电学实验.docx

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电学实验

电学实验

高考必考内容（电学实验部分）：

1、测定金属的电阻率（同时练习使用螺旋测微器）

2、描绘小灯泡的伏安特性曲线

3、测定电源的电动势和内阻

4、练习使用多用表

一、电学实验中所用到的基本知识

在近年的电学实验中，电阻的测量（包括变形如电表内阻的测量）、测电源的电动势与内电阻是考查频率较高的实验。

它们所用到的原理公式为：

。

由此可见，对于电路中电压U及电流I的测量是实验的关键所在，但这两个量的直接测量和间接测量的方法却多种多样，在此往往也是高考试题的着力点之处。

因此复习中应熟练掌握基本实验知识及方法，做到以不变应万变。

1．电路设计原则：

正确地选择仪器和设计电路的问题，有一定的灵活性，解决时应掌握和遵循一些基本的原则，即“安全性”、“方便性”、“精确性”原则，兼顾“误差小”、“仪器少”、“耗电少”等各方面因素综合考虑，灵活运用。

⑴正确性：

实验原理所依据的原理应当符合物理学的基本原理。

⑵安全性：

实验方案的实施要安全可靠，实施过程中不应对仪器及人身造成危害。

要注意到各种电表均有量程、电阻均有最大允许电流和最大功率，电源也有最大允许电流，不能烧坏仪器。

⑶方便性：

实验应当便于操作，便于读数，便于进行数据处理。

⑷精确性：

在实验方案、仪器、仪器量程的选择上，应使实验误差尽可能的小。

2．电学实验仪器的选择：

⑴根据不使电表受损和尽量减少误差的原则选择电表。

首先保证流过电流表的电流和加在电压表上的电压均不超过使用量程，然后合理选择量程，务必使指针有较大偏转（一般要大于满偏度的1/3），以减少测读误差。

⑵根据电路中可能出现的电流或电压范围选择滑动变阻器，注意流过滑动变阻器的电流不超过它的额定值，对大阻值的变阻器，如果是滑动头稍有移动，使电流、电压有很大变化的，不宜采用。

⑶应根据实验的基本要求来选择仪器，对于这种情况，只有熟悉实验原理，才能作出恰当的选择。

总之，最优选择的原则是：

方法误差尽可能小；间接测定值尽可能有较多的有效数字位数，直接测定值的测量使误差尽可能小，且不超过仪表的量程；实现较大范围的灵敏调节；在大功率装置（电路）中尽可能节省能量；在小功率电路里，在不超过用电器额定值的前提下，适当提高电流、电压值，以提高测试的准确度。

3．测量电路的选择

⑴电流表的内、外接问题：

（甲）所示电路为电流表外接电路（简称外接法）；（乙）所示电路为电流表内接电路（简称内接法）。

两种接法的选择可按下列方法进行：

方法一：

设电流表、电压表内阻分别为

、

，被测电阻为

，则

当

<

时，电压表分流作用小，应选用外接法

当

>

时，电流表分压作用小，应选用内接法

当

=

时，电流表分压作用和电压表分流作用相差不大，两种方法均可。

方法二：

在

、

均不知的情况下，可采用试触法。

如图所示，分别将a端与b、c接触，如果前后两次电流表示数比电压表示数变化明显，说明电压表分流作用大，应采用内接法；如果前后两次电压表示数比电流表示数变化明显，说明电流表分压作用大，应采用外接法。

⑵滑动变阻器的分压、限流接法：

图（甲）为滑动变阻器的限流式接法，

为待测电阻。

它的接线方式是电源、滑动变阻器与待测电阻三者串联。

对待测电阻供电电压的最大调节范围是：

（

是待测电阻，R是滑动变阻器的总电阻，不计电源内阻）。

如图（乙）是滑动变阻器的分压式接法。

接线方式是电源与滑动变阻器组成闭合电路，而被测电路与滑动变阻器的一部分电阻并联，该接法对待测电阻供电电压的调节范围是：

（不计电源内阻时）。

选取接法的原则：

①当实验中有要求“电压变化范围较大”、“从零开始连读可调”或“较准确地测量”时应选分压电路，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，因为限流电路节能。

4．实物图的连接：

实物图连线应掌握基本方法和注意事项。

⑴注意事项：

①连接电表应注意量程选用正确，正、负接线柱不要接错。

②各导线都应接在接线柱上，不应在导线中间出现分叉。

③对于滑动变阻器的连接，要搞清楚接入电路的是哪一部分电阻，在接线时要特别注意不能将线接到滑动触头上。

⑵基本方法：

①画出实验电路图。

②分析各元件连接方式，明确电流表与电压表的量程。

③画线连接各元件。

（用铅笔画线，以便改错）连线方式应是单线连接，连线顺序应先画串联电路，再画并联电路。

一般先从电源正极开始，到电键，再到滑动变阻器等。

按顺序以单线连接方式将干路中要串联的元件依次串联起来；然后连接支路将要并联的元件再并联到电路中去。

连接完毕，应进行检查，检查电路也应按照连线的方法和顺序。

二、“伏安法”测电阻

【例题】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。

【解析】⑴允许通过电阻中电流可能的最大值由：

得，

。

因为电阻可能为200Ω，所以通过被测电阻的电流的最大值可能是35mA，应用电流表的示数来控制通过电阻的电流，因此，电流表应选A1。

又因为

所以

。

因为电阻可能为100Ω，所以允许加在电阻两端的电压的最大值可能是5V，应用电压表的示数来控制加在电阻两端的电压，因此电压表应选V1。

因为R1＜R2,且2A＞35mA,所以应选变阻器R1。

因为R1＜Rx所以滑动变阻器连接方式应选用分压电路。

因为

<

所以应选用外接电路。

⑵实验所用电路如图所示

【例题1】（2000年全国）从下表中选出适当的实验器材，设计一电路来测量电流表A1的内阻r1，要求方法简捷，有尽可能高的测量精度，并能测得多组数据。

⑴在虚线方框中画出电路图，标明所用器材的代号。

器材（代号）

规格

电流表（A1）

量程10mA，内阻r1待测（约40Ω）

电流表（A2）

量程500μA，内阻r2=750Ω

电压表（V）

量程10V，内阻r3=10Ω

电阻（R1）

阻值约100Ω，作保护电阻用

滑动变阻器（R）

总阻值约50Ω

电池（E）

电动势1.5V，内阻很小

导线若干，电键K

⑵若选测量数据中的一组来计算r1，则所用的表达式为r1=____________，式中各符号的意义是____________。

【解析】⑴如图所示。

⑵

，I1表示通过电流表A1的电流，I2表示通过电流表A2的电流，

r2表示电流表A2的内阻。

【备考提示】在很多情况下，电压表和电流表（已知内阻）的功用可以互换。

有时利用一块电表配合定值电阻也可以完成功能的互换。

实际上就是部分电路欧姆定律的变形运用。

在处理时，一定要明确原理，灵活运用。

【练习】

（2006年全国Ⅱ）现要测定一个额定电压4V、额定功率1.6W的小灯泡（图中用

表示）的伏安特性曲线。

要求所测电压范围为0.1V～4V。

现有器材：

直流电源E（电动势4.5V，内阻不计），电压表（量程4.5V，内阻约为4×104Ω），电流表（量程250mA，内阻约为2Ω），电流表（量程500mA，内阻约为1Ω），滑动变阻器R（最大阻值约为30Ω），电键S，导线若干。

如果既要满足测量要求，又要测量误差较小，应该选用的电流表是，下面两个电路应该选用的是。

【解析】在测量小灯泡的伏安曲线时，由于题目要求电压范围为0.1V～4V，因此滑动变阻器采用分压式接法。

根据估算通过小灯泡的额定电流为I=0.4A，因此电流表应该选用。

在伏安法测量过程中，由于

临界电阻

大于小灯泡电阻，因此应该选择电流表外接法即选择甲电路进行测量。

2．（2006年北京）某同学用如图所示电路，测绘标有“3.8V,0.3V”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2Ω）

A2（量程0.6A,内阻约0.3Ω）

电压表：

V1（量程5V,内阻约5Ω）

V2（量程15V,内阻约15Ω）

电源：

E1（电动势为1.5V，内阻为0.2Ω）

E2（电动势为4V，内阻约为0.04Ω）

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）

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，符合该关系的示意图是下列图中的__________。

【解析】①对器材的选用应以安全、实用为原则。

小灯泡的额定电压和额定电流分别为3.8V和0.3A，故电压表应选V1，电流表A2；由于是分压接法，故滑动变阻器应选R1，便于调节，电源应选E2。

②由图象可看出：

U＝0时，小灯泡不工作，对应电阻为1.5Ω，当U＝3.0V时，对应的电阻为11.5Ω。

此时，灯泡实际消耗的功率P＝

＝0.78W。

③由R－U图线可看出，随U的增大，电阻的变化越来越小，而P＝

，随U的变化，功率P的变化将更加明显，故选A。

三、实验与典例分析

测定金属的电阻率（同时练习使用螺旋测微器）

[实验目的]

用伏安法间接测定某种金属导体的电阻率；练习使用螺旋测微器。

[实验原理]

根据电阻定律公式R=

，只要测量出金属导线的长度

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。

[实验器材]

被测金属导线，直流电源（4V），电流表（0-0.6A），电压表（0-3V），滑动变阻器（50Ω），电键，导线若干，螺旋测微器，米尺。

[实验步骤]

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．按如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

。

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，断开电键S，求出导线电阻R的平均值。

5．将测得的R、

、d值，代入电阻率计算公式

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。

[注意事项]

1．测量被测金属导线的有效长度，是指测量待测导线接入电路的两个端点之间的长度，亦即电压表两并入点间的部分待测导线长度，测量时应将导线拉直。

2．本实验中被测金属导线的电阻值较小，因此实验电路必须采用电流表外接法。

3．实验连线时，应先从电源的正极出发，依次将电源、电键、电流表、待测金属导线、滑动变阻器连成主干线路（闭合电路），然后再把电压表并联在待测金属导线的两端。

4．闭合电键S之前，一定要使滑动变阻器的滑动片处在有效电阻值最大的位置。

5．在用伏安法测电阻时，通过待测导线的电流强度I的值不宜过大（电流表用0~0.6A量程），通电时间不宜过长，以免金属导线的温度明显升高，造成其电阻率在实验过程中逐渐增大。

[例题]

1．在“测定金属的电阻率”实验中，以下操作中错误的是（）

A．用米尺量出金属丝的全长三次，算出其平均值

B．用螺旋测微器在金属丝三个不同部位各测量一次直径，算出其平均值

C．用伏安法测电阻时采用安培表的内接线路，多次测量后算出其平均值

D．实验中应保持金属丝的温度不变

2．欲用伏安法测定一段阻值约为5Ω左右的金属导线的电阻，要求测量结果尽量准确，现备有以下器材：

A．电池组（3V，内阻1Ω）；

B．电流表（0~3A，内阻0.0125Ω）

C．电流表（0~0.6A，内阻0.125Ω）

D．电压表（0~3V，内阻3kΩ）

E．电压表（0~15V，内阻15kΩ）

F．滑动变阻器（0~20Ω，额定电流1A）

G．滑动变阻器（0~2000Ω，额定电流0.3A）

H．电键、导线。

（1）上述器材中应选用的是________。

（填写各器材的字母代号）

（2）实验电路应采用电流表________接法。

（填“内”或“外”）

（3）设实验中，电流表、电压表的某组示数如图所示，图示中I=________A，U=________V。

（4）将图中给定的器材连成实验电路。

实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】

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．

【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．

图1

4．实验步骤：

（l）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．

【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．

4．电键闭合后，调节变阻器滑片的位置，使灯泡的电压逐渐增大，可在伏特表读数每增加一个定值（如0.5V）时，读取一次电流值，并将数据（要求两位有效数字）记录在表中．调节滑片时应注意伏特表的示数不要超过小灯泡的额定电压．

5．在坐标纸上建立一个直角坐标系，纵轴表示电流，横轴表示电压，两坐标轴选取的标度要合理，使得根据测量数据画出的图线尽量占满坐标纸；要用平滑曲线将各数据点连接起来．

【典型例题】

例1某同学在做测定小灯泡功率的实验中得到如下组U和I的数据：

编号

1

2

3

4

5

6

7

8

U/V

0.20

0.60

1.00

1.40

1.80

2.20

2.60

3.00

I/A

0.020

0.060

0.100

0.140

0.170

0.190

0.200

0.205

灯泡发光情况

不亮

微亮

逐渐变亮

正常发光

（1）画出I-U图线。

（2）从图线上可以看出，当功率逐渐增大时，灯丝电阻的变化情况是：

________。

（3）这表明导体的电阻随温度升高而_________。

练习

一、选择题

1．如图1所示是两个不同电阻的I－U图像，则图线1、2表示的电阻及两电阻串联或并联后的I－U图像所在的区域分别是（）

图1图2

A．1表示电阻大的图线，并联后在区域ⅢB．1表示电阻小的图线，串联后在区域Ⅱ

C．2表示电阻小的图线，并联后在区域ⅠD．2表示电阻大的图线，串联后在区域Ⅲ

2．如图2所示为电阻R1和R2的伏安特性曲线，并且把第一象限分为了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个区域．现把R1和R2并联在电路中，消耗的电功率分别用P1和P2表示；并联的总电阻设为R．下列关于P1与P2的大小关系及R的伏安特性曲线应该在的区域正确的是（）

A．特性曲线在Ⅰ区，P1

C．特性曲线在Ⅰ区，P1＞P2D．特性曲线在Ⅲ区，P1＞P2

3．（93全国）一个标有“220V，60W”的白炽灯泡，加上的电压由零逐渐增大到220V．在此过程中，电压U和电流I的关系可用图线表示．图3中的图线肯定不符合实际的是（）

图3

4．小灯泡的伏安曲线不是直线，这是因为：

A．小灯泡是非纯电阻用电器

B．任何导体的电阻率均随温度的升高而增大

C．金属导体的电阻率一般随温度的升高而增大

D．以上说法均不正确

5．在图4中，不论如何移动滑动变阻器的滑片，电压表的读数几乎不变，下列情况中，可能发生的是：

图4

A．只有小灯泡的灯丝断了B．只有A端断开了

C．灯丝断了且变阻器的A端也断了D．电流表没接好

二、解答题

6．现有下列器材：

A、两节干电池，内阻不计；B、滑动变阻器0～10Ω；C、滑动变阻器0～500Ω；D、小灯泡（2.5V，0.5W）；E、开关；F、导线若干

请你设计一个电路，使小灯泡两端的电压能在0～2.5V范围内较方便地连续变化。

（1）滑动变阻器应选；

（2）画出对应的电路图。

7．用如图5中所给的实验器材测量一个“12V，5W”的小灯泡在不同电压下的功率，其中电流表有3A、0．6A两挡，内阻可忽略；电压表有15V、3V两挡，内阻很大．测量时要求加在灯泡两端的电压可持续地从0调到12V．按要求在实物图上连线（其中部分线路已经连好）．

图5

测定电源的电动势和内阻

[实验目的]

测定电池的电动势和内电阻。

[实验原理]

如图1所示，改变R的阻值，从电压表和电流表中读出几组I、U值，利用闭合电路的欧姆定律求出几组

、r值，最后分别算出它们的平均值。

此外，还可以用作图法来处理数据。

即在坐标纸上以I为横坐标，U为纵坐标，用测出的几组I、U值画出U-I图象（如图2）所得直线跟纵轴的交点即为电动势值，图线斜率的绝对值即为内电阻r的值。

[实验器材]

待测电池，电压表（0-3V），电流表（0-0.6A），滑动变阻器（10Ω），电键，导线。

[实验步骤]

1．电流表用0.6A量程，电压表用3V量程，按电路图连接好电路。

2．把变阻器的滑动片移到一端使阻值最大。

3．闭合电键，调节变阻器，使电流表有明显示数，记录一组数据（I1、U1），用同样方法测量几组I、U的值。

4．打开电键，整理好器材。

5．处理数据，用公式法和作图法两种方法求出电动势和内电阻的值。

[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，可选用已使用过一段时间的1号干电池。

2．干电池在大电流放电时，电动势

会明显下降，内阻r会明显增大，故长时间放电不宜超过0.3A，短时间放电不宜超过0.5A。

因此，实验中不要将I调得过大，读电表要快，每次读完立即断电。

3．要测出不少于6组I、U数据，且变化范围要大些，用方程组求解时，要将测出的I、U数据中，第1和第4为一组，第2和第5为一组，第3和第6为一组，分别解出

、r值再平均。

4．在画U-I图线时，要使较多的点落在这条直线上或使各点均匀分布在直线的两侧。

个别偏离直线太远的点可舍去不予考虑。

这样，就可使偶然误差得到部分的抵消，从而提高精确度。

5．干电池内阻较小时路端电压U的变化也较小，即不会比电动势小很多，这时，在画U-I图线时，纵轴的刻度可以不从零开始，而是根据测得的数据从某一恰当值开始（横坐标I必须从零开始）。

但这时图线和横轴的交点不再是短路电流。

不过直线斜率的绝对值照样还是电源的内阻。

[练习]

1．用电流表和电压表测定电池的电动势和内电阻的实验中，所用电流表和电压表的内电阻分别为

和

，如图为所需的器材。

（1）请你把它们连成实验电路，注意两个电表要选用适当量程，并要求变阻器的滑动片在左端时其电阻值最大。

（2）一位同学记录的6组数据见下表，试根据这些数据在图中画出U-I图线，根据图线求出电池的电动势

________V，内阻

________

。

I/A

0.12

0.20

0.31

0.32

0.50

0.57

U/V

1.37

1.32

1.24

1.18

1.19

1.05

2．用伏安法测电池的电动势和内阻的实验中，由于电流表和电压表内阻的影响，以下说法正确的是

A．用图a所示电路时，

B．用图a所示电路时，

C．用图b所示电路时，

图b

图a

D．用图b所示电路时，

练习使用多用表

[实验目的]

练习使用多用电表测电阻。

[实验原理]

多用电表由表头、选择开关和测量线路三部分组成（如图），表头是一块高灵敏度磁电式电流表，其满度电流约几十到几百

A，转换开关和测量线路相配合，可测量交流和直流电流、交流和直流电压及直流电阻等。

测量直流电阻部分即欧姆表是依据闭合电路欧姆定律制成的，原理如图所示，当红、黑表笔短接并调节R使指针满偏时有

Ig=

=

（1）

当电笔间接入待测电阻Rx时，有

Ix=

（2）

联立

（1）、

（2）式解得

=

（3）

由（3）式知当Rx=R中时，Ix=

Ig，指针指在表盘刻度中心，故称R中为欧姆表的中值电阻，由

（2）式或（3）式可知每一个Rx都有一个对应的电流值I，如果在刻度盘上直接标出与I对应的Rx的值，那么当红、黑表笔分别接触待测电阻的两端，就可以从表盘上直接读出它的阻值。

由于电流和电阻的非线性关系，表盘上电流刻度是均匀的，其对应的电阻刻度是不均匀的，电阻的零刻度在电流满刻度处。

[实验器材]

多用电表，标明阻值为几欧、几十欧、几百欧、几千欧的定值电阻各一个，小螺丝刀。

[实验步骤]

1．机械调零，用小螺丝刀旋动定位螺丝使指针指在左端电流零刻度处，并将红、黑表笔分别接入“+”、“-”插孔。

2．选挡：

选择开关置于欧姆表“×1”挡。

3．欧姆调零：

在表笔短接时调整欧姆调零旋钮使指针指在右端电阻零刻度处，若“欧姆调零”旋钮右旋到底也不能调零，应更换表内电池。

4．测量读数：

将表笔搭接在待测电阻两端，读出指示的电阻值并与标定值比较，随即断开表笔。

5．换一个待测电阻，重复以上2、3、4过程，选择开关所置位置由被测电阻值与中值电阻值共同决定，可置于“×1”或“×10”或“×100”或“×1k”挡。