电学实验F.docx
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电学实验F
电学实验
一、电流表、电压表的读数规则:
电流表量程一般有两种——0.1~0.6A,0~3A;电压表量程一般有两种——0~3V,0~15V。
如图10-1所示:
因为同一个电流表、电压表有不同的量程,因此,对应不同的量程,每个小格所代表的电流、电压值不相同,所以电流表、电压表的读数比较复杂,测量值的有效数字位数比较容易出错。
下面是不同表,不同量程下的读数规则:
电压表、电流表若用0~3V、0~3A量程,其最小刻度(精确度)分别为0.1V、0.1A,为10分度仪表读数,读数规则较为简单,只需在精确度后加一估读数即可。
如图所示,电压表读数为1.88V,电流表读数为0.83A。
若指针恰好指在2上,则读数为2.00V(或A)。
电压表若用0~15V量程,则其最小刻度为0.5V,为2分度仪表读数,所读数值小数点后只能有一位小数,也必须有一位小数。
如图所示,若指针指在整刻度线上,如指在10上应读做10.0V,指在紧靠10刻度线右侧的刻度线上(即表盘上的第21条小刻度线)读数为10.5V,若指在这两条刻度线间的中间某个位置,则可根据指针靠近两刻度线的程度,分别读做10.1V,或10.2V,或10.3V,或10.4V,即使是指在正中央,也不能读做10.25V,若这样,则会出现两位不准确的数,即小数点后的2和5,不符合读数规则,如上图中所示,读数应为9.3V。
电流表若用0-0.6A量程,则其最小刻度为0.02A,为5分度仪表读数,其读数规则与0—15V电压表相似,所读数值小数点后只能有两位小数,也必须有两位小数。
如上图所示,电流表读数为0.17A,若指针指在第11条刻度线上,则读数为0.22A,指在第10条刻度线上,读数为0.20A,指在第12条刻度线上,读数为0.24A。
二、滑动变阻器应用分析
滑动变阻器是电学实验中常用的仪器,近几年高考电学设计性实验命题对其应用多次直接或渗透考查.如何选择滑动变阻器的接法设计控制电路仍是历届考生应考的难点.
图12-3
图10-1
滑动变阻器的限流接法与分压接法的特点:
如图10-2所示的两种电路中,滑动变阻器(最大阻值为R0)对负载RL的电压、电流强度都起控制调节作用,通常把图(a)电路称为限流接法,图(b)电路称为分压接法.
负载RL上电压调节范围(忽略电源内阻)
负载RL上电流调节范围(忽略电源内阻)
相同条件下电路消耗的总功率
限流接法
E≤UL≤E
≤IL≤
EIL
分压接法
0≤UL≤E
0≤IL≤
E(IL+Iap)
比较
分压电路调节范围较大
分压电路调节范围较大
限流电路能耗较小
①限流法.如图(a)所示,待测电阻上电压调节范围为
.显然,当R0<
②分压法.如图(b)所示,待测电阻上电压调节范围为0~E,且R0相对于RL越小,R上的电压变化的线性就越好.当R0>>RL时,尽管UL变化范围仍是0~E,但数据几乎没有可记录性,因为在这种情况下,滑片从左端滑起,要一直快到右端时,电压表上示数一直几乎为零,然后突然上升到E,对测量几乎没有用处.因此,分压接法要用全阻值较小的滑动变阻器。
滑动变阻器的限流接法与分压接法:
两种电路均可调节负载电阻电压和电流的大小,但在不同条件下,调节效果大不一样,滑动变阻器以何种接法接入电路,应遵循安全性、精确性、节能性、方便性原则综合考虑,灵活选取.
1.下列三种情况必须选用分压式接法
(1)要求回路中某部分电路电流或电压实现从零开始可连续调节时(如:
测定导体的伏安特性、校对改装后的电表等电路),即大范围内测量时,必须采用分压接法.
(2)当用电器的电阻RL远大于滑动变阻器的最大值R0时,必须采用分压接法.因为按图(b)连接时,因RL>>R0>Rap,所以RL与Rap的并联值R并≈Rap,而整个电路的总阻值约为R0,那么RL两端电压UL=IR并=
·Rap,显然UL∝Rap,且Rap越小,这种线性关系越好,电表的变化越平稳均匀,越便于观察和操作.
(3)若采用限流接法,电路中实际电压(或电流)的最小值仍超过RL的额定值时,只能采用分压接法.
2.下列情况可选用限流式接法
(1)测量时对电路中的电流或电压没有要求从零开始连续调节,只是小范围内测量,且RL与R0相差不大或RL略小于R0,采用限流式接法.
(2)电源的放电电流或滑动变阻器的额定电流太小,不能满足分压式接法的要求时,采用限流式接法.
(3)没有很高的要求,仅从安全性和精确性角度分析两者均可采用时,可考虑安装简便和节能因素优先采用限流式接法.
三、电源和电表的选择
1、电源的选择:
选择直流电源,应根据用电器的需要来确定,一般考虑用电器所需的电压、电路中的电流、电源电动势和允许电流等.在不超过待测器材所允许的最大电压值的情况下,选择电动势较大的电源(以获得更多的测量数据)。
在相同电动势情况下,通常选择内电阻较小的电源(以获得较稳定的路端电压),测电源内阻除外。
2、电表的选择:
在不超过电表量程的条件下,选择量程较小的电表(以便测量时示数能在满刻度的2/3左右)。
四、电学实验分类总结
●伏安法测电阻
【实验说明】伏安法测电阻主要关心三个问题:
1.测量电路的选择(即内接或外接)
2.控制电路的选择(即分压或限流)
3.实验误差的分析
1.测量电路的选择
(1)直接比较法:
当待测电阻阻值Rx< 当待测电阻阻值Rx>>RA时,安培表分压很小,选择安培表内接电路。 (2)临界值计算比较法: 当待测电阻阻值与电压表、电流表的阻值相差不多时,如何确定被测电阻R是较大还是较小呢? 我们要计算两种接法的相对误差,可用 与 相比较. 当 即 时,宜采用电流表外接法; 当 即 时,宜采用电流表内接法; 而 时,电流表内外接法效果是一样的.此时的被测电阻值R我们称为临界电阻。 (3)测试判断法(试触法) 若Rx、RA、RV的大小关系事先没有给定,可借助试触法确定内、外接法.具体做法是: 如图10-6所示组成电路,其中电流表事先已经接好,拿电压表的一个接线柱去分别试触M、N两点,观察先后两次试触时两电表的示数变化情况。 如果电流表的示数变化比电压表示数变化明显(即 ),说明接M点时电压表分流作用引起的误差大于接N点时电流表分压作用引起的误差,这时应采用内接法(即电压表接N点)。 如果电压表的示数变化比电流表示数变化明显(即 ),说明接N点时电流表分压作用引起的误差大于接M点时电压表分流作用引起的误差,这时应采用外接法(即电压表接M点). 2.控制电路的选择 由电路中所要求或可能出现的电流、电压的范围来选定变阻器,实际流过变阻器的电流不得超过其额定值;如要通过变阻器的电阻改变来读取不同的电流、电压值时,要注意避免变阻器滑片稍有移动电流或电压就会有很大变化的出现,也要避免出现滑片从一头滑到另一头,电流或电压几乎没有变化的情况. 滑动变阻器的全阻值为R0测量电路负载电阻为RL 当R0< 3.实验误差分析 内接法测量值大于真实值,R测>R真 外接法测量值小于真实值,R测 (口决: “内大外小”,即内接法适合测大电阻且系统误差偏大,即测量值大于真实值,外接法适合测小电阻且系统误差偏小,即测量值小于真实值,) 例1: 图10-7为用伏安法测量一个定值电阻阻值的实验所需器材实物图,器材规格如下: (1)待测电阻Rx(约100Ω) (2)直流电源(输出电压4V,内阻可不计) (3)直流毫安表(量程0~10mA,内阻50Ω) (4)直流电压表(量程0~3V,内阻5KΩ) (5)滑动变阻器(阻值范围0~15Ω,允许最大电流1A) (6)电键一个,导线若干条 根据器材的规格和实验要求,在实物图上连线。 并用“↓”标出在闭合电键前,变阻器的滑动触点应处的正确位置。 例2: 用伏安法测量某一电阻Rx的阻值,现有实验器材如下: A、待测电阻Rx(阻值大约为5Ω,额定功率为1W) B、电流表A1(0~0.6A,内阻0.2Ω) C、电流表A2(0~3A,内阻0.05Ω) D、电压表V1(0~3V,内阻3KΩ) E、电压表V2(0~15V,内阻15KΩ) F、滑动变阻器R0(0~50Ω) G、蓄电池(电动势为6V) H、电键、导线 为了较准确测量Rx的阻值,保证器材的安全,以便操作方便,电压表、电流表应选择________,并画出实验电路图。 【巩固练习】 1.用伏安法测量一只定值电阻的实验所需的器材实物如图,各器材规格为: ⑴待测电阻RX(约100Ω) ⑵直流毫安表(量程0-10mA,内阻50Ω) ⑶直流电压表(量程0-3V,内阻5kΩ) ⑷直流电源(输出电压3V,内阻可不计) ⑸滑动变阻器(0-15Ω,允许最大电流1A) ⑹电键一只,导线若干。 根据器材的规格和实验要求,在下面方框中画出实验电路图,并在实物图上用笔画线当导线连接成实验电路。 2.用伏安法测电阻的实验中,所用电压表的内阻约为20kΩ,电流表的内阻约为10Ω,滑动变阻器的最大阻值为20Ω,选用能够尽量减小系统误差的电路进行实验,所测得的各组数据已用实心点标在了右图的坐标纸上。 ⑴根据各点表示的数据描出该电阻的伏安特性图线,并由此图线得出该电阻的阻值为RX=______Ω(保留2位有效数字)。 ⑵在方框中画出实验电路图。 ⑶将实物连接成实验电路。 ★试触法确定测量电路 用电流表和电压表测量电阻Rx的阻值.如图4所示,分别将图(a)和(b)两种测量电路连接到电路中,按照(a)图时,电流表示数为4.60mA,电压表示数为2.50V;按照(b)图时,电流表示数为5.00mA,电压表示数为2.30V,比较这两次结果,正确的是( ) 图4 A.电阻的真实值更接近543Ω,且大于543Ω B.电阻的真实值更接近543Ω,且小于543Ω C.电阻的真实值更接近460Ω,且大于460Ω D.电阻的真实值更接近460Ω,且小于460Ω ●测定金属的电阻率 例3: 在测定金属的电阻率的实验中,金属导线长约0.8m,直径小于1mm,电阻在5Ω左右。 实验主要步骤如下: ⑴用______测量金属导线的长度,测3次,求出平均值L; ⑵在金属导线的3个不同位置上用______________测量直径,求出平均值d; ⑶用伏安法测量金属导线的电阻R。 在方框中画出实验电路图,并试把右图中所给的器材连接成测量R的合适的线路。 图中安培计要求用0-0.6A量程,内阻约1Ω;伏特计要求用0-3V量程,内阻约几kΩ;电源电动势为6V;滑动变阻器阻值0-20Ω。 在闭合电键前,滑动变阻器的滑动触点应处于正确位置。 根据以上测量值,得到该金属电阻率的表达式为ρ=__________。 【螺旋测微器的读数】 1.图中给出的是用螺旋测微器测量一金属薄板厚度时的示数,此读数应为mm. 2.使用螺旋测微器测量金属丝的直径,示数如图16所示。 金属丝的直径是_______mm。 3.使用千分尺测量金属丝的直径,示数如图10所示,金属丝的直径为_________mm; ●描绘元件的伏安特性曲线 例4: 某同学测绘标有“3.8V,0.3W”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: A: (量程100mA,内阻约2);A: (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); 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___________________.(填器材的符号)请在方框内画出实验电路图 2.根据实验数据,计算并描绘出R-U的图象如图3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__________. 例5: 热敏电阻是传感电路中常用的电子元件。 现用伏安法研究热敏电阻在不同温度下的伏安特性曲线,要求特性曲线尽可能完整。 已知常温下待测热敏电阻的阻值约4~5Ω。 热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中,杯内有一定量的冷水,其它备用的仪表和器具有: 盛有热水的热水杯(图中未画出)、电源(3V、内阻可忽略)、直流电流表(内阻约1Ω)、直流电压表(内阻约5kΩ)、滑动变阻器(0~20Ω)、开关、导线若干。 ⑴在图8(a)的方框中画出实验电路图,要求测量误差尽可能小。 ⑵根据电路图,在图8(b)的实物图上连线。 ⑶简要写出完成接线后的主要实验步骤______________________。 ●表头的改装 【实验说明】表头的改装主要关心以下几个问题: 1.表头的改装原理 2.表头内阻的测量 3.半偏法测量表头内阻的误差分析 4.半偏法测量表头内阻的实验改进 5.改装后表头的校准 1.表头的改装原理 1.把电流表改装成电压表时,下列说法正确的是( ) A.改装的原理是串联电阻有分压作用 B.改装成电压表后,原电流表本身允许通过的最大电流值也随着变大了 C.改装后原电流表自身的电阻也增大了 D.改装后使用时,加在原电流表两端的电压的最大值不变 2.电流表的内阻是Rg=200Ω,满刻度电流值是Ig=500μA,现欲把这电流表改装成量程为1.0V的电压表,正确的方法是( ) A.应串联一个0.1Ω的电阻 B.应并联一个0.1Ω的电阻 C.应串联一个1800Ω的电阻 D.应并联一个1800Ω的电阻 3.电流表G的内阻为Rg,用它测量电压时,量程为U;用它改装成大量程的电流表的内阻是RA,量程为I,这几个量的关系是( ) A.RA>Rg >RgB.RA>Rg> C.RA 4.一个电流表的刻度盘的每1小格代表1μA,内阻为Rg.如果把它改装成量程较大的电流表,刻度盘的每一小格代表nμA,则( ) A.给它串联一个电阻,阻值为nRg B.给它串联一个电阻,阻值为(n-1)Rg C.给它并联一个电阻,阻值为 D.给它并联一个电阻,阻值为 5.有一个量程为0.5A的电流表,与阻值为1Ω的电阻并联后通入0.6A的电流,电流表的示数为0.4A,若将该电流表的量程扩大为5A,则应________联一个阻值为________Ω的电阻. 2.表头内阻的测量 半值法(半偏法) 半值法是上面比例法的一个特例,测电流表内阻和测电压表内阻都可以用半值法,电路图如图10-15所示。 甲图实验时先断开开关S’,闭合S,调整滑动变阻器R01(限流法连接),使电流表A满度(即指针指满刻度处);再闭合S’,调整电阻箱R1,使电流表A的指针恰好指到半满度处,读出此时电阻箱的阻值R,则电流表A的电阻rA=R。 (测量结果偏小) 乙图实验时先闭合开关S’及S,调整滑动变阻器R02(分压法连接),使电压表V满度;再断开S’,调整电阻箱R2,使电压表V的指针恰好指到半满度处,读出此时电阻箱的阻值R,则电压表V的电阻rV=R。 (测量结果偏大) 比例法: 如果有可以作为标准的已知电阻的电表,可以采用比例法测电表的电阻。 用比例法测电表内阻时,两个电流表一般是并联(据并联分流原理),两个电压表一般是串联(据串联分压原理)。 例如,测电流表和电压表的内阻,如果有可以作为标准的已知电阻的电表,都可以使用比例法。 采用比例法测电阻的依据是: 串联电路电压与电阻成正比,并联电路电流与电阻成反比。 电压表可显示电阻两端的电压值,电流表可显示电阻中通过的电流,所以测电流表内阻应把两电流表并联,测电压表内阻应把两电压表串联,电路图分别如图10-14(甲)、(乙)所示。 测电流表内阻时,应调节滑动变阻器R01,使两电流表的指针都有较大偏转,记录下两电表的示数I1和I2,根据并联电路分流原理,若已知电流表A1的内阻为r1,则电流表A2的内阻r2= 。 测电压表内阻时,应调节滑动变阻器R02,使两电压表的指针都有较大偏转,记录下两电表的示数U1和U2,根据串联电路分压原理,若已知电压表V1的内阻r1,则电流表V2的内阻r2= 。 以上例子中,甲图采用限流电路而乙图采用分压电路,这是由于电流表内阻都较小,若采用分压电路,则滑动变阻器的阻值必须更小,这时电路近似于短路,是不允许的;而电压表内阻都很大,若采用限流电路,则滑动变阻器的电阻必须更大,这在实际上行不通。 替代法: 替代法的测量思路是等效的思想,可以是利用电流等效、也可以是利用电压等效。 替代法测量电阻精度高,不需要计算,方法简单,但必须有可调的标准电阻(一般给定的仪器中要有电阻箱)。 替代法是用与被测量的某一物理性质等效,从而加以替代的方法。 如图10-13所示。 先把双刀双掷开关S2扳到1,闭合S1,调整滑动变阻器,使电流表指针指到某一位置,记下此时的示数I(最好为一整数)。 再把开关S2扳到2,调整电阻箱R0,使得电流表指针仍指到示数I。 读出此时电阻箱的阻值r,则未知电阻Rx的阻值等于r。 说明: ①在此实验中的等效性表现在开关换位后电流表的示数相同,即当电阻箱的阻值为r时,对电路的阻碍作用与未知电阻等效,所以未知电阻Rx的阻值等于r。 ②替代法是一种简捷而准确度很高的测量电阻的方法,此方法没有系统误差,只要电阻箱和电流表的精度足够高,测量误差就可以忽略。 例6: 为了测定电流表A1的内阻,采用如图1所示的电路。 其中: A1是待测电流表,量程为300μA内阻约为100Ω; A2是标准电流表,量程是200μA; R1是电阻箱,阻值范围0~999.9Ω; R2是滑动变阻器;R3是保护电阻 E是电池组,电动势为4V,内阻不计; S1是单刀单掷开关,S2是单刀双掷开关。 (1)根据电路图1,请在图2中画出连线,将器材连接成实验电路. (2)连接好电路,将开关S2扳到接点a处,接通开关S1,调整滑动变阻器R2使电流表A2的读数是150μA;然后将开关S2扳到接点b处,,保持R2不变,调节电阻箱R1,使A2的读数仍为150μA。 若此时电阻箱各旋钮的位置哪图3所示,电阻箱R1的阻值是Ω,则待测电流表 A1的内阻R3=Ω。 (3)上述实验中,无论怎样调整滑动变阻器R2的滑动端位置,都要保证两块电流表的安全。 在下面提供的四个电阻中,保护电阻R3应选用: (填写阻值相应的字母)。 A.200KΩB.20KΩC.15KΩD.20Ω 例7: (1)甲同学要把一个量程为200 的直流电流计 ,改装成量度范围是0~4V的直流电压表。 ①她按图1所示电路、用半偏法测定电流计 的内电阻rg,其中电阻R0约为1 。 为使rg的测量值尽量准确,在以下器材中,电源E应选用______________,电阻器R1应选用______________,电阻器R2应选用______________(选填器材前的字母) A.电源(电动势1.5V) B.电源(电动势6V) C.电阻箱(0~999.9 ) D.滑动变阻器(0~500 ) E.电位器(一种可变电阻,与滑动变阻器相当)(0~5.1 ) F.电位器(0~51 ) ②该同学在开关断开情况下,检查电路连接无误后,将R2的阻值调至最大。 后续的实 验操作步骤依次是______________,______________,______________, ______________,最后记录R1的阻值并整理好器材。 (请按合理的实验顺序,选填下列 步骤前的字母) A.闭合S1 B.闭合S2 C.调节R2的阻值,使电流计指针偏转到满刻度 D.调节R2的阻值,使电流计指针偏转到满刻度的一半 E.调节R1的阻值,使电流计指针偏转到满刻度的一半 F.调节R1的阻值,使电流计指针偏转到满刻度 ③如果所得的R1的阻值为300.0 ,则图1中被测电流计 的内阻r的测量值为______________ ,该测量值__________实际值(选填“略大于”、“略小于”或“等于”)。 ④给电流计 __________联(选填“串”或“并”)一个阻值为__________ 的电阻,就可以将该电流计 改装为量程4V的电压表。 (2)乙同学要将另一个电流计 改装成直流电压表,但他借到一块标准电压表 、一个电池组E、一个滑动变阻器 和几个待用的阻值准确的定值电阻。 ①该同学从上述具体条件出发,先将带改装的表 直接与电压表 校准。 请你画完图2方框中的校准电路图。 ②实验中,当定值电阻R选用17.0 时,调整滑动变阻器 的阻值,电压表 的示数是4.0V时,表 的指针恰好指到满量程的五分之二;当R选用7.0 时,调整 的阻值,电压表 的示数是2.0V时,表 的指针又指到满量程的五分之二。 由此可以判定,表 的内阻rg是_______ ,满偏电流 是_______mA。 若要将表 改装为量程是15V的电压表,应配备一个_______ 的电阻。 【巩固练习】 1.一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虚线框内的实物图按电路原理图连线; ②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 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: 。 答案: 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;
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