高三物理 电学电路实验内容归纳.docx

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高三物理电学电路实验内容归纳

电学电路实验内容归纳(高三)

电学实验包括范围很广,包括测电阻、测功率、测电阻率、描绘伏安特性曲线、测电动势和内电阻、万用表的使用等等,一直是高考的重点内容。

近年来的高考实验部分更是基本实验变化考,基本方法变化考,充分体现了新课改高考是考查学生能力。

但是,万变不离其中,最基本的还是电路的伏安法测电阻,这里就伏安法的问题,进行归纳。

一、电流表内、外接法的选择

由于电流表和电压表内阻的影响,不管采用电流表内接法还是外接法都将引起误差。

在安培内接法中,电流表测量值I是Rx的电流,而电压表测量值U是Rx和电流表串联后的电压,根据

可知,测量值比真实值偏大;安培外接法中,电压表测量值U是Rx的电压,电流表测量值I是Rx和电压表并联后的电流,而根据

可知,测量值比真实值偏小。

比如教材中常提到的几个实验:

测定金属丝的电阻率实验应该用外接法,因为电阻丝的电阻一般都比较小;描绘小灯泡的伏安特性曲线实验也应该用外接法,因为小灯泡的电阻一般也都比较小;而测定电源电动势和内电阻的实验应该选择内接法,因为变阻器本身就是变化的,并不要求又准确数值,表面上看是测变阻器的电阻,实际上是测电源,可谓“醉翁之意不在酒”,假如采用了外界,则测出的r是电源内电阻和电流表内阻之和。

为了减小误差,实验中应根据不同的实验选取不同的接法,具体分两种选择方法:

选择方法1:

当Rx的内阻比较小时,一般采用外接法,而Rx的内阻比较大时,应采用内接法。

如遇到待测电阻值既不是很大又不是很小时,可用临界电阻方法粗略判定:

先算出临界电阻

(推导略,仅使用于RA<R0可采用内接法;若Rx

选择方法2:

当RA、RV均不知的情况时,可用试触法判定:

通过改变电表的连接方式看电流表、电压表的变化大小,确定正确的接法。

若电流表示数变化大,说明电压表的分流作用较大,为了减小误差,应采用电流表内接法;若电压表示数变化大,说明电流表的分压作用较大,为了减小误差,应采用电流表外接法。

例1:

如右图所示,某同学用伏安法测一个未知电阻的阻值,他先将电压表接在a点,读得两表示数分别为U1=3.0V,I1=3.0mA,然后将电压表改接在b点,读得两表示数分别为U2=2.9V,I2=4.0mA,由此可知电压表应接到点误差较小,测得Rx值应为

解析:

两种接法中两表示数变化分别为:

,此时有人得出错误结论:

电流变化大,正确方法应该是看

,可见电流表示数的变化与电压表接a时电流之比为

,而电压表示数变化与电压表接a时电流之比为

,电流表示数变化较电压表示数变化明显,说明电压表的分流作用较大,为了减小误差,应采用电流表内接法,即电压表接a点,此时

二、滑动变阻器分压、限流法的选择

1、限流接法

右图电路中变阻器起限流作用,负载Rx的电压调节范围为

~E,在合上电键前一定要使变阻器所使用的阻值最大,因此在闭合电键前一定要检查滑动触头P是否在正确的一端(图中应为b端)。

2、分压接法

右图电路中变阻器起分压作用,滑片自a端向b端滑动时,负载Rx上电压的调节范围为0~E,显然,滑动变阻器在分压使用时,调节负载上的电压范围比限流法使用时调节范围大。

在合上电键前一定要使变阻器的滑动触头P滑到a端,以使负载的电压和电流最小(均为零)。

3、选择方法

通常情况下,变阻器尽可能选用限流式接法,因为这种接法消耗的电能较小。

但在一下三种情况下,必须选择分压器连接方式:

(1)量程不够:

若采用限流电路时,电表的量程不够或电路中的最小电流仍超过用电器的额定电流时,必须选用分压电路。

(2)变阻器阻值太小:

当用电器电阻远大于滑动变阻器全值电阻,且实验要求的电压变化范围较大(或要求测量多组实验数据)时,必须选用分压电路。

(3)要求从零开始变化:

实验要求回路中某部分电路的电压从零开始可连续变化,必须选用分压电路。

比如教材中常提到的几个实验:

测定金属丝的电阻率实验和测定电源电动势和内电阻的实验,在没有特殊要求的情况下,而选用限流式接法就可以满足正常的实验要求;描绘小灯泡的伏安特性曲线实验,一般都要求从零开始变化或相对连续的电压和电流值,所以通常选用分压器接法。

例2:

(08年高考山东卷理综12分)2007年诺贝尔物理学奖授予了两位发现“巨磁电阻”效应的物理学家。

材料的电阻随磁场的增加而增大的现象称为磁阻效应,利用这种效应可以测量磁感应强度。

若图l为某磁敏电阻在室温下的电阻一磁感应强度特性曲线,其中RB,R0分别表示有、无磁场时磁敏电阻的阻值。

为了测量磁感应强度B,需先测量磁敏电阻处于磁场中的电阻值RB。

请按要求完成下列实验。

(1)设计一个可以测量磁场中该磁敏电阻阻值的电路,在图2的虚线框内画出实验电路原理图(磁敏电阻及所处磁场已给出,待测磁场磁感应强度大小约为0.6~1.0T,不考虑磁场对电路其它部分的影响)。

要求误差较小。

提供的器材如下:

A.磁敏电阻,无磁场时阻值Ro=150Ω

B.滑动变阻器R,全电阻约20Ω

C.电流表.量程2.5mA,内阻约30Ω

D.电压表,量程3V,内阻约3kΩ

E.直流电源E,电动势3V,内阻不计

F.开关S,导线若干

(2)正确接线后,将磁敏电阻置入待测磁场中,测量数据如下表

根据上表可求出磁敏电阻的测量值RB=________Ω,

结合图1可知待测磁场的磁感应强度B=_________T。

(3)试结合图1简要回答,磁感应强度B在0~0.2T和0.4~1.0T范围内磁敏电阻阻值的变化规律有何不同?

(4)某同学查阅相关资料时看到了图3所示的磁敏电阻在一定温度下的电阻一磁感应强度特性曲线(关于纵轴对称),由图线可以得到什么结论?

答案:

(1)如右图所示

(2)15000.90

(3)在0~02T范围内,磁敏电阻的阻值随磁感应强度非线性变化(或不均匀变化);在0.4~1.0T范围内,磁敏电阻的阻值随磁感应强度线性变化(或均匀变化)

(4)磁场反向.磁敏电阻的阻值不变。

三、实验器材的选择

仪器的选择首先应考虑安全因素,其次是误差因素。

各电表:

安全因素应考虑读数不能超过量程,误差因素一般应要求各电表的实际读数不小于量程的

滑动变阻器:

除了应考虑其电流不能超过其最大允许电流(其它电阻类元件相同)的外,在分压接法中,一般选择阻值较小而额定电流较大的变阻器,在限流接法中,变阻器的阻值应与电路中其它电阻的阻值比较接近。

例3:

(07年高考山东卷理综11分)检测一个标称值为5Ω的滑动变阻器。

可供使用的器材如下:

A.待测滑动变阻器

,全电阻约5Ω(电阻丝绕制紧密,匝数清晰可数)

B.电流表

,量程0.6A,内阻约0.6Ω

C.电流表

,量程3A,内阻约0.12Ω

D.电流表

,量程15V,内阻约15kΩ

E.电压表

,量程3V,内阻约3kΩ

F.滑动变阻器R,全电阻约20Ω

G.直流电源E,电动势3V,内阻不计

H.游标卡尺

I.毫米刻度尺

J.电键S、导线若干

(1)用伏安法测定

的全电阻值,所选电流表为_______(填“

”或“

”),所选电压表为____(填“

”或“

”)。

(2)画出测量电路的原理图,并根据所画原理图将图中实物连接成测量电路。

(3)为了进一步测量待测滑动变阻器电阻丝的电阻率,需要测量电阻丝的直径和总长度,在不破坏变阻器的前提下,请设计一个实验方案,写出所需器材及操作步骤,并给出直径和总长度的表达式。

【解析】实验时尽可能使测量数据准确。

所以尽可能使指针偏转在三分之一以上。

所以电压表选择

,电流表选择

答案:

例4:

(07年高考江苏物理卷9分)要描绘某电学元件(最大电流不超过6mA,最大电压不超过7V)的伏安特性曲线,设计电路如图,图中定值电阻R为1kΩ,用于限流;电流表量程为10mA,内阻约为5Ω;电压表(未画出)量程为10V,内阻约为10kΩ;电源电动势E为12V,内阻不计。

⑴实验时有两个滑动变阻器可供选择:

   a、阻值0到200Ω,额定电流0.3A

   b、阻值0到20Ω,额定电流0.5A

本实验应选的滑动变阻器是      (填“a”或“b”)

⑵正确接线后,测得数据如下表

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

U(V)

0.00

3.00

6.00

6.16

6.28

6.32

6.36

6.38

6.39

6.40

I(mA)

0.00

0.00

0.00

0.06

0.50

1.00

2.00

3.00

4.00

5.50

a)根据以上数据,电压表是并联在M与

      之间的(填“O”或“P”)

b)根据以上数据,画出该元件的伏安特性

曲线为。

⑶画出待测元件两端电压UMO随MN间电压UMN变化的示意图为(无需数值)

 

答案、⑴a

⑵(a)P

(b)如图

 

四、实物连接:

实物连接图中,只要有一处错误就不得分,因为一处错误便不能使电路正常工作。

需要注意:

滑动变阻器接法(不能接到滑片上或腿上);电表的量程和正负接线柱;单刀双掷开关;分压器电路等。

详细内容略。

例5:

(08年高考各天津卷理综)

(2)用下列器材组装成描绘电阻R0伏安特性曲线的电路,请将实物图连线成为实验电路。

微安表μA(量程200μA,内阻约200Ω);

电压表V(量程3V,内阻约10kΩ);

电阻R0(阻值约20kΩ);

滑动变阻器R(最大阻值50Ω,额定电流1A);

电池组E(电动势3V,内阻不计);

开关S及导线若干。

答案:

见右图

五、伏安法测电阻的变化

1.只有一个表测电源电动势和内电阻

其实,这不是一个实验而是一道电路习题(如教材选修3-1P62例题),但完全可能变成一个实验习题考查。

一般分只有电压表和只有电流表两种情况(见右图)。

当然,若电动势和R1以及接通R1时表的示数已知,还可以变成判断S接R2时表的示数范围。

(具体略)

2、电表的改装

有的实验所给的仪器中,虽然给了电流表和电压表,但是,其中一个表(电压表或电流表)明显量程不够,即使采用分压器接法,也不能满足实验要求,这种情况下,一般在所给的实验器材中,还格外给出一个定值电阻或电阻箱,这时就需要将量程不够的电表和定值电阻或电阻箱,改装成另外一个量程足够的电表。

当然,也有的实验是给出两块电流表和一个定值电阻或电阻箱,其中一个电流表的内阻给出具体数值而不是大约数值,这时也需要将这块内阻固定的电流表和定值电阻或电阻箱,改装成电压表来使用。

例6:

(07年高考宁夏理综)

利用伏安法测量干电池的电动势和内阻,现有的器材为:

干电池:

电动势约1.5V,符号

电压表:

量程1V,内阻998.3Ω,符号

电流表:

量程1A,符号

滑动变阻器:

最大阻值10Ω,符号

电阻箱:

最大阻值99999.9Ω,符号

单刀单掷开关1个,符号

导线若干

①设计测量电源电动势和内阻的电路并将它画在指定的方框内。

要求在图中标出电压表、电流表的接线柱的正负。

②为了满足本实验要求并保证实验的精确度,电压表量程应扩大为原量程的________倍,电阻箱的阻值应为__________Ω。

【解析】⑴这是圆柱形电容器,但可以定性地根据平行板电容器的公式判断,由平行板电容器的公式

,可推测影响圆柱形电容器电容的因素有:

正对面积、板间距离、极板间的介质即H、R1、R2、ε。

⑵①考虑到电源的内阻比较小,则电流表接法是确定的,所以必须连接成答案所示。

②因为干电池的电动势约为1.5V,电压表的量程1V,为了满足本实验要求并保证实验的精确度,电压表量程应扩大为原量程的2倍;又因电压表的内阻为998.3Ω,所以电阻箱的阻值也应为998.3Ω。

答案:

⑴H、R1、R2、ε(正对面积、板间距离、极板间介质)

⑵①如右图②2;998.3

例7:

(08年高考全国II理综13分)右图为一电学实验的实物连线图。

该实验可用来测量特测电阻Rx的阻值(约500Ω)。

图中两个电压表量程相同,内阻都很大。

实验步骤如下:

1调节电阻箱,使它的阻值R0与待测电阻的阻值接近;将滑动变阻器的滑动头调到最右端。

2合上开关S。

3将滑动变阻器的滑动头向左端滑动,使两个电压表指针都具有明显偏转。

④记下两个电压表

的读数U1和U2。

⑤多次改变滑动变阻器滑动头的位置,记下

的多组读数U1和U2。

⑥求Rx的平均值。

回答下列问题:

(Ⅰ)根据实物连线图在虚线框内画出实验的电路原理图,其中电阻箱的符号为

滑动变阻器的符号为           

,其余器材用通用的符号表示。

(Ⅱ)不计电压表内阻的影响,用U1、U2和R0表示Rx的公式为Rx                             。

(Ⅲ)考虑电压表内阻的影响,且U1、U2、R0、 

的内阻r1、

的内阻r2表示Rx的公式为Rx         。

解析:

(Ⅰ)电路原理图如图所示(6分。

其中,分压电路3分,除分压电路外的测量部分3分)

(Ⅱ)

(3分)

(Ⅲ)

3、表的改装与校对

例8:

(08年高考全国I理综12分)一直流电压表,量程为1V,内阻为1000Ω,现将一阻值为5000~7000Ω之间的固定电阻R1与此电压表串联,以扩大电压表的量程.为求得扩大后量程的准确值,再给定一直流电源(电动势E为6~7V,内阻可忽略不计),一阻值R2=2000Ω的固定电阻,两个单刀开关S1、S2及若干线.

(1)为达到上述目的,将答题卡上对应的图连成一个完整的实验电路图.

(2)连线完成以后,当S1与S2均闭合时,电压表的示数为0.90V;当S1闭合,S2断开时,电压表的示数为0.70V,由此可以计算出改装后电压表的量程

为V,电源电动势为V.

答案:

 

例9:

(08年高考海南卷物理)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将虚线框内的实物图按电路原理图连线;

②将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A.

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:

解析:

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;等等

4、电流表和电压表之间的替代

有的实验所给的仪器中,没有电压表而有两个电流表,其中至少一个电流表的内阻给出具体数值而不是大约数值,这时就可以用这块内阻确定的电流表代替电压表,读数时,将这块表的示数(电流)乘以其内阻,就等于跟这块表并联的那部分电路的电压。

若没有电流表而有两个电压表,其中至少一个电压表的内阻给出具体数值而不是大约数值,这时就可以用这块内阻确定的电压表代替电流表,读数时,将这块表的示数(电流)除以其内阻,就等于跟这块表串联的那部分电路的电流。

例10:

(04年高考)用以下器材测量一待测电阻Rx的阻值(900~1000Ω):

电源E,具有一定内阻,电动势约为9.0V;

电压表V1,量程为1.5V,内阻r1=750Ω;

电压表V2,量程为5V,内阻r2=2500Ω;

滑线变阻器R,最大阻值约为100Ω;

单刀单掷开关K,导线若干。

(1)测量中要求电压表的读数不小于其量程的

,试画出测量电阻Rx的一种实验电路原理图(原理图中的元件要用题图中相应的英文字母标注)。

(2)根据你所画的电路原理图在题给的实物图上画出连线。

(3)若电压表V1的读数用U1表示,电压V2的读数用U2表示,则由已知量和测得量表示Rx的公式为Rx。

解析:

本题提供了两只电压表,在没有电阻箱和定值电阻的情况下,不能用替代法和等效测量法,只能用伏安法测量,提供的电压表中必定有一只电压表要做电流表使用。

由于待测电阻的阻值范围在900-1000之间,而电压表V1的内阻r1=750Ω,电压表V2的内阻r2=2500Ω,待测电阻阻值与电压表V1的内阻阻值比较接近,不存在明显关系,所以“电流表”内接和“电流表”外接应该都是可行的。

由于两个电压表的读数均不低于量程的

,要想满足上述条件,电路也要接成分压电路。

Rx=

或Rx=

5、半偏法测电表的内阻

“半偏法”是一种科学巧妙的测定电表内阻的方法,常见的有“半偏电流法”和“半偏电压法”,下面对这两种方法作一比较。

(1)、半偏电流法

在用“半偏电流法”测定电流表的内电阻的实验中,如图1,R1和R2是电阻箱,先闭合S1,调节R1,使电流表指针偏转到满刻度;再闭合S2,调节R2使电流表指针指在刻度盘的中央。

则近似有rg=R2。

(2)、半偏电压法

在用“半偏电压法”测定电压表的内电阻的实验中,如图2,R11为滑动变阻器,R2为电阻箱,闭合开关S前,将滑动变阻器滑片P移到最右端,并将电阻箱的电阻调至零;闭合S,调节滑动变阻器R1的阻值,使电压表的指针指到满刻度;保持P不动,调节电阻箱R2阻值,使电压表指针指到刻度盘的中央,记下此时R2的值。

则近似有Rv=R2。

(3)、误差分析:

半偏电流法:

根据闭合电路欧姆定律和串并联的特点,当闭合开关S2,调整电流表半偏时,回路中的总电流增大,故流过R2的实际电流比流过电流表的电流大,因此,R2<rg,即测量值小于真实值。

半偏电压法:

根据闭合电路欧姆定律和串并联电路的特点,当调整电压表半偏时,R2和电压表上的电压之和增大,故R2上的实际电压大于电压表上的电压,因此,R2>Rv,即测量值大于真实值。

(4)、其它的半偏法:

按图3接好电路。

G为待测电表,mV为毫伏表,R0为电阻箱,R′为保护电阻。

实验时,R′调至最大阻值,R0调到较小的阻值R1。

先调节R,再调节R′使G的指针满偏(通过它的电流为Ig)记下毫伏表的读数U,则U=Ig(R1+Rg)。

调节R0及R,使检流计的指针达到半偏,而毫伏表读数不变,这时电阻箱示数为R2,则U=(1/2)Ig(R2+Rg)

由上面两式可得:

Rg=R2-2R1

如果实验时能够做到R0=0时,使G表指针指向满刻度,则Rg=R2。

也可以用图4所示电路测量检流计内阻。

G为待测电阻的检流计,μA为微安表,R0为电电阻箱,R′为保护电阻。

实验时,先断开S2,闭合S1,调节R和R′,使G表电流达到满偏,记下微安表的读数I。

闭合S2,调节R0及R,使检流计的指针达到半偏,而微安表读数仍保持I不变。

这时G与电阻箱R0中的电流相等,均为(1/2)I,由欧姆定律:

,有

即这时电阻箱的阻值等于检流计的内阻。

用图5也可测出检流计的内阻。

开始时使滑动变阻器R上的分压值最小,电阻箱R′的阻值较大。

闭合开关,调节R及R′的阻值使G的指针满偏。

保持R的分压值不变,调节R′使G的指针半偏,如前后两次R′的阻值分别为R1和R2,则

可得Rg=R2-2R1。

例11:

(07年高考全国理综II)有一电流表,量程为1mA,内阻r1约为100Ω。

要求测量其内阻。

可选用器材有:

电阻器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:

①断开S1和S2,将R调到最大;②合上S1调节R使满偏;③合上S2,调节R1使半偏,此时可以认为的内阻rg=R1,试问:

①在上述可供选择的器材中,可变电阻R1应该选择;为了使测量尽量精确,可变电阻R应该选择;电源E应该选择。

②认为内阻rg=R1,此结果与rg的真实值相比。

(填“偏大”、“偏小”或“相等”)

答案:

⑴AC⑵①R0;滑动变阻器甲;E2②偏小

6.把实验题当作计算题处理。

(1)根据闭合电路欧姆定律列方程求解待测量;

(2)根据欧姆定律的变式求解电阻。

在利用伏安法测电源的电动势和内阻的实验中,只要测出外电路的电压变化量和电流的变化量(外电压的变化量始终等于内电压的变化量),就可以求出电源的内阻。

7、其它电路实验变化

电路实验变化很多,但万变不离其宗,无论怎么变化,都可以看到以上的影子。

例12:

(07年高考海南卷)图1中电源电动势为E,内阻可忽略不计;电流表

具有一定的内阻,电压表

的内阻不是无限大,S为单刀双掷开关,R为待测电阻。

当S向电压表一侧闭合时,电压表读数为U1,电流表读数为I1;当S向R一侧闭合时,电流表读数为I2。

(1)根据已知条件与测量数据,可以得出待测电阻R=______________。

(2)根据图1所给出的电路,在图2的各器件实物图之间画出连接的导线。

【解析】

(1)当S向电压表一侧闭合时,电压表读数为U1,电流表读数为I1;根据闭合电路欧姆定律有

;整理得

;当S向R一侧闭合时,电流表读数为I2。

根据闭合电路欧姆定律有

,整理得

  

(2)连线如图

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