.5A

⑤滑动变阻器：

阻值0-20Ω，额定电流2.5A

⑥电阻箱：

9999Ω

（a）实验电路如右图所示，根据实验目的，电路中电流表A1应选择________，

A2应选择______，R1应选择_______，R2应选择_______（请填写器材序号）。

（b）通过改变可变电阻的阻值来改变电路中的电流，要求出电池的电动势和内电阻，至少需要测量几组电流值？

_______________

（c）实验中改变电路中的电阻，通过多次读取两电流表的读数，用描点法拟合出电流表A2的电流I2随电流表A1的电流I1的变化的图象，如下图所示。

那么，根据图象可得电动势E的表达式为_______，内电阻r为_________。

（答案只限于用R2、Iy、Ix及电流表的内阻r1、r2表示，而且表达式要求尽量地简约忽略微小量）

【例3】某同学设计了一个如图甲所示的实验电路，用以测定电源电动势和内阻，使用的实验器材为：

待测干电池组（电动势约3V）、电流表（量程0.6A，内阻小于1Ω）、电阻箱（0～99.99Ω）、滑动变阻器（0～10Ω）、单刀双掷开关、单刀单掷开关各一个及导线若干。

考虑到干电池的内阻较小，电流表的内阻不能忽略。

⑴该同学按图甲连线，通过控制开关状态，测得电流表内阻约为0.20Ω。

试分析该测量产生误差的原因是：

⑵简要写出利用图甲所示电路测量电源电动势和内阻的实验步骤：

①_____________________________________________________________________；

②______________________________________________________________________；

⑶图乙是由实验数据绘出的

图象，由此求出待测干电池组的电动势E＝______V、内阻

r＝______Ω。

（计算结果保留三位有效数字）

【例4】某同学用如图3所示的电路测量两节干电池串联而成的电池组的电动势E和内电阻r，R为电阻箱。

干电池的工作电流不宜超过0.5A。

实验室提供的器材如下：

电压表（量程0～3V，内阻约3kΩ），电阻箱（阻值范围0～999.9）；开关、导线若干。

①请根据图3的电路图，在图4中画出连线，将器材连接成实验电路。

②实验时，改变电阻箱R的值，记录下电压表的示数U，得到如下表所示的若干组R、U的数据。

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10