专题二电学实验.docx
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专题二电学实验
专题二电学实验
【基本实验】
实验一:
测定金属的电阻率
1.实验目的
(1)学会使各种常用电学仪器以及正确读数
(2)学会使用螺旋测微器以及正确读数
(3)学会用伏安法测量电阻的阻值,测定金属的电阻率
2.实验原理
欧姆定律和电阻定律,用刻度尺测一段金属导线的长度L,用螺旋测微器测导线的直径d,用电压表和电流表测导体的电阻,由
电路图如右所示
被测电阻丝的电阻较小,所以选用电流表外接法;本实验若不要求电压调节范围(如要求电压必须由零开始),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。
3.实验器材
被测金属导线、螺旋测微器、毫米刻度尺、电池组、电流表、电压表、滑动变阻器、电键、导线若干
4.实验步骤
(1)用螺旋测微器测量金属导线的直径,再由直径算出金属导线的横截面积。
(在三个不同的位置上各测一次取平均;?
为什么第一步就测直径)
(2)用毫米刻度尺测量接入电路中的被测导线的长度。
(测量有效长度,测三次取平均)
(3)按照电路图连接好电路,注意滑动变阻器要调在适当的位置
(下图中调在最左端),电流表、电压表的量程要选择恰当。
(4)闭合开关S,调节滑动变阻器的滑动触片,使电流表、电压表分别
有一恰当的读数,并记录下来。
(5)继续调节滑动变阻器的滑动触片,重复步骤4,做三次,记录下每次电流表、电压表的读数。
(6)打开开关S,拆除电路,整理好实验器材。
(7)处理数据。
5.注意事项
(1)由于所测金属导线的电阻值较小,测量电路应该选用电流表外接线路。
(2)闭合电键S之前,一定要使滑动变阻器的滑片处于恰当的位置。
(3)测电阻时电流不宜过大,通电时间不宜过长。
(4)求R的平均值可以用二种方法:
第一种用
算出各次的测量值,再取平均值;第二种方法是用U-I图像的斜率求出(这种方法求法更准确)。
6.误差分析
(1)直径测量和长度测量造成误差。
(2)电流表电压表读数及电路连接方式上造成的误差。
如:
本实验采用电流外接法,所测电阻值<真实值,由此会使所测电阻率偏小。
(3)电流过大或通电时间过长,导致电阻丝发热,电阻率发生改变,引起误差,是电阻率偏大。
例一、(15分)用伏安法测量电阻阻值R,并求出电阻率ρ。
给定电压表(内阻约为50kΩ)、电流表(内阻约为40Ω)、滑线变阻器、电源、电键、待测电阻(约为250Ω)及导线若干。
(1)画出测量R的电路图。
(2)图1中的6个点表示实验中测得的6组电流I、电压U的值,试写出根据此图求R值的步骤:
。
求出的电阻值R=。
(保留3位有效数字)
(3)待测电阻是一均匀材料制成的圆柱体,用游标为50分度的卡尺测量其长度与直径,结果分别如图2、图3所示。
由图可知其长度为,直径为。
(4)由以上数据可求出ρ=。
(保留3位有效数字)
例二、
(2011浙江理综22)在探究导体电阻与其影响因素的定量关系”试验中,为了探究3根材料,横截面积均为S=0.20mm2的金属丝a、b、c的电阻率,采用如图所示的实验电路。
M为金属丝c的左端点,O为金属丝a的右端点,P是金属丝上可移动的接触点。
在实验过程中,电流表读书始终为I=1.25A,电压表读数U随OP间距离a的变化如下表:
(1)绘出电压表读数
随
间距离
变化的图线;
(2)求出金属丝的电阻率
,并进行比较。
实验二描绘小电珠的伏安特性曲线
1.实验目的
⑴描绘小灯泡的伏安特性曲线。
⑵分析曲线变化规律。
2.实验原理
用电流表测流过小灯泡的电流,用电压表测出加在小灯泡两端的电压,测出多组对应的U、I值,在直角坐标系中描出各对应点,用一条平滑的曲线将这些点连接起来。
3.实验器材
小灯泡、4V~6V学生电源、滑动变阻器、电压表、电流表、开关、导线若干
4.实验步骤
(1)连电路:
将小灯泡、电流表、电压表、滑动变阻器、开关用导线按照电路图连接起来。
(2)测数据:
移动滑动变阻器触头位置,测出12组左右不同的电压值U和电流值I,并将测量数据填入已经画好的表格中。
(在曲线转弯处的电压值左右取点应密集)
(3)画图:
①在坐标纸上以U为横轴,以I为纵轴,建立坐标系。
②在坐标纸上描出各做数据对应的点。
注意横纵
坐标的比例标度选取要适中,以使所描图线占据
整个坐标纸为宜。
③将描出的点用平滑的曲线连接起来,就得到小灯泡
的伏安特性曲线
⑷拆电路,整理仪器。
5.注意事项
(1)电路的连接方式
①电流表应采用外接法:
因为小灯泡的电阻很小,与0~0.6A的电流表串联式,电流表的分压影响很大。
②滑动变阻器应采用分压式连接:
目的是使小灯泡两端的电压能从0开始变化。
(2)闭合电键S之前,一定要使滑动变阻器的滑片处于恰当的位置(应该使小灯泡被短路)。
(3)保持小灯泡电压接近额定值是要缓慢增加,到额定值,记录I后马上断开开关。
(4)误差较大的点药舍去,U-I图像应是平滑曲线而非折线。
6.误差分析:
(1)电压表、电流表不是理想电表,表的内阻对电路的影响带来误差。
(2)测量时读数误差。
(3)在坐标纸上描点、作图带来的误差。
例三、(2006全国卷2)
(1)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),电子键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_______________________________。
甲乙
实验三测定电源的电动势和内阻
1.实验目的:
测定电池的电动势和内电阻。
2.实验原理(U=E-Ir)
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E、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E值,图线斜率的绝对值即为内电阻r的值。
3.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。
4.实验步骤
(1)连:
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)测:
①把变阻器的滑动片移到一端使阻值最大。
②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。
(3)整理:
打开电键,整理好器材。
(4)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。
5.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E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E、r值再平均。
(4)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,这时要特别注意计算斜率时纵轴的刻度不从零开始。
6.误差分析
(1)读完点表示数没有立即断电,造成E、r,变化
(2)I(真实值)=I(测量值)+I(电压分得的电流),未考虑电压表分流,或V(真)=V(测)+V(A)未考虑电流表分压。
(3)作图误差
(4)当I(v)=0时,I(短)=I(A),短路电流测量值等于真实值;E(测) 所以r(测) 7.总结: 测量原理: 闭合电路欧姆定律: E=U+Ir 方法: 伏安法: 为了减小误差,要多做几组数据,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,使尽可能多的点落在这条直线上,而且在直线两侧的点数大致相等。 这本身就是取平均值的过程。 接法1 接法2 误差 原因 电压表所测外电压不准 电流表所测总电流不准 实际测量的是等效电源的电动势和内阻 测量值 图像 这条直线在U轴上的截距就是被测电源电动势E(对应的I=0),斜率的绝对值就是被测电源的内阻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|) 例四、(2010广东理综34 (2))某同学利用电压表和电阻箱测定干电池的电动势和内阻,使用的器材还包括定值电阻(R0=5Ω)一个,开关两个,导线若干,实验原理图如图14(a). ①在图14(b)的实物图中,已正确连接了部分电路,请完成余下电路的连接。 ②请完成下列主要实验步骤; A、检查并调节电压表指针指零;调节电阻箱,示数如图14(c)所示,读得电阻值是____________; B、将开关s1闭合,开关s2断开,电压表的示数是1.49V; C、将开关s2_______,电压表的示数是1.16V;断开开关s1。 ③使用测得的数据,计算出干电池的内阻是_______(计算结果保留二位有效数字)。 ④由于所有电压表不是理想电压表,所以测得的电动势比实际值偏_________(填“大”或“小”)。 例五、(2010江苏单科10)在测量电源的电动势和内阻的实验中,由于所用的电压表(视为理想电压表)的量程较小,某同学涉及了如图所示的实物电路。 www.ks5u.com (1)试验时,应先将电阻箱的电阻调到____.(选填“最大值”、“最小值”或“任意值”) (2)改变电阻箱的阻值R,分别测出阻值 =10 的定值电阻两端的电压U,下列两组R的取值方案中,比较合理的方案是____.(选填1或2) (3)根据实验数据描点,绘出的 图像是一条直线。 若直线的斜率为k,在 坐标轴上的截距为b,则该电源的电动势E=,内阻r=▲(用k、b和R0表示) 实验四练习使用多用电表 1.实验目的: 练习使用多用电表测电阻。 2.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: 当表笔间接入待测电阻Rx时,有: 由①②得: 当Rx=R中时,Ix=1/2Ig,指针指在表盘刻度中心,故称R中为欧姆表的中值电阻,由③式可知每一个Rx都有一个对应的电流值Ix,如果在刻度盘上直接标出与Ix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。 3.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。 4.实验步骤 ⑴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。 ⑵选挡: 选择开关置于欧姆表“×1”挡。 ⑶短接调零: 在表笔短接时调整欧姆挡的调零旋钮使指针指在右端电阻零刻度处,若“欧姆零点”旋钮右旋到底也不能调零,应更换表内电池。 ⑷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。 ⑸换一个待测电阻,重复以上2、3、4步骤,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。 ⑹多用电表用完后,将选择开关置于“OFF”挡或交变电压的最高挡,拔出表笔。 (切忌置于欧姆档) 5.注意事项 ⑴多用电表在使用前,应先观察指针是否指在电流表的零刻度,若有偏差,应进行机械调零。 ⑵测量时手不要接触表笔的金属部分。 ⑶合理选择量程,使指针尽可能指在中间刻度附近.若指针偏角太大,应改换低挡位;若指针偏角太小,应改换高挡位。 每次换挡后均要重新短接调零,读数时应将指针示数乘以挡位倍率。 ⑷测量完毕后应拔出表笔,选择开头置OFF挡或交流电压最高挡,电表长期不用时应取出电池,以防电池漏液腐蚀。 6.误差分析 ⑴读数误差 ⑵欧姆表内置电池过旧,电动势与内阻发生变化。 例六、 (2011年安徽理综) (1)某同学实用多用电表粗略测量一定值电阻的阻值,先把选择开关旋到“×1k”挡位,测量时针偏转如图(a)所示。 请你简述接下来的测量过程: ①; ②; ③; ④测量结束后,将选择开关旋到“OFF”挡。 (2)接下来采用“伏安法”较准确地测量该电阻的阻值,所用实验器材如图(b)所示。 其中电压表内阻约为5kΩ,电流表内阻约为5Ω。 图中部分电路已经连接好,请完成实验电路的连接。 (3)图(c)是一个多量程多用电表的简化电路图,测量电流、电压和电阻各有两个量程。 当转换开关S旋到位置3时,可用来测量;当S旋到位置时,可用来测量电流,其中S旋到位置时量程较大。 【仪器的使用与电路的选择】 1、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,,只需在精确度后加一估读数即可。 估读到下一位 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。 估读到本位 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。 2、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 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),即电压调节范围为0~U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)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(看看就可,高考都是伏安法都是分压式) (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. 3、实验电路和电学仪器的选择 (1)电路的选择 ①安培表内、外接电路的选择 由于电压表的分流作用和电流表的分压作用,造成表的示数与通过负载的电压或电流真实值之间产生误差,为减小此系统误差,应慎重选择电流表的内外接法,选择方法如下: 1、直接比较法: (口决: “内大大外小小”,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,) 2、临界值计算比较法: 时,宜采用电流表外接法;相当于小电阻 时,宜采用电流表内接法;相当于大电阻 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(即滑动变阻器的接法)的选择,见难点2 (2)电路实验器材和量程的选择,应考虑以下几点: ①电路工作的安全性,即不会出现电表和其它实验器材因过载毁坏现象。 ②能否满足实验要求(常常要考虑便于多次测量求平均值)。 ③选择器材的一般思路是: 首先确定实验条件,然后按电源—电压表—电流表—变阻器顺序依次选择。 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(一般取满偏度的 左右),以减少测读误差.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.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: a、方法误差尽可能小. b、实现较大范围的灵敏调节. c、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. 根据以上原则,电学仪器的选择有如下建议: 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)。 3、滑动变阻器的选择: 要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. 若控制电路确定为限流接法,则滑动变阻器应选用与实验电路中其它电阻的总阻值相差不大的;若控制电路确定为分压接法,则应选用在额定电流允许的条件下阻值较小的滑动变阻器。 4、电阻测量的方法归类 在高中电学实验中,涉及最多的问题就是电阻的测量,电阻的测量方法也比较多,最常用的有: (1)欧姆表测量: 最直接测电阻的仪表。 但是一般用欧姆表测量只能进行粗测,为下一步的测量提供一个参考依据。 用欧姆表可以测量白炽灯泡的冷电阻。 (2)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
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