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高三物理总复习电学实验

高三物理总复习
实验部分2
电学实验中的一些问题

1、实验仪器的选择及在电路中的连接

2、电阻的测量方法

3、电源电动势和内电阻的测量

4、创新性实验的训练
一、实验仪器的选择及在电路中的连接

1、电学实验仪器的选择
根据实验原理和实验室条件选择仪器是进行正确测量的前提,一般遵循以下三原则:

⑴安全性原则:要能够根据实验要求和客观条件选用合适的仪器,使实验切实可行,能达到预期目标。另外还要注意测量仪器的量程,电阻类器件的电流不能超过其最大允许电流等。
⑵准确性原则:根据实验的需要,选用精度合适的测量工具,但对某个实验来讲,精确程度够用即可,并不是精度越高越好。

⑶操作性原则:实验时需考虑调节方便,便于操作,如滑动变阻器的选择,既要考虑它的额定电流,又要考虑它的阻值范围,在二者都能满足实验要求的情况下,还要考虑阻值大小对实验操作中是否调节方便的影响。
根据教学大纲及高考考核的要求,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,通常可以从以下三方面入手:

(1)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(一般取满偏的1/3-2/3左右),以减少测读的误差.
(2)根据电路中可能出现的电流或电压范围需选择滑动变阻器.注意流过滑动变阻器的电流不超过它额定值.对高阻值的变阻器,如果滑动头稍有移动,使电流电压有很大变化的,不宜采用.

(3)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.才能做出恰当的选择.
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估算最大值(在限流电路中把滑动变阻器触头推向最小值);
④考虑能否都使电表达到满偏的1/3以上。
2、滑动变阻器的接法
选择方法------通常变阻器以限流接法为主,但在下列三种情况下,必须选择分压接法。

(1)题目所提供的实验仪器选择限流接法时,线路中的电流超过了电表的量程或某一元件的最
大允许通过电流。
(2) 变阻器的电阻远小于被测电阻或电路中
串联的其它电阻阻值,变阻器的阻值变化时,电
路中的电流变化太小。
(3)要求待测电路的电压从零开始连续变化。
滑动变阻器的限流接法
滑动变阻器的分压接法
例1、某同学用图中所示电路,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.
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100 mA, 内阻约2Ω);
A2(量程0.6 A, 内阻约0.3Ω);
电压表:V1(量程5 V, 内阻约5KΩ);
V2(量程15 V, 内阻约15KΩ );
电 源:E1(电动势为1.5 V,内阻为0.2Ω);
E2(电动势为4 V, 内阻约为0.04Ω).
滑动变阻器:R1(阻值范围0--10Ω)
R2(阻值范围0--2KΩ)
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)
二、电阻的测量

1、欧姆表粗测电阻
2、伏安法
3、替代法
4、半偏法
1、欧姆表粗测电阻

欧姆表使用前,首先估测待测电阻的大小,选择合适的
档位,然后调零,再进行测量。从理论上讲,欧姆表可直
接测量从零至无限大之间任何阻值的电阻,但由于面板刻
度的不均匀使得在零值附近与无限大值附近很难比较准确
地读出被测电阻的数值,一般说欧姆表刻度标尺长度的
10%~90%之间为有效工作刻度。测量时指针偏角太小或太
大都读数误差较大,指针在中间二分之一读数较准。电阻
测量时指针在中间二分之一内量程选择为正确。
操作步骤如下:

1、调节机械零旋钮使电表指针停在左边零位置;
2、根据待测电阻的大小,选择合适的挡位;
3、表笔短路,调节欧姆零旋钮使电表指针停在右边零位置;
4、测量电阻,若角度偏小,电阻较大,换高挡,反之换低
挡;换档后重新调欧姆零,再重新测量电阻,直到指针在中
间二分之一时,读数乘以欧姆档倍数为电阻值。
5、由于欧姆档刻度的非线性,测量为粗测,读数不要求
有估计位。
2、伏安法测电阻
(1)电流表的内外接
(2)滑动变阻器R选择及连接方法确定
当 R调整电压均匀,输出电压较稳定,但R太小时要注意
最大电流的限制。
当R>RX 时,用限流式连接电源,限流法R大些
输出范围较大,输出电流较稳定,但R太大可能调整
不方便,一般R在(5~10)Rx较好。
3、替代法测电阻

如果被测电阻Rx阻值远大于变阻器R2,电路用
电流替代法,电源用分压式,系统误差较小,变阻
器R2选得越小误差越小。如果被测电阻Rx阻值远小
于变阻器R2,电路用电压替代法,电源用限流式,
系统误差较小,变阻器R2和电源电动势选得越大误
差越小。
(1)电流替代法
器材:现有电流表、电阻箱R1,电流表量程和内阻未知,滑动
变阻器R2,电源,开关,导线,及待测电阻。
电路与器材选择:要求电流表在调整时灵敏度较高

,电源与变
阻器应该连接成分压式。分压变阻器电阻选得小些,使输出随
电阻R1调整时电压变化较小,电流变化较大,偶然误差小,测
量较准确。电阻箱电阻要求大于Rx,精度符合要求。
(2)电压替代法
器材:现有电压表、电阻箱R1 ,电压表量程和内阻未知,滑动变
阻器R2 ,电源,开关,导线,及待测电阻。
电路与器材选择:要求电压表在调整时灵敏度较高,电源与变
阻器R2应该连接成限流式。电源电压和变阻器电阻都选得大
些,输出电流变化较小,电压变化较大,偶然误差小,测量较
准确。电阻箱电阻要求大于Rx,精度符合要求。
4、半偏法测电阻

如果被测电阻Rx阻值远大于变阻器R2,电路用电流半
偏法,电源用分压式,系统误差较小,变阻器R2选得越小
误差越小。如果被测电阻Rx阻值远小于变阻器R2,电路用
电压半偏法,电源用限流式,系统误差较小,变阻器R2和
电源电动势选得越大误差越小。
(1)电流半偏法
器材:现有电流表、电阻箱R1,电流表量程和内阻可未知,滑
动变阻器R2 ,电源,开关,导线若干,及待测电阻阻值较大。
电路与器材选择:要求电流表在调整时灵敏度较高,电源与变
阻器应该连接成分压式,变阻器电阻小些,电源电压选择能使
变阻器工作时偏离中心大些,输出电压变化小,电流表在调整
时灵敏度高,测量较准确。电阻箱电阻要求大于Rx,精度符合
要求。
(2)电压半偏法
器材:现有电压表、电阻箱R1,电压表量程和内阻可未知,滑
动变阻器R2,电源,开关,导线,及待测电阻阻值较小。
电路与器材选择:要求电压表在调整时灵敏度较高,电源与变
阻器应该连接成限流式。电源电压选择大些,使变阻器R2电阻
可以调整得大些,输出电流随R1的调整变化较小,电压变化较
灵敏,测量较准确。电源电压确定后,选择R 2稍大于 即
可,太大调整不方便。电阻箱电阻要求大于Rx,精度符合要
求。
例3:从下表中选出适当的实验器材,设计一电路来测量电流表的内阻,要求方法简捷,有尽可能高的测量精度,并能测得多组数据

(l)在虚线方框中画出电路图,标明所用器材的代号.

(2)若选测量数据中的一组来计算,则所用的表达式为,式中各符号的意义是:_________________________________.
器材(代号) 规格 电流表( ) 量程10mA,内阻待测(约40 ) 电流表( ) 量程500 A,内阻750 电压表( V ) 量程10V,内阻 10k 电阻(R1 ) 阻值约100 ,作保护电阻用 滑动变阻器( R2 ) 总阻值约50 电池(E) 电动势1.5V,内阻很小 电键(K) 导线若干 解:题中直接

判定必选的器材是电池E,电键K,导线若干.
由A1量程是10mA,r1约为40Ω,E是电动势1.5V,可判定必须选电阻R1,滑动变阻器R2作为保护,才保证通过A1的电流不至于超过10mA.
要测A1的电阻,通过A1的电流值I1可由A1读出,只要能测出A1两端的电压U1,则可求出r1=
测电压要用电压表,但是若将电压表与A1并联,电流表A1上的电压最多是U1=
而电压表的量程是10V,对0.43V的电压来说,电压表的指针只是稍微偏转了一点点,这样测得的阻值误差太大.不符合题目要求,因而不能用电压表测电压.
而电流表A2的内阻r2知道,通过电流表A2的电流I2可以读出,因而A2两端的电压U2=I2r2.
若将A1与A2并联,则U2即A1两端的电压,由此可以求出A1的内阻r1=
式中I1、I2分别是电流表A1、A2的读数,r1、r2分别是电流表A1、A2的内阻.
例5:用伏安法测电阻时,由于电压表、电流表内阻的影响,测量结果总存在系统误差。按图中所示的电路进行测量,可以消除这种系统误差。该实验的第一步是:闭合电键S1,将电键S2接2,调节滑动变阻器RP和r,使电压表读数尽量接近量程,读出这时电压表和电流表的示数U1、I1。请接着写出第二步,并说明需要记录的数据:______________________。由以上记录数据计算被测电阻Rx的表达式是Rx=______。
解析:第一步测得的U1和I1之比是Rx、Rp和电流表内阻Rg的总电阻;第二步应保持滑动变阻器Rp的值不变,调节r,使电压表读数尽量接近量程,读出这时电压表和电流表的示数U2、I2,则U2和I2之比是Rp和Rg的总电阻。由于两次测量中Rp和Rg的值是不变的,因此只要将两次测得的总电阻相减,就能得到Rx的准确值。
这种方法可称为"相消法测电阻"。第二步一定要保持Rp的值不变,否则就无法在相减时把Rp消掉。r的值可以调节使电压表读数尽量接近量程,这样读数的有效数字位数较多。



三、测量电源的电动势ε,内阻r

1、电压表,电流表,滑动变阻器,测电源的ε,r
选电压表量程比ε稍大,电流表量程比电源额定电流稍大。
电路图如图所示,测量两组数据,列方程求解;为提高精度,
减小误差,可以取多组数据,得几组解,求平均值;或者用图
像法求解。

2、电压表,电阻箱,测一个电源的ε,r
电路图如图所示,测量两组数据,列方程求解;为提高精度,
减小误差,可以取多组数据,得几组解,求平均值;或者用图
像法求解。


3、电流表,电阻箱,测一个电源的ε,r
电路图如图所示,测量两组数据,列方程求解;为提高精度,
减小误差,可以取多组数据,得几组解,求平均值;或者用


像法求解。

4、有一块电压表,一块电表流,量程已知,内阻未
知,一个电阻,另有两个电键,测电源的ε。

5、有一块电压表,一个已知电阻的固定电阻R,测一
个电源的ε,r


例7、利用如图所示的一只电压表、一个电阻箱和一个电键,测量一个电池组的电动势和内电阻。请画出实验电路图,并用笔画线作导线将所给器材连接成实验电路。用记录的实验数据写出电动势和内电阻的表达式。
解答:与学生实验相比,用电阻箱代替了电流表。由于电压可测,由电压、电阻就可以算出电流(这个电流是通过电阻箱的电流,比通过电池的电流偏小,系统误差是由电压表的分流造成的)。电路图如下。
实验步骤是:
⑴按电路图接好实验电路
⑵改变电阻箱阻值,分别读出两组电阻箱阻值和对应的路端电压值R1、U1、R2、U2。
⑶根据闭合电路欧姆定律列出与这两组数据相对应的方程:
例8、某同学设计了一个如图1所示的实验电路,用以测定电源电动势和内阻,使用的实验器材为:待测干电池组(电动势约3V)、电流表(量程0.6A,内阻小于1Ω)、电阻箱(0~99.99Ω)、滑动变阻器(0~10Ω)、单刀双掷开关、单刀单掷开关各一个及导线若干。考虑到干电池的内阻较小,电流表的内阻不能忽略。
(1)该同学按图1连线,通过控制开关状态,测得电流表内阻约为0.20。试分析该测量产生误差的原因是____________。
(2)简要写出利用图1所示电路测量电源电动势和内阻的实验步骤:①_____________________________;
② ;
(3)图2是由实验数据绘出的图象,由此求出待测干电池组的电动势E=____________V、内阻r=_____________ 。(计算结果保留三位有效数字)
解析:(1)半偏法测电流表内阻
开关s断开,K闭合,调节滑片P,使电流表A读数满度
开关s接c,滑片P位置不动,调节电阻箱R的阻值,使电流表A读数半偏
电阻箱R的阻值为A内阻RA


误差产生的原因:
S合向c时电路中的总电阻减
小,总电流变大。
二、创新性实验题目的训练

1、以课内学生实验为基础, 注重所学
习的原理、方法的灵活运用,注重
知识的迁移.
例9. 某同学设计了如图(a)所示电路研究电源输出功率变化情况。电源E电动势、内电阻恒定,R1为滑动变阻器,R2、R3为定值电阻,A、V为理想电表。
(1)若滑动片P由a滑至b时A示数一直变小,则R1和R2必须满足的关系是__________。
(2)若R1=6W,R2=12W,电源内电阻r=6W,,当滑动片P由a滑至b时,电源E的输出功率P随外电路总电阻R的变化关系如图

(b)所示,则R3的阻值应该选择( )
(A)2W。 (B)4W。
(C)6W。 (D)8W。

? 答案:(1)R1≤R2,(2)B。
例10.在"练习使用示波器"实验中,某同学将衰减调节旋钮置于最右边的"∞"挡,扫描范围旋钮置于"外X"档,"X输入"与"地"之间未接信号输入电压,他在示波器荧光屏上看到的图象可能是下图中的_________。








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