第八讲电学实验基础一.docx

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第八讲电学实验基础一

第八讲电学实验

（一）

【考纲介绍】

主题

内容

要求说明

实验

实验七：

测定金属的电阻率（同时练习使用螺旋测微器）

实验八：

描绘小电珠的伏安特性曲线

实验九：

测定电源的电动势和内阻

实验十：

练习使用多用电表

1．要求会正确使用的仪器主工有：

刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器、天平、秒表、电火花计时器或电磁打点计时器、弹簧秤、电流表、电压表、多用电表、滑动变阻器、电阻箱、温度计等。

2．要求认识误差问题在实验中的重要性，了解误差的概念，知道系统误差和偶然误差；知道用多次测量求平均值的方法减少偶然误差；能在某些实验中分析误差的主要来源；不要求计算误差。

3．要求知道有效数字的概念，会用有效数字表达直接测量的结果。

间接测量的有效数字运算不做要求。

（一）描绘小灯泡的伏安特性曲线

【实验目的】

通过实验来描绘小灯泡的伏安特性曲线，并分析曲线的变化规律．

【实验原理】

1．实验原理：

金属物质的电阻率随温度升高而增大，从而使得一段金属导体的电阻随温度发生相应变化．对一只灯泡来说，不正常发光和正常发光时灯丝的电阻值可以相差几倍到十几倍，它的伏安特性曲线（I－U图线）并不是一条直线．即灯丝的电阻是非线性的，本实验通过描绘伏安特性曲线的方法来研究钨丝灯泡在某一电压变化范围内阻值的变化，从而了解它的导电特性．

2．实验器材：

小灯泡，4V－6V学生电源，滑动变阻器，伏特表，安培表，开关，导线若干．

3．实验电路图：

4．实验步骤：

（1）按上图连接好电路，把滑动变阻器的滑动臂P调节到靠近A端处．

（2）闭合电键S，把滑动臂P调节到某个合适的位置，然后读出此时伏特表的示数U1和安培表的示数I1，并把它们记录到下面表格中．

（3）把滑动片P从近A端逐渐往B端调节，重复步骤

（2），读出并记录下12组左右不同的电压值和电流值．

（4）断开电键S，拆除电路．

（5）以I为纵轴，U为横轴画出直角坐标系，选取适当的标度，在坐标平面内依次描出12组数据所表示的点，然后用平滑曲线连接这些点，此曲线就是小灯泡的伏安特性曲线．

5．注意事项

（1）本实验中，因被测小灯泡灯丝电阻较小，因此实验电路必须采用电流表外接法．

（2）因本实验要作I－U图线，要求测出一组包括零在内的电压、电流值，因此变阻器要采用分压接法．

（3）电键闭合前变阻器滑片移到图中所示的A端．

（二）测定金属的电阻率

【实验目的】

1．练习使用螺旋测微器；2．学会用伏安法测电阻；3．测定金属的电阻率．

【实验原理】

1．原理：

根据电阻定律公式

，只要测量出金属导线的长度l和它的直径d，计算出导线的横截面积S，并用伏安法测出金属导线的电阻R，即可计算出金属导线的电阻率．

2．器材：

螺旋测微器；毫米刻度尺；电池组；电流表；电压表；滑动变阻器；电键；被测金属导线；导线若干．

3．步骤：

（1）用螺旋测微器在被测金属导线上的三个不同位置各测一次直径，求出其平均值d，计算出导线的横截面积S．

（2）按图所示的原理电路图连接好用伏安法测电阻的实验电路．

（3）用毫米刻度尺测量接入电路中的被测金属导线的有效长度，反复测量3次，求出其平均值l．

（4）把滑动变阻器的滑动片调节到使接入电路中的电阻值最大的位置，电路经检查确认无误后，闭合电键S改变滑动变阻器滑动片的位置，读出几组相应的电流表、电压表的示数I和U的值，记入记录表格内，断开电键S．求出导线电阻R的平均值．

（5）将测得R、l、d的值，代人计算公式

中，计算出金属导线的电阻率．

（6）拆去实验线路．整理好实验器材．

（三）实验仪器的使用及读数方法

一、误差和有效数字

1．误差

测量值与真实值的差异叫做误差。

误差可分为系统误差和偶然误差两种。

1系统误差的特点是在多次重复同一实验时，误差总是同样地偏大或偏小。

2偶然误差总是有时偏大，有时偏小，并且偏大和偏小的机会相同。

减小偶然误差的方法，可以多进行几次测量，求出几次测量的数值的平均值。

这个平均值比某一次测得的数值更接近于真实值。

2．有效数字

带有一位不可靠数字的近似数字，叫做有效数字。

⑴　有效数字是指近似数字而言。

⑵　只能带有一位不可靠数字，不是位数越多越好。

在物理实验中有估读要求的仪器（如螺旋测微器）一定要有估读。

实际计算时取二到三位有效数字即可。

注意在平时的估算题中，了解有效数字的计算规则是有好处的，它们是：

有效数字与别的数相加减、相乘除，所得的结果是不可靠的

计算结果只能保留一位不可靠数字，

二、测量仪器的读数方法

1．需要估读的仪器：

在常用的测量仪器中，刻度尺、螺旋测微器、电流表、电压表、天平、弹簧秤等读数时都需要估读。

因为最终的读数要以有效数字的形式给出，而有效数字的最后一位数字为估计数字，应和误差所在位置一致，在实际操作中，究竟估读到哪一位数字，应由测量仪器的精度（即最小分度值）和实验误差要求两个因素共同决定。

根据仪器的最小分度可以分别采用1/2、1/5、1/10的估读方法，一般：

　最小分度是2的，（包括0.2、0.02等），采用1/2估读，如安培表0～0.6A档；

　最小分度是5的，（包括0.5、0.05等），采用1/5估读，如伏特表0～15V档；

　最小分度是1的，（包括0.1、0.01等），采用1/10估读，如刻度尺、螺旋测微器、安培表0～3A档、电压表0～3V档等，当测量精度要求不高或仪器精度不够高时，也可采用1/2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。

三、游标卡尺

三种游标尺比较

游标尺（mm）

精度

（mm）

测量结果（游标尺上第n个格与主尺上的刻度线对正时）（mm）

刻度格数

刻度总长度

每小格与1mm差

10

9

0.1

0.1

主尺上读的毫米数+0.1n

20

19

0.05

0.05

主尺上读的毫米数+0.05n

50

49

0.02

0.02

主尺上读的毫米数+0.02n

注意：

（1）主尺上的读数，应以游标的0刻度左端上主尺的刻度为准；

（2）看清游标的精确度；

（3）游标卡尺都是根据刻线对齐来读数的，所以都不再往下一位估读。

例1、读出下列游标卡尺测量的读数

⑴cm⑵cm⑶cm

四、螺旋测微器

1．刻度原理

螺旋测微器又叫千分尺，它是一种比游标卡尺更精密的测量长度的仪器。

用它测量长度可以准确到0.01mm。

螺旋测微器的螺距等于0.5mm，每转一周长，螺杆前进或后退0.5mm。

把周长分为50等份，每一小格表示0.01mm。

2．读数方法

　　读数时，从固定刻度上读取整、半毫米数，然后从可动刻度上读取剩余部分（因为是10分度，所以在最小刻度后必须再估读一位），再把两部分读数相加，得测量值。

注意：

（1）看半刻度是否露出；

（2）可动刻度要估读。

例2、读出下列螺旋测微器测量的读数。

1

⑵

1mm⑵mm

例3、（05全国卷Ⅲ）用螺旋测微器测圆柱体的直径时，示数如图所示，此示数为_______mm。

例4、（07天津）　一种游标卡尺，它的游标尺上有50个小的等分刻度，总长度为49mm。

用它测量某物体长度，卡尺示数如图所示，则该物体的长度是_______cm。

（四）电学仪器（和电路）选择

1、安培表内接法与外接法：

要想精确测量电阻，选用好的实验方法很重要，如果电压表或电流表都是理想化电表，两种方法都能准确地测量出电阻的大小，但如果电压表和电流表都有电阻，选择好的方法能大大减少误差。

下面我们以伏特表内阻为RV，安培表内阻为RA，待测电阻为RX。

待测电阻RX的测量值为R测＝U测／I测。

准确度取决于电压表与电流表读数。

安培表内接法

安培表外接法

当RX>>RA时采用误差小

或当

时采用

当RV>>RX时采用误差小

或当

时采用

电压表读数偏大，电流表准确

电流表偏大电压表准确

测量值大于真实值（多了安培表内阻）

R测＝R真＋RA

测量值小于真实值（与电压表内阻并联值）

试触法：

通过改变电表的连接方式，观察两个电表的读数变化情况，如果电流表变化明显的，应采用安培表内接法，这样可以避免在外接法中读数偏离真实值太多；如果电压表变化明显的，应用安培表外接法，这样电压表读数会精确些

例5、有一个未知电阻，为了较准确地测出其电阻值，采用试触的方法，当电压表的预留端接在A点时，两电表的读数分别为4.8V，5.0mA，接在B点时，两电表的读数分别为5.0V，4.0mA，则被测电阻的测量值较准确的数值等于多少？

2、分压法与限流法：

为保证用电器的安全以及读数的精确性，滑动变阻器有两种接法，它们各有优缺点，选用哪种接法很有讲究，以安全第一、准确第二、方便节能第三的顺序考虑问题，这是高考实验考察的重点内容。

下面我们假设用电器电阻为RX，滑动变阻器的最大电阻为R，电源电动势为E，内电阻为r。

限流法

分压法

合上电键前要使滑动变阻器的电阻处于最大值，对应图中应是滑动头移至最右端

合上电键前要使用电器受到的电压最小，对应图中滑动变阻器的滑动头应移到最右端

实物图中只用到上下两个接头

实物图中用到上面一个下面两个接头

用电器的电压调节范围（计电源内阻）

用电器的电压调节范围（不计内阻）

用电器的电压调节范围（计电源内阻）

用电器的电压调节范围（不计内阻）

滑动变阻器的电阻与用电器的电阻差不多大时电压调节作用最理想

滑动变阻器的电阻越小调节用电器的电压作用越好

选法精析：

1要求负载上电压或电流从零开始连续可调（或要求变化范围较大），须用分压式接法。

2负载电阻Rx远大于滑动变阻器总电阻R时，须用分压式接法，此时若采用限流式接法对电路基本起不到调节作用。

3采用限流电路时，电路中的最小电流（电压）仍超过电流表的量程或超过用电器的额定电流（电压）时，应采用变阻器的分压式接法。

4负载电阻的阻值Rx小于滑动变阻器的总电阻R或相差不大，并且电压表、电流表示数变化不要求从零开始起调，可用限流式接法。

5两种电路均可使用时应优先用限流式接法，因为限流电路结构简单，总功率较小，连线方便．不过在不强调能耗情况下，绝大多数都可用分压法。

不过分压法更要考虑变阻器的最大电流不得超过其限度．

3、电学仪器（和电路）选择法：

以“安全性”、“精确性”、“方便性”为前提，综合考虑。

选择电学实验仪器主要是选择电表、滑动变阻器、电源等器件。

选择电表以不使电表受损和尽量减少误差的原则，即加在电表上的最小电压或电流不得超过最大量程，实验过程中指针可移动范围最好在三分之一至三分之二量程这一段。

选择滑动变阻器要考虑它的额定电流，然后对采用分压法的选小阻值，对采用限流法的滑动变阻器的阻值选比电路中的电阻稍大些为好。

对于滑动头稍有移动，使电流电压有很大变化的，不宜采用。

对器材的选择的一般步骤是：

①找出唯一性的器材；②草画电路图（暂不把电表接入）；③估算电流最大值和最小值④考虑电表安全否，（及该用分压法还是限流法），以及能否使电表达到满偏的1/3以上。

在“伏安法测电阻”和“伏安法测电池电动势和内电阻”的实验中，一般选用总阻值较小的滑动变阻器，前者可方便调节，因为电阻丝的电阻很小；后者可减少误差。

因为它与大阻值的电压表并列，使流过电压表的电流较小，电流表测的值更接近干路上的总电流。

另处这两个实验的电压与电流都不大，电表量程一般取3V与0.6A的量程。

例6、用伏安法测量某电阻Rx阻值，现有实验器材如下：

待测电阻Rx（阻值约为100欧）；直流电流表A（0～10mA，50Ω）；电压表

（0～3V，

）；滑动变阻器

（0～

，1A）；直流电源（电动势为3V，内阻不计）；电键、导线若干。

根据规格要求，画出测量电路图。

例7、有一个小灯泡上标有“6V，0.6W”的字样，现在要用伏安法测量这个灯泡的I—U图线。

现有实验器材如下：

电压表（0～10V，内阻20

）；电流表（0～0.3A，内阻1

）；滑动变阻器（

）；学生电源（直流9V），还有开关、导线。

为使实验误差尽量减小，画出实验电路图。

例8、在“测定金属丝的电阻率”的实验中若估测金属丝的电阻Rx约为3Ω，为减小误差，并尽可能测量多组数据，要求电阻丝的发热功率P＜0.75W，备有器材如下：

A、6V直流电源；B、直流电流表A1（0～0.6A，内阻

）；

C、直流电流表A2（0～3A，内阻

）；D、直流电压表V1（0～3V，

）；

E、直流电压表V2（0～15V，

）；F、滑动变阻器R1（0～

，最大允许电流1A）；

G、滑动变阻器R2（0～

，最大允许电流1A）；

H、电键、导线若干。

问：

（1）上述器材选用（用字母表示）

（2）画出实验电路图。

（3）在图5中连接实物。

例9．（08年四川）如图为用伏安法测量电阻的原理图。

图中V为电压表，内阻为4000

；mA为电流表，内阻为50

。

E为电源，R为电阻箱，Rx为待测电阻，S为开关。

（l）当开关闭合后电压表读数U＝l.6V，电流表读数I＝2.0mA。

若将

作为测量值，所得结果的百分误差是_______。

（2）若将电流表改为内接。

开关闭合后，重新测得电压表读数和电流表读数，仍将电压表读数与电流表读数之比作为测量值，这时结果的百分误差是_______。

（百分误差

）

例10．（03年全国）用伏安法测量电阻阻值R，并求出电阻率ρ。

给定电压表（内阻约为50k

）、电流表（内阻约为40

）、滑线变阻器、电源、电键、待测电阻（约为250

）及导线若干。

（1）画出测量R的电路图。

（2）图1中的6个点表示实验中测得的6组电流I、电压U的值，试写出根据此图求R值的步骤：

________。

求出的电阻值R＝。

（保留3位有效数字）

（3）待测电阻是一均匀材料制成的圆柱体，用游标为50分度的卡尺测量其长度与直径，结果分别如图2、图3所示。

由图可知其长度为，直径为。

（4）由以上数据可求出ρ＝___________。

（保留3位有效数字）

例11．（06年北京）某同学用图所示电路，测绘标有“3.8V,0.3A”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：

A1：

（量程100mA，内阻约2

）；

A2：

（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

）；

滑动变阻器：

R1（阻值范围0～12

）；

R2（阻值范围0～2k

）

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_______。

②根据实验数据，计算并描绘出R－U的图象如图所示。

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。

是下列图中的（）

例12.（2011福建理综卷）某同学在探究规格为“6V，3W”的小电珠伏安特性曲线实验中：

（1）在小电珠接入电路前，使用多用电表直接测量小电珠的电阻，则应将选择开关旋至____档进行测量。

A．直流电压10VB．直流电流5mAC．欧姆× 100D．欧姆× 1

（2）该同学采用图甲所示的电路进行测量。

图中R为滑动变阻器（阻值范围0~20Ω，额定电流1.0A），L为待测小电珠，

为电压表（量程6V，内阻20kΩ），

为电流表（量程0.6A，内阻1Ω），E为电源（电动势8V，内阻不计），S为开关。

Ⅰ．在实验过程中，开关S闭合前，滑动变阻器的滑片P应置于最____端；（填“左”或“右”）

Ⅱ．在实验过程中，已知各元器件均无故障，但闭和开关S后，无论如何调节滑片P，电压表和电流表的示数总是调不到零，其原因是_____点至_____点的导线没有连接好；（图甲中的黑色小圆点表示接线点，并用数字标记，空格中填写图甲中的数字，如“2点至3点”的导线）

Ⅲ．该同学描绘出小电珠的伏安特性曲线示意图如图乙所示，则小电珠的电阻值随工作电压的增大而______。

（填“不变”、“增大”或“减小”）

例13.（2011年高考·广东理综卷）在“描绘小电珠的伏安特性曲线”实验中，所用器材有：

小电珠（2.5V，0.6W），滑动变阻器，多用电表，电流表，学生电源，开关，导线若干。

（1）粗测小电珠的电阻，应选择多用电表_____倍率的电阻档（请填写“×1”、“×10”或“×100”）；调零后，将表笔分别与小电珠的两极连接，示数如图1，结果为_____Ω。

（2）实验中使用多用电表测量电压，请根据实验原理图2完成实物图3中的连线。

（3）开关闭合前，应将滑动变阻器的滑片P置于____端。

为使小电珠亮度增加，P应由中点向_____端滑动。

（4）下表为电压等间隔变化测得的数据，为了获得更准确的实验图象，必须在相邻数据点_____间多测几组数据（请填写“ab”、“bc”、“cd”、“de”或“ef”）

数据点

a

b

c

d

e

f

U/V

0.00

0.50

1.00

1.50.

2.00

2.50

I/A

0.000

0.122

0.156

0.185

0.216

0.244

例14．现仅有以下器材：

电流表A1：

量程0.2A；

电流表A2：

量程0.02A

电流表V1：

量程3.0V；

电流表V2：

量程100.0V

滑动变阻器R：

0~10

电阻箱R0：

0~9999.9

，0.1A

蓄电池组E：

电动势E=6V，内阻r约0.1

电键S及导线若干

为较准确测定一电阻值Rx约1.2

的电阻丝的阻值，已有甲、乙两位同学分别设计了甲、乙两个电路图来测量Rx。

但甲、乙两电路设计均有不合理之处，请指出存在的问题。

（1）甲图不合理之处：

，。

（2）乙图不合理之处：

，。

（3）请设计一个实验用的较合理的电路图，画在规定方框内，并写出Rx的计算公式。

Rx=；各量的意义是：

。