中学电学实验.docx

中学电学实验.docx

《中学电学实验.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《中学电学实验.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

中学电学实验

中学电学试验

一、误差和有效数字

二、基本测量仪器及读数（读数技巧）

三、电学实验电路的设计思路与方法

四、电学中的四个实验

1描绘小灯泡的伏安特性曲线

2测定金属的电阻率（练习使用千分尺）

3测电源的电动势和内阻

4用多用电表探索黑箱内的电学元件

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。

⑴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。

⑵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。

凡是用测量仪器直接测量的结果，读数一般要求在读出仪器最小刻度所在位的数值（可靠数字）后，再向下估读一位（不可靠数字），这里不受有效数字位数的限制。

间接测量的有效数字运算不作要求，运算结果一般可用2~3位有效数字表示。

二、基本测量仪器及读数

高考要求会正确使用的仪器主要有：

刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器、天平、秒表、打点计时器、弹簧秤、温度表、电流表、电压表、多用电表、滑动变阻器、电阻箱等等。

1刻度尺、秒表、弹簧秤、温度表、电流表、电压表的读数

使用以上仪器时，凡是最小刻度是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，但是是有效数字的不可缺少的组成部分）。

凡是最小刻度不是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。

例如

⑴读出上左图中被测物体的长度。

⑵上右图用3V量程时电压表读数为多少？

用15V量程时电压表度数又为多少？

⑶右图中秒表的示数是多少分多少秒？

凡仪器的最小刻度是10分度的，在读到最小刻度后还要再往下估读一位。

⑴6.50cm。

⑵1.14V。

15V量程时最小刻度为0.5V，只读到0.1V这一位，应为5.7V。

⑶秒表的读数分两部分：

小圈内表示分，每小格表示0.5分钟；大圈内表示秒，最小刻度为0.1秒。

当分针在前0.5分内时，秒针在0~30秒内读数；当分针在后0.5分内时，秒针在30~60秒内读数。

因此图中秒表读数应为3分48.75秒（这个5是估读出来的）。

2.游标卡尺

⑴10分度的游标卡尺。

游标上相邻两个刻度间的距离为0.9mm，比主尺上相邻两个刻度间距离小0.1mm。

读数时先从主尺上读出厘米数和毫米数，然后用游标读出0.1毫米位的数值：

游标的第几条刻线跟主尺上某一条刻线对齐，0.1毫米位就读几（不能读某）。

其读数准确到0.1mm。

⑵20分度的游标卡尺。

游标上相邻两个刻度间的距离为0.95mm，比主尺上相邻两个刻度间距离小0.05mm。

读数时先从主尺上读出厘米数和毫米数，然后用游标读出毫米以下的数值：

游标的第几条刻线跟主尺上某一条刻线对齐，毫米以下的读数就是几乘0.05毫米。

其读数准确到0.05mm。

⑶50分度的游标卡尺。

游标上相邻两个刻度间的距离为0.98mm，比主尺上相邻两个刻度间距离小0.02mm。

这种卡尺的刻度是特殊的，游标上的刻度值，就是毫米以下的读数。

这种卡尺的读数可以准确到0.02mm。

如右图中被测圆柱体的直径为2.250cm。

要注意：

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。

3.螺旋测微器

固定刻度上的最小刻度为0.5mm（在中线的上侧）；可动刻度每旋转一圈前进（或后退）0.5mm。

在可动刻度的一周上平均刻有50条刻线，所以相邻两条刻线间代表0.01mm。

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，所以在最小刻度后应再估读一位），再把两部分读数相加，得测量值。

右图中的读数应该是6.702mm。

4.打点计时器

打点计时器是一种特殊的计时仪器，电源用50Hz的交流电，所以打相邻两个点的时盘中砝码和游标共同读出。

横梁上的刻度单位是毫克（mg）。

若天平平衡时，右盘中有26g砝码，游码在图中所示位置，则被测物体质量为26.32g（最小刻度为0.02g，不是10分度，因此只读到0.02g这一位）。

限位孔

6.多用电表

1结构：

欧姆表的欧姆调零旋钮（使电表指针指在右端零欧姆处）,指针定位螺丝（使电表指针指在左端的“0“位置），表笔的正负插孔（红表笔指针插入（+）插孔，黑表笔插入”-“插孔）。

2使用多用电表时首先应该根据被测物理量将选择开关旋到相应的位置。

使用前应先进行机械调零，用小螺丝刀轻旋调零螺丝，使指针指左端零刻线。

使用欧姆挡时，还应进行欧姆调零，即将红、黑表笔短接，调节欧姆调零旋钮，使指针指右端零刻线处。

欧姆挡的使用步骤：

⑴选挡。

一般比被测电阻的估计值低一个数量级，如估计值为200Ω就应该选×10的倍率。

⑵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。

用欧姆挡测电阻，如果指针偏转角度太小，应增大倍率；如果指针偏转角度太大，应减小倍率。

3多用电表使用注意事项

（1）表内存在电源，表内电源正极接黑表笔，负极接红表笔，但是红表笔插入“+”插孔，黑表笔插入“-”插孔，注意电流的实际方向应为“红入黑出”。

（2）区分“机械零点”与“欧姆零点”。

机械零点是表盘刻度左侧的“0”位置，调整的是表盘下边中间的指针定位螺丝；欧姆零点是指刻度盘右侧的“0”位置，调整的是欧姆调零旋钮。

（3）由于欧姆档表盘难以估读，测量结果只需取两位有效数字，读数时要乘以相应的档位倍率。

（4）使用多用电表时，手不能接触表笔的金属杆，特别是在测量电阻时。

（5）测量电阻时待测电阻要与其它元件和电源断开，否则不仅影响测量结果，还有可能损坏电表。

（6）测电阻时每换一档必须重新欧姆调零。

（7）使用完毕，选择开关要置于交流电压最高档或“OFF”档，长期不用应取出电池。

欧姆表刻度盘特点及多用电表读数技巧

（1）欧姆表刻度盘不同于电压，电流刻度盘

.左∞右0：

电阻无穷大与电流，电压零刻度重合，电阻零刻度与电流，电压最大刻度重合；

刻度不均匀：

左密右疏；

欧姆挡是倍率挡，即读出的示数应再乘以该挡的倍数.电流，电压挡是量程范围挡.

在不知道待测电阻的估计值时，应先从小倍率开始，熟记“小倍率小角度偏，大倍率大角度偏”（因为欧姆挡的刻度盘上越靠左读数越大，且测量前指针指在左侧∞处）。

（2）读数技巧

欧姆表的读数

为了减小读数误差，指针应指在表盘

到

的部分，即中央刻度附近。

除非指针所在刻度盘处每个小格表示1Ω，要估读到下一位，其余情况都不用估读。

电阻值等于指针示数与所选倍率的乘积

测电压，电流时的读数，要注意其量程，根据量程确定精确度，精确度是1、0.1、0.01时要估读到下一位，精确度是2、0.02、5、0.5时，对应的估读到1、0.01、1、0.1，不用估读到下一位。

7.电阻箱

右图中的电阻箱有6个旋钮，每个旋钮上方都标有倍率，将每个旋钮上指针所指的数值（都为整数）乘以各自的倍率，从最高位依次往下读，即可得到这时电阻箱的实际阻值。

图中最左边的两个黑点是接线柱。

若指针所示如图，则阻值为84580.2Ω。

小结

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，如安培表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。

⑴游标卡尺的读数：

游标卡尺的读数部分由主尺（最小分度为1mm），和游标尺两部分组成。

按照游标的精度不同可分为三种：

（a）10分游标，其精度为0.1mm；（b）20分游标，其精度为0.05mm；（c）50分游标，精度为0.02mm。

游标卡尺的读数方法是：

以游标零刻度线为准在主尺上读出整毫米数L1，再看游标尺上哪条刻度线与主尺上某刻度线对齐，由游标上读出毫米以下的小数L2，则总的读数为：

L1+L2。

⑵机械秒表的读数：

机械秒表的长针是秒针，转一周是30s。

因为机械表采用的齿轮传动，指针不可能停留在两小格之间；所以不能估读出比0.1s更短的时间。

位于秒表上部中间的小圆圈里面的短针是分针，表针走一周是15min，每小格为0.5min。

秒表的读数方法是：

短针读数（t1）+长针读数（t2）。

⑶电阻箱：

能表示出接入电阻值大小的变阻器；读数方法是：

各旋扭对应的指示点的示数乘以面板上标记的倍数，它们之和就是电阻箱接入电路的阻值。

使用电阻箱时要特别注意通过电阻的电流不能超过允许的最大数值。

电学实验电路的设计思路与方法

1设计原则：

安全，方便，经济

2在测量电路中，电流表一般有内接和外接，比较

与

若

＞

，则电流表内接，若

＜

，则外接，若电表量程不适合，往往需要用定值电阻对电表进行改装。

3控制电路分滑动变阻器的分压和限流接法：

采用限流接法时不能控制电流/电压满足实验要求，即滑动变阻器阻值调到最大，待测电阻上的电流/电压仍超过电流表/电压表的量程，或超过待测电阻的额定电压/额定电流，则必须选用分压接法

若待测电阻的阻值比滑动变阻器的最大阻值大得多，以致在限流电路中，滑动变阻器的滑片从一端滑到另外一端时，待测电阻上的电流/电压变化范围不够大，则必须采用分压接法

若实验要求测量的电压从零开始变化，则必须用分压

若两种电路均可以使用，优先使用限流，因为限流接法电路简单，耗能低

仪器选择的基本思路

（1）优先考虑安全因素

各电表的实际读数不能超过其量程，电阻类元件中的实际电流/电压不能超过其允许的最大电流/电压

（2）一般要求各电表的实际读数不小于其量程的1/3，以减小误差

（3）仪器选择的一般步骤

首先选择唯一性的器材

粗画电路图（暂不接电压表和电流表）

估算回路中电流和电压的最大值，在电表的指针有较大幅度偏转但不超过量程的情况下，结合已知器材的规格，确定实验电路和实验器材

1伏安法测电阻

伏安法测电阻有a、b两种接法，a叫（安培计）外接法，b叫（安培计）内接法。

外接法的系统误差是由电压表的分流引起的，测量值总小于真实值，小电阻应采用外接法；内接法的系统误差是由电流表的分压引起的，测量值总大于真实值，大电阻应采用内接法。

如果无法估计被测电阻的阻值大小，可以利用试触法：

如图将电压表的左端接a点，而将右端第一次接b点，第二次接c点，观察电流表和电压表的变化，若电流表读数变化大，说明被测电阻是大电阻，应该用内接法测量；若电压表读数变化大，说明被测电阻是小电阻，应该用外接法测量。

（这里所说的变化大，是指相对变化，即ΔI/I和ΔU/U）。

（1）滑动变阻器的连接

滑动变阻器在电路中也有a、b两种常用的接法：

a叫限流接法，b叫分压接法。

分压接法被测电阻上电压的调节范围大。

当要求电压从零开始调节，或要求电压调节范围尽量大时应该用分压接法。

用分压接法时，滑动变阻器应该选用阻值小的，即测量大电阻；用限流接法时，滑动变阻器应该选用阻值和被测电阻接近的，即测量小电阻。

限流和分压接法比较

两种接法的电路图

负载R上电压的调节范围

≤U≤E

0≤U≤E

负载R上电流的调节范围

≤I≤

0≤I≤

（2）实物图连线技术

无论是分压接法还是限流接法都应该先把伏安法部分接好；对限流电路，只需用笔画线当作导线，从电源正极开始，把电源、电键、滑动变阻器、伏安法四部分依次串联起来即可（注意电表的正负接线柱和量程，滑动变阻器应调到阻值最大处）。

对分压电路，应该先把电源、电键和滑动变阻器的全部电阻丝三部分用导线连接起来，然后在滑动变阻器电阻丝两端之中任选一个接头，比较该接头和滑动触头两点的电势高低，根据伏安法部分电表正负接线柱的情况，将伏安法部分接入该两点间。

实验内容

实验1描绘小电珠的伏安特性曲线

电路图如右图

因为小电珠（即小灯泡）的电阻较小（10Ω左右）所以应该选用安培表外接法。

小灯泡的电阻会随着电压的升高，灯丝温度的升高而增大，所以U-I曲线不是直线。

为了反映这一变化过程，灯泡两端的电压应该由零逐渐增大到额定电压。

所以滑动变阻器必须选用分压接法。

在上面实物图中应该选用右面的那个图，开始时滑动触头应该位于左端（使小灯泡两端的电压为零）。

由实验数据作出的I-U曲线如右，说明灯丝的电阻随温度升高而增大，也就说明金属电阻率随温度升高而增大。

（若用U-I曲线，则曲线的弯曲方向相反。

）

若选用的是标有“3.8V0.3A”的小灯泡，电流表应选用0-0.6A量程；电压表开始时应选用0-3V量程，当电压调到接近3V时，再改用0-15V量程。

注意事项

（1）电路的连接方式：

电流表外接，小灯泡“3.8V0.3A”的电阻很小，与量程为0.6A的电流表串联时，电流表分压影响很大

滑动变阻器采用分压：

使小灯泡的电压可以从0开始连续变化

（2）闭合开关前，滑动变阻器的触头应移到使小灯泡分得电压为零的一端，使闭合时小灯泡的电压能从零开始变化，也为了防止开关闭合时因小灯泡两端电压过大而烧毁灯丝

（3）I-U图像在

=1.0V左右将发生明显弯曲，故在U=1.0V左右绘点要密，以防止出现较大误差

本实验误差来源

电流表外接，电压表分流，使测得的电流值大于真实值，使测得的电阻值小于真实值

读数带来的误差

描点，作图带来的误差

例题两个额定电压为220V的白炽灯L1和L2的U–I特性曲线如图所示。

L2的额定功率约为W；现将L1和L2串联后接在220V的电源上，电源内阻忽略不计。

此时L2的实际功率约为W。

【解析】99，17.5

【例题2】（2004年上海）小灯泡灯丝的电阻会随温度的升高而变大。

某同学为研究这一现象，用实验得到如下数据（I和U分别表示小灯泡上的电流和电压）：

I（A）

0.12

0.21

0.29

0.34

0.38

0.42

0.45

0.47

0.49

0.50

U（V）

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

2.00

⑴在左下框中画出实验电路图。

可用的器材有：

电压表、电流表、滑线变阻器（变化范围0—10Ω）、电源、小灯泡、电键、导线若干。

⑵在右图中画出小灯泡的U–I曲线。

⑶如果将本题中的小灯泡接在电动势是1.5V，内阻是2.0Ω的电池两端，小灯泡的实际功率是多少？

（简要写出求解过程；若需作图，可直接画在第⑵小题的方格图中）

【解析】⑴分压器接法（如下图所示）。

⑵如下图所示。

⑶作出电源的U＝E－Ir图线，该图线与小灯泡的U–I曲线相交于一点，由此可得小灯泡工作电流为0.35A，工作电压为0.80V，实际功率为0.28W。

把电流表改装为电压表（半偏法测电流表内阻）

⑴、用图（a）测定电流表内阻rg，方法是：

先断开S2，闭合S1，调节R，使电流表满偏；然后闭合S2，调节R/，使电流表达到半满偏。

当R比R/大很多时，可以认为rg=R/。

（当R比R/大很多时，调节R/基本上不改变电路的总电阻，可认为总电流不变，因此当电流表半满偏时，通过R/的电流也是满偏电流的一半，两个分路的电阻相等）。

实际上，S2闭合后，总电阻略有减小，总电流略有增大，当电流表半满偏时，通过R/的电流比通过电流表的电流稍大，即R/比rg稍小，因此此步测量的系统误差，总是使rg的测量值偏小。

其中R不必读数，可以用电位器，R/需要读数，所以必须用电阻箱。

根据rg、Ig和扩大后的量程，计算出需要给电流表串联的电阻R1的值。

⑵、用（b）图把改装的电压表和标准电压表进行校对。

校对要每0.5V校对一次，所以电压要从零开始逐渐增大，因此必须选用分压电路。

百分误差的计算：

如果当改装电压表示数为U时，标准电压表示数为U/，则这时的百分误差为|U-U/|/U/。

如果校对时发现改装电压表的示数总是偏大，则应该适当增大R1的阻值（使表头的分压减小一些），然后再次重新进行校对。

实验2测定金属的电阻率

被测电阻丝的电阻较小，所以选用电流表外接法；本实验不要求电压调节范围，可选用限流电路。

因此选用上面左图的电路。

开始时滑动变阻器的滑动触头应该在右端。

本实验通过的电流不宜太大，通电时间不能太长，以免电阻丝发热后电阻率发生明显变化。

实验3用电流表和电压表测电池的电动势和内电阻

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，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，电阻R的取值应该小一些，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，使尽量多的点在这条直线上，而且在直线两侧的点数大致相等。

这条直线代表的U-I关系的误差是很小的。

它在U轴上的截距就是电动势E（对应的I=0），它的斜率的绝对值就是内阻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|）。

注意事项

1为了使电池的路端电压变化明显，电池的内阻宜大些。

（选用使用过一段时间的1号电池）

2电流不要过大，应小于0.5A，读数要快

3要测出不少于6组数据，变化范围要大些

4若U-I的图线纵轴刻度不从零开始，则图线和横轴的交点不再是短路电流，求内阻的一般式应该是r=|ΔU/ΔI|

5电流表要内接（因为r很小）

误差来源

1偶然误差：

用图像法求E和r时作图不准确

2系统误差：

电压表分流

实验4用多用电表探索黑箱内的电学元件

设定黑箱上有三个接点，两个接点间最多只能接一个元件；黑箱内所接的元件不超过两个。

测量步骤和判定：

⑴用直流电压挡测量，A、B、C三点间均无电压；说明箱内无电源。

⑵用欧姆挡测量，A、C间正、反接阻值不变，说明A、C间有一个电阻。

⑶用欧姆挡测量，黑表笔接A红表笔接B时测得的阻值较小，反接时测得的阻值较大，说明箱内有一个二极管，可能在AB间，也可能在BC间，如右图中两种可能。

⑷用欧姆挡测量，黑表笔接C红表笔接B测得阻值比黑表笔A红表笔接B时测得的阻值大，说明二极管在AB间。

所以黑箱内的两个元件的接法肯定是右图中的上图。

实验练习题

1．按照有效数字规则读出以下各游标尺的测量值.

⑴⑵

读数为_____________cm.读数为_____________mm.

⑶⑷

读数为____________m.读数为_____________cm.

⑸

读数为_____________cm.

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.

3．多用电表表头的示意图如右。

⑴当指针位置如图中灰三角箭头所示,则测量的是______,测量结果为___________.

⑵当指针位置如图中白三角箭头所示,则测量的是______,测量结果为___________.

⑶当指针位置如图中黑三角箭头所示,则测量的是______,测量结果为___________.

白

灰

⑷当指针位置如图中黑三角箭头所示,正确操作后发现指针的偏转角很小,那么接下来的操作步骤应该依次为:

①_________________,②_________________,③__________________.

黑

测量结束后应将选择开关拨到__________或者____________.

⑸无论用多用电表进行何种（直流）测量，电流都应该从______表笔经______插孔流入电表。

4．用螺旋测微器测量长度时,可以精确到______m,读数应该读到______mm.读出下列四种情况下的测量结果。

⑴　　　　　　⑵　　　　　　　⑶　　　　　　　　　　　　　⑷

⑴_________mm。

⑵_________cm。

⑶____________m。

⑷_________×10-3m。

5．如图是一个游标卡尺。

⑴图中a、b、c分别叫做________、_________、____________.

⑵如图有一个小型气缸,欲测量其所用材料的体积V,需要测量①高度H,②深度h,③外径D,④内径d,应该分别用游标卡尺的哪一部分?

（用字母表示）___,___,___.

⑶在测量外径时，游标卡尺的尺面应该跟气缸底面垂直还是平行?

________.为减小偶然误差,要求测量4四次,那么每测量一次后应将气缸绕中心轴转动______度.

⑷用测量结果表示V的表达式为:

_____________.

6．右图是千分尺的示意图.⑴图中所标的各部分依次叫做:

①__________,②___________,③__________.

④___________,⑤_________,⑥__________.