电学实验F.docx

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电学实验F

电学实验

一、电流表、电压表的读数规则：

电流表量程一般有两种——0.1~0.6A，0~3A；电压表量程一般有两种——0~3V，0~15V。

如图10-1所示：

因为同一个电流表、电压表有不同的量程，因此，对应不同的量程，每个小格所代表的电流、电压值不相同，所以电流表、电压表的读数比较复杂，测量值的有效数字位数比较容易出错。

下面是不同表，不同量程下的读数规则：

电压表、电流表若用0~3V、0~3A量程，其最小刻度（精确度）分别为0.1V、0.1A，为10分度仪表读数，读数规则较为简单，只需在精确度后加一估读数即可。

如图所示，电压表读数为1.88V，电流表读数为0.83A。

若指针恰好指在2上，则读数为2.00V（或A）。

电压表若用0~15V量程，则其最小刻度为0.5V，为2分度仪表读数，所读数值小数点后只能有一位小数，也必须有一位小数。

如图所示，若指针指在整刻度线上，如指在10上应读做10.0V，指在紧靠10刻度线右侧的刻度线上（即表盘上的第21条小刻度线）读数为10.5V，若指在这两条刻度线间的中间某个位置，则可根据指针靠近两刻度线的程度，分别读做10.1V，或10.2V，或10.3V，或10.4V，即使是指在正中央，也不能读做10.25V，若这样，则会出现两位不准确的数，即小数点后的2和5，不符合读数规则，如上图中所示，读数应为9.3V。

电流表若用0-0.6A量程，则其最小刻度为0.02A，为5分度仪表读数，其读数规则与0—15V电压表相似，所读数值小数点后只能有两位小数，也必须有两位小数。

如上图所示，电流表读数为0.17A，若指针指在第11条刻度线上，则读数为0.22A，指在第10条刻度线上，读数为0.20A，指在第12条刻度线上，读数为0.24A。

二、滑动变阻器应用分析

滑动变阻器是电学实验中常用的仪器，近几年高考电学设计性实验命题对其应用多次直接或渗透考查.如何选择滑动变阻器的接法设计控制电路仍是历届考生应考的难点.

图12-3

图10-1

滑动变阻器的限流接法与分压接法的特点：

如图10-2所示的两种电路中，滑动变阻器（最大阻值为R0）对负载RL的电压、电流强度都起控制调节作用，通常把图（a）电路称为限流接法，图（b）电路称为分压接法.

负载RL上电压调节范围（忽略电源内阻）

负载RL上电流调节范围（忽略电源内阻）

相同条件下电路消耗的总功率

限流接法

E≤UL≤E

≤IL≤

EIL

分压接法

0≤UL≤E

0≤IL≤

E（IL+Iap）

比较

分压电路调节范围较大

分压电路调节范围较大

限流电路能耗较小

①限流法.如图（a）所示，待测电阻上电压调节范围为

.显然，当R0<>RL时，滑动触头在从b向a滑动的过程中，先是电流表、电压表的示数变化不大，后来在很小的电阻变化范围内，电流表、电压表的读数变化很快，也不方便读数，只有当RL与R0差不多大小时，才能对电流、电压有明显的调控作用.在同样能达到目的的前提下，限流法较为省电，电路连接也较为简单.

②分压法.如图（b）所示，待测电阻上电压调节范围为0～E，且R0相对于RL越小，R上的电压变化的线性就越好.当R0>>RL时，尽管UL变化范围仍是0～E，但数据几乎没有可记录性，因为在这种情况下，滑片从左端滑起，要一直快到右端时，电压表上示数一直几乎为零，然后突然上升到E，对测量几乎没有用处.因此，分压接法要用全阻值较小的滑动变阻器。

滑动变阻器的限流接法与分压接法：

两种电路均可调节负载电阻电压和电流的大小，但在不同条件下，调节效果大不一样，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，灵活选取.

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时，必须采用分压接法.因为按图（b）连接时，因RL>>R0＞Rap,所以RL与Rap的并联值R并≈Rap，而整个电路的总阻值约为R0，那么RL两端电压UL=IR并=

·Rap，显然UL∝Rap,且Rap越小，这种线性关系越好，电表的变化越平稳均匀，越便于观察和操作.

（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RL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）测量时对电路中的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RL与R0相差不大或RL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优先采用限流式接法.

三、电源和电表的选择

1、电源的选择：

选择直流电源，应根据用电器的需要来确定，一般考虑用电器所需的电压、电路中的电流、电源电动势和允许电流等.在不超过待测器材所允许的最大电压值的情况下，选择电动势较大的电源（以获得更多的测量数据）。

在相同电动势情况下，通常选择内电阻较小的电源（以获得较稳定的路端电压）,测电源内阻除外。

2、电表的选择：

在不超过电表量程的条件下，选择量程较小的电表（以便测量时示数能在满刻度的2/3左右）。

四、电学实验分类总结

●伏安法测电阻

【实验说明】伏安法测电阻主要关心三个问题：

1.测量电路的选择（即内接或外接）

2.控制电路的选择（即分压或限流）

3.实验误差的分析

1.测量电路的选择

（1）直接比较法：

当待测电阻阻值Rx<

当待测电阻阻值Rx>>RA时，安培表分压很小，选择安培表内接电路。

（2）临界值计算比较法：

当待测电阻阻值与电压表、电流表的阻值相差不多时，如何确定被测电阻R是较大还是较小呢？

我们要计算两种接法的相对误差，可用

与

相比较.

当

即

时，宜采用电流表外接法；

当

即

时，宜采用电流表内接法；

而

时，电流表内外接法效果是一样的.此时的被测电阻值R我们称为临界电阻。

（3）测试判断法（试触法）

　　若Rx、RA、RV的大小关系事先没有给定，可借助试触法确定内、外接法.具体做法是:

如图10-6所示组成电路，其中电流表事先已经接好，拿电压表的一个接线柱去分别试触M、N两点，观察先后两次试触时两电表的示数变化情况。

如果电流表的示数变化比电压表示数变化明显（即

），说明接M点时电压表分流作用引起的误差大于接N点时电流表分压作用引起的误差，这时应采用内接法（即电压表接N点）。

如果电压表的示数变化比电流表示数变化明显（即

），说明接N点时电流表分压作用引起的误差大于接M点时电压表分流作用引起的误差，这时应采用外接法（即电压表接M点）.

2.控制电路的选择

由电路中所要求或可能出现的电流、电压的范围来选定变阻器，实际流过变阻器的电流不得超过其额定值；如要通过变阻器的电阻改变来读取不同的电流、电压值时，要注意避免变阻器滑片稍有移动电流或电压就会有很大变化的出现，也要避免出现滑片从一头滑到另一头，电流或电压几乎没有变化的情况.

滑动变阻器的全阻值为R0测量电路负载电阻为RL

当R0<

3.实验误差分析

内接法测量值大于真实值，R测>R真

外接法测量值小于真实值，R测

（口决：

“内大外小”，即内接法适合测大电阻且系统误差偏大，即测量值大于真实值，外接法适合测小电阻且系统误差偏小，即测量值小于真实值，）

例1：

图10-7为用伏安法测量一个定值电阻阻值的实验所需器材实物图，器材规格如下：

（1）待测电阻Rx（约100Ω）

（2）直流电源（输出电压4V，内阻可不计）

（3）直流毫安表（量程0~10mA，内阻50Ω）

（4）直流电压表（量程0~3V，内阻5KΩ）

（5）滑动变阻器（阻值范围0~15Ω，允许最大电流1A）

（6）电键一个，导线若干条

根据器材的规格和实验要求，在实物图上连线。

并用“↓”标出在闭合电键前，变阻器的滑动触点应处的正确位置。

例2：

用伏安法测量某一电阻Rx的阻值，现有实验器材如下：

　　A、待测电阻Rx（阻值大约为5Ω，额定功率为1W）

　　B、电流表A1（0~0.6A，内阻0.2Ω）

　　C、电流表A2（0~3A，内阻0.05Ω）

　　D、电压表V1（0~3V，内阻3KΩ）

　　E、电压表V2（0~15V，内阻15KΩ）

　　F、滑动变阻器R0（0~50Ω）

　　G、蓄电池（电动势为6V）

　　H、电键、导线

　　为了较准确测量Rx的阻值，保证器材的安全，以便操作方便，电压表、电流表应选择________，并画出实验电路图。

【巩固练习】

1．用伏安法测量一只定值电阻的实验所需的器材实物如图，各器材规格为：

⑴待测电阻RX（约100Ω）

⑵直流毫安表（量程0-10mA，内阻50Ω）

⑶直流电压表（量程0-3V，内阻5kΩ）

⑷直流电源（输出电压3V，内阻可不计）

⑸滑动变阻器（0-15Ω，允许最大电流1A）

⑹电键一只，导线若干。

根据器材的规格和实验要求，在下面方框中画出实验电路图，并在实物图上用笔画线当导线连接成实验电路。

2．用伏安法测电阻的实验中，所用电压表的内阻约为20kΩ，电流表的内阻约为10Ω，滑动变阻器的最大阻值为20Ω，选用能够尽量减小系统误差的电路进行实验，所测得的各组数据已用实心点标在了右图的坐标纸上。

⑴根据各点表示的数据描出该电阻的伏安特性图线，并由此图线得出该电阻的阻值为RX=______Ω（保留2位有效数字）。

⑵在方框中画出实验电路图。

⑶将实物连接成实验电路。

★试触法确定测量电路

用电流表和电压表测量电阻Rx的阻值．如图4所示，分别将图（a）和（b）两种测量电路连接到电路中，按照（a）图时，电流表示数为4.60mA，电压表示数为2.50V；按照（b）图时，电流表示数为5.00mA，电压表示数为2.30V，比较这两次结果，正确的是（　　）

图4

A．电阻的真实值更接近543Ω，且大于543Ω

B．电阻的真实值更接近543Ω，且小于543Ω

C．电阻的真实值更接近460Ω，且大于460Ω

D．电阻的真实值更接近460Ω，且小于460Ω

●测定金属的电阻率

例3：

在测定金属的电阻率的实验中，金属导线长约0.8m，直径小于1mm，电阻在5Ω左右。

实验主要步骤如下：

⑴用______测量金属导线的长度，测3次，求出平均值L；

⑵在金属导线的3个不同位置上用______________测量直径，求出平均值d；

⑶用伏安法测量金属导线的电阻R。

在方框中画出实验电路图，并试把右图中所给的器材连接成测量R的合适的线路。

图中安培计要求用0-0.6A量程，内阻约1Ω；伏特计要求用0-3V量程，内阻约几kΩ；电源电动势为6V；滑动变阻器阻值0-20Ω。

在闭合电键前，滑动变阻器的滑动触点应处于正确位置。

根据以上测量值，得到该金属电阻率的表达式为ρ=__________。

【螺旋测微器的读数】

1．图中给出的是用螺旋测微器测量一金属薄板厚度时的示数，此读数应为ｍｍ．

2．使用螺旋测微器测量金属丝的直径，示数如图16所示。

金属丝的直径是_______ｍｍ。

3．使用千分尺测量金属丝的直径，示数如图10所示，金属丝的直径为_________mm；

●描绘元件的伏安特性曲线

例4：

某同学测绘标有“3.8V,0.3W”的小灯泡的灯丝电阻R随电压U变化的图象.

1.除了导线和开关外，有以下一些器材可供选择:

电流表：

A:

（量程100mA,内阻约2）;A:

（量程0.6A,内阻约0.3）;

电压表：

V1（量程5V,内阻约5）;V2（量程15V,内阻约15）;

电源：

E1（电动势为1.5V，内阻为0.2）;E2（电动势为4V,内阻约为0.04）.

为了调节方便，测量准确，实验中应选用电流表___________，电压表______________,滑动变阻器________________，电源___________________.（填器材的符号）请在方框内画出实验电路图

2.根据实验数据，计算并描绘出R-U的图象如图3所示.由图象可知，此灯泡在不工作时，灯丝电阻为___________；当所加电压为3.00V时，灯丝电阻为____________,灯泡实际消耗的电功率为___________W.

3.根据R-U图象，可确定小灯泡耗电功率P与外加电压U的关系.符合该关系的示意图是下列图中的__________．

例5：

热敏电阻是传感电路中常用的电子元件。

现用伏安法研究热敏电阻在不同温度下的伏安特性曲线，要求特性曲线尽可能完整。

已知常温下待测热敏电阻的阻值约4~5Ω。

热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中，杯内有一定量的冷水，其它备用的仪表和器具有：

盛有热水的热水杯（图中未画出）、电源（3V、内阻可忽略）、直流电流表（内阻约1Ω）、直流电压表（内阻约5kΩ）、滑动变阻器（0~20Ω）、开关、导线若干。

⑴在图8（a）的方框中画出实验电路图，要求测量误差尽可能小。

⑵根据电路图，在图8（b）的实物图上连线。

⑶简要写出完成接线后的主要实验步骤______________________。

●表头的改装

【实验说明】表头的改装主要关心以下几个问题：

1.表头的改装原理

2.表头内阻的测量

3.半偏法测量表头内阻的误差分析

4.半偏法测量表头内阻的实验改进

5.改装后表头的校准

1.表头的改装原理

1．把电流表改装成电压表时，下列说法正确的是（　　）

A．改装的原理是串联电阻有分压作用

B．改装成电压表后，原电流表本身允许通过的最大电流值也随着变大了

C．改装后原电流表自身的电阻也增大了

D．改装后使用时，加在原电流表两端的电压的最大值不变

2．电流表的内阻是Rg＝200Ω，满刻度电流值是Ig＝500μA，现欲把这电流表改装成量程为1.0V的电压表，正确的方法是（　　）

A．应串联一个0.1Ω的电阻

B．应并联一个0.1Ω的电阻

C．应串联一个1800Ω的电阻

D．应并联一个1800Ω的电阻

3．电流表G的内阻为Rg，用它测量电压时，量程为U；用它改装成大量程的电流表的内阻是RA，量程为I，这几个量的关系是（　　）

A．RA>Rg　

>RgB．RA>Rg>

C．RA

4．一个电流表的刻度盘的每1小格代表1μA，内阻为Rg.如果把它改装成量程较大的电流表，刻度盘的每一小格代表nμA，则（　　）

A．给它串联一个电阻，阻值为nRg

B．给它串联一个电阻，阻值为（n－1）Rg

C．给它并联一个电阻，阻值为

D．给它并联一个电阻，阻值为

5．有一个量程为0.5A的电流表，与阻值为1Ω的电阻并联后通入0.6A的电流，电流表的示数为0.4A，若将该电流表的量程扩大为5A，则应________联一个阻值为________Ω的电阻．

2.表头内阻的测量

半值法（半偏法）

半值法是上面比例法的一个特例，测电流表内阻和测电压表内阻都可以用半值法，电路图如图10-15所示。

甲图实验时先断开开关S’，闭合S，调整滑动变阻器R01（限流法连接），使电流表A满度（即指针指满刻度处）；再闭合S’，调整电阻箱R1，使电流表A的指针恰好指到半满度处，读出此时电阻箱的阻值R，则电流表A的电阻rA=R。

（测量结果偏小）

乙图实验时先闭合开关S’及S，调整滑动变阻器R02（分压法连接），使电压表V满度；再断开S’，调整电阻箱R2，使电压表V的指针恰好指到半满度处，读出此时电阻箱的阻值R，则电压表V的电阻rV=R。

（测量结果偏大）

比例法：

如果有可以作为标准的已知电阻的电表，可以采用比例法测电表的电阻。

用比例法测电表内阻时，两个电流表一般是并联（据并联分流原理），两个电压表一般是串联（据串联分压原理）。

例如，测电流表和电压表的内阻，如果有可以作为标准的已知电阻的电表，都可以使用比例法。

采用比例法测电阻的依据是：

串联电路电压与电阻成正比，并联电路电流与电阻成反比。

电压表可显示电阻两端的电压值，电流表可显示电阻中通过的电流，所以测电流表内阻应把两电流表并联，测电压表内阻应把两电压表串联，电路图分别如图10-14（甲）、（乙）所示。

测电流表内阻时，应调节滑动变阻器R01，使两电流表的指针都有较大偏转，记录下两电表的示数I1和I2，根据并联电路分流原理，若已知电流表A1的内阻为r1，则电流表A2的内阻r2=

。

测电压表内阻时，应调节滑动变阻器R02，使两电压表的指针都有较大偏转，记录下两电表的示数U1和U2，根据串联电路分压原理，若已知电压表V1的内阻r1，则电流表V2的内阻r2=

。

以上例子中，甲图采用限流电路而乙图采用分压电路，这是由于电流表内阻都较小，若采用分压电路，则滑动变阻器的阻值必须更小，这时电路近似于短路，是不允许的；而电压表内阻都很大，若采用限流电路，则滑动变阻器的电阻必须更大，这在实际上行不通。

替代法：

替代法的测量思路是等效的思想，可以是利用电流等效、也可以是利用电压等效。

替代法测量电阻精度高，不需要计算，方法简单，但必须有可调的标准电阻（一般给定的仪器中要有电阻箱）。

替代法是用与被测量的某一物理性质等效，从而加以替代的方法。

如图10-13所示。

先把双刀双掷开关S2扳到1，闭合S1，调整滑动变阻器，使电流表指针指到某一位置，记下此时的示数I（最好为一整数）。

再把开关S2扳到2，调整电阻箱R0，使得电流表指针仍指到示数I。

读出此时电阻箱的阻值r，则未知电阻Rx的阻值等于r。

说明：

①在此实验中的等效性表现在开关换位后电流表的示数相同，即当电阻箱的阻值为r时，对电路的阻碍作用与未知电阻等效，所以未知电阻Rx的阻值等于r。

②替代法是一种简捷而准确度很高的测量电阻的方法，此方法没有系统误差，只要电阻箱和电流表的精度足够高，测量误差就可以忽略。

例6：

为了测定电流表A1的内阻，采用如图1所示的电路。

其中：

A1是待测电流表，量程为300μA内阻约为100Ω；

A2是标准电流表，量程是200μA；

R1是电阻箱，阻值范围0~999.9Ω；

R2是滑动变阻器；R3是保护电阻

E是电池组，电动势为4V，内阻不计；

S1是单刀单掷开关，S2是单刀双掷开关。

（1）根据电路图1，请在图2中画出连线，将器材连接成实验电路.

（2）连接好电路，将开关S2扳到接点a处，接通开关S1，调整滑动变阻器R2使电流表A2的读数是150μA；然后将开关S2扳到接点b处，，保持R2不变，调节电阻箱R1，使A2的读数仍为150μA。

若此时电阻箱各旋钮的位置哪图3所示，电阻箱R1的阻值是Ω，则待测电流表

A1的内阻R3=Ω。

（3）上述实验中，无论怎样调整滑动变阻器R2的滑动端位置，都要保证两块电流表的安全。

在下面提供的四个电阻中，保护电阻R3应选用：

（填写阻值相应的字母）。

A．200KΩB．20KΩC．15KΩD．20Ω

例7：

（１）甲同学要把一个量程为200

的直流电流计

，改装成量度范围是0～4Ｖ的直流电压表。

①她按图１所示电路、用半偏法测定电流计

的内电阻rg，其中电阻Ｒ0约为１

。

为使rg的测量值尽量准确，在以下器材中，电源Ｅ应选用______________，电阻器Ｒ1应选用______________，电阻器Ｒ2应选用______________（选填器材前的字母）

Ａ．电源（电动势1.5Ｖ）　　　　　　　　　Ｂ．电源（电动势6Ｖ）

Ｃ．电阻箱（0～999.9

）　　　　　　　Ｄ．滑动变阻器（0～500

）

Ｅ．电位器（一种可变电阻，与滑动变阻器相当）（0～5.1

）

Ｆ．电位器（0～51

）

②该同学在开关断开情况下，检查电路连接无误后，将Ｒ２的阻值调至最大。

后续的实

验操作步骤依次是______________，______________，______________，

______________，最后记录Ｒ1的阻值并整理好器材。

（请按合理的实验顺序，选填下列

步骤前的字母）

Ａ．闭合Ｓ１

Ｂ．闭合Ｓ２

Ｃ．调节Ｒ２的阻值，使电流计指针偏转到满刻度

Ｄ．调节Ｒ２的阻值，使电流计指针偏转到满刻度的一半

Ｅ．调节Ｒ１的阻值，使电流计指针偏转到满刻度的一半

Ｆ．调节Ｒ１的阻值，使电流计指针偏转到满刻度

③如果所得的Ｒ１的阻值为300.0

，则图１中被测电流计

的内阻ｒ的测量值为______________

，该测量值__________实际值（选填“略大于”、“略小于”或“等于”）。

④给电流计

__________联（选填“串”或“并”）一个阻值为__________

的电阻，就可以将该电流计

改装为量程４Ｖ的电压表。

（2）乙同学要将另一个电流计

改装成直流电压表，但他借到一块标准电压表

、一个电池组Ｅ、一个滑动变阻器

和几个待用的阻值准确的定值电阻。

①该同学从上述具体条件出发，先将带改装的表

直接与电压表

校准。

请你画完图２方框中的校准电路图。

②实验中，当定值电阻Ｒ选用17.0

时，调整滑动变阻器

的阻值，电压表

的示数是4.0Ｖ时，表

的指针恰好指到满量程的五分之二；当Ｒ选用7.0

时，调整

的阻值，电压表

的示数是2.0Ｖ时，表

的指针又指到满量程的五分之二。

由此可以判定，表

的内阻ｒｇ是_______

，满偏电流

是_______ｍＡ。

若要将表

改装为量程是15Ｖ的电压表，应配备一个_______

的电阻。

【巩固练习】

1.一毫安表头满偏电流为9.90mA，内阻约为300Ω．要求将此毫安表头改装成量程为1A的电流表，其电路原理如图所示．图中，是量程为2A的标准电流表，R0为电阻箱，R为滑动变阻器，S为开关，E为电源．

⑴完善下列实验步骤：

①虚线框内的实物图按电路原理图连线；

②滑动变阻器的滑动头调至端（填“a”或“b”），电阻箱R0的阻值调至零；

③合上开关；

④调节滑动变阻器的滑动头，增大回路中的电流，使标准电流表读数为1A；

⑤调节电阻箱R0的阻值，使毫安表指针接近满偏，此时标准电流表的读数会（填“增大”、“减小”或“不变”）；

⑥多次重复步骤④⑤，直至标准电流表的读数为，同时毫安表指针满偏．

⑵回答下列问题：

①在完成全部实验步骤后，电阻箱使用阻值的读数为3.1Ω，由此可知毫安表头的内阻为．

②用改装成的电流表测量某一电路中的电流，电流表指针半偏，此时流过电阻箱的电流

为

③对于按照以上步骤改装后的电流表，写出一个可能影响它的准确程度的因素：

。

答案：

⑴①连线如图

②b

⑤减小

⑥1A

⑵①310Ω

②0.495（0.494～0.496均可）

③例如：

电阻箱和滑动变阻器的阻值不能连续变化；标准表和毫安表的读数误差；电表指针偏转和实际电流的大小不成正比；