高中物理电学实验专题(教师)

1高中物理电学实验【知识梳理】一、描绘小灯泡的伏安特性曲线1、实验原理在纯电阻电路中，电阻两端的电压与通过电阻的电流是线性关系，但在实际电路中，由于各种因素的影响，U—I图像不再是一条直线。读出若干组小灯泡的电压U和电流I，然后在坐标纸上以U为纵轴，以I为横轴画出U—I曲线。2、实验步骤（1）、适当选择电流表，电压表的量程，采用电流表的外接法，按图中所示的原理电路图连接好实验电路图。（2）、滑动变阻器采用分压接法，把滑动变阻器的滑动片调至滑动变阻器的A端，电路经检查无误后，闭合电键S。（3）、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，记入记录表格内，断开电键S；（4）、在坐标纸上建立一个直角坐标系，纵轴表示电流I，横轴表示电压U，用平滑曲线将各点连接起来，便得到伏安特性曲线。（5）、拆去实验线路，整理好实验器材。3、注意事项（1）、因本实验要作出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；（2）、本实验中，因被测小灯泡电阻较小，因此实验电路必须采用电流表外接法；（3）、电键闭合后，调节变阻器滑片的位置，使小灯泡的电压逐渐增大，可在电压表读数每增加一个定值（如0.5V）时，读取一次电流值；调节滑片时应注意使电压表的示数不要超过小灯泡的额定电压；（4）、电键闭合前变阻器滑片移到图中的A端；（5）、坐标纸上建立坐标系，横坐标所取的分度例应该适当，尽量使测量数据画出的图线占满坐标纸。连线一定用平滑的曲线，不能画成折线。4、误差分析（1）、测量电路存在系统误差，未考虑电压表的分流，造成测得的I值比真实值偏大；（2）、描绘I—U线时作图不准确造成的偶然误差。5、知识延伸电流表的解法：（1）内接法：如图所示，待测电阻的测量值R测：ARARAxARUUUUURRRIIII测测测测显然xRR测所以xARRR测当xARR时，xRR测，系统的相对误差很小，可以忽略不计，所以内接法适用于测量高阻值电阻。（2）外接法：如图所示，待测电阻的测量值R测：VxVRVxUURRRIIIRR测测测测AＵＲＵAＩ测ＲAＲxＵ测ＲVVＩ测ＲxＵ测ＲVVIVIRA2显然有：xRR测所以1VxVVRRRRRRRR测测测测当xVRR时，0xVRR，xRR测，系统的相对误差忽略，所以外接法适用于测量低阻值电阻。（3）试触法选择内、外接法：具体方法是，在如图所示的电路中，改变电表的连接方式，拿电压表的一个接线柱分别接触M、N两点，观察电压表和电流表的示数变化，如果电流表变化明显，说明电压表内阻对电路影响较大，应采用内接法；如果电压表变化明显，说明电流表内阻对电路影响较大，应采用外接法。滑动变阻器的限流接法和分压接法：电路负载LR上电压调节范围负载LR上电流调节范围闭合开关前触电所处位置相同条件下消耗的总功率限流接法0LLLRURR0LLLIRRRb端LI分压接法0LU0LLIRa端()LapII比较分压电路调节范围大分压电路调节范围大都为了保护负载电路限流电路能耗小滑动变阻器的两种电路连接都能控制调节负载的电流和电压，但在相同条件下调节效果不同，实际应用中要根据具体情况恰当的选择限流接法和分压接法。（1）通常情况下（满足安全条件），由于限流电路能耗较小，电路结构简单，因此应优先考虑。（2）在下列情况下必须采用分压接法。①要使某部分电路的电压或电流从零开始连续调节，只有分压接法才能满足。②如果实验所提供的电表量程或其它元件允许通过的最大电流很小，若采用限流接法，无论怎样调节，电路中实际电流（或电压）都会超过电表量程或元件允许的最大电流（或电压），为了保护电表或其它元件，必须采用分压接法。③伏安法测电阻实验中，当滑动变阻器的阻值远小于待测电阻时，若采用限流接法，待测电阻上的电流（或电压）变化很小，不利于多次测量求平均值或用图像处理数据，也起不到保护用电器的作用，应选用分压接法。【例1】某研究性学习小组为了制作一种传感器，需要选用一电器元件。图为该电器元件的伏安特性曲线，有同学对其提出质疑，先需进一步验证该伏安特性曲线，实验室备有下列器材：RLR0Sabεr0PRLR0Sabεr0P3器材（代号）规格电流表（A1）电流表（A2）电压表（V1）电压表（V2）滑动变阻器（R1）滑动变阻器（R2）直流电源（E）开关（S）导线若干量程0~50mA，内阻约为50量程0~200mA，内阻约为10量程0~3V，内阻约为10k量程0~15V，内阻约为25k阻值范围0~15，允许最大电流1A阻值范围0~1k，允许最大电流100mA输出电压6V，内阻不计①为提高实验结果的准确程度，电流表应选用；电压表应选用；滑动变阻器应选用。（以上均填器材代号）②为达到上述目的，请在虚线框内画出正确的实验电路原理图，并标明所用器材的代号。③若发现实验测得的伏安特性曲线与图中曲线基本吻合，请说明该伏安特性曲线与小电珠的伏安特性曲线有何异同点？相同点：，不同点：。解析：①图像中电流0～0.14A，电流表选A2；电源电压6V，但图像只要求电压在0～3V之间调整，为了测量准确电压表选V1；由于绘制图像的需要，要求电压从0～3V之间调整，所以滑动变阻器只能采用分压式接法，为了能很好调节电压，滑动变阻器应选用阻值较小的R1。②该元件约几十Ω，AVRRRR，电压表的分流作用可以忽略，所以采用电流表外接法；实验数据的采集要求从零开始，所以滑动变阻器采用分压式接法。③从图像的形状和斜率变化趋势上去找相同点和不同点，突出都是“非线性”，图像上某点与原点连线的斜率是电阻的倒数。二、电压表和电流表1、电流表原理和主要参数电流表G是根据通电线圈在磁场中受磁力矩作用发生偏转的原理制成的，且指什偏角θ与电流强度I成正比，即θ＝kI，故表的刻度是均匀的。电流表的主要参数有，表头内阻Rg：即电流表线圈的电阻；满偏电流Ig：即电流表允许通过的最大电流值，此时指针达到满偏；满偏电压U：即指针满偏时，加在表头两端的电压，故Ug＝IgRg2、半偏法测电流表内阻Rg方法：合上S1，调整R的阻值，使电转到满流表指针刻度，再合上开关S2，调整R′的阻值（不可再改变R），使电流表指针偏转到正好是满刻度的一半，可以认为Rg=R′。条件:当R比R′大很多3、电压表的改装（1）原理：gggUIR很小，不能直接换刻度测电压，需要串联一个如图所示的分压电阻。（2）分压电阻的计算：由串联电路的特点知：gggUIRIR则：11gggggggUUURRRRIIRU4因为电压扩大表头量程的倍数：gUnU所以1gRnR注：相同的表头改装成的不量程的电压表串联，指针偏转角度相同。4、电流表的改装（1）原理：gI很小，不能直接换刻度测电流，需要并联一个如图所示的分流电阻。（2）分流电阻的计算：由并联电路的特点知()gggIRIIR则：1gggggIRRRIIII因为电流扩大表头量程的倍数：gInI所以1gRRn注：相同表头改装成量程不同的电流表并联，指针偏转角度相同。三、测量电源电动势和电阻1.实验原理根据闭合电路的欧姆定律，其方法有：（1）如图甲所示，改变变阻器的阻值，从电流表、电压表中读出几组U和I的值，由可得，。（2）为减小误差，至少测出六组U和I值，且变化范围要大些，然后在U—I图中描点作图，由图线纵截距和斜率找出E，，如图乙所示。2.实验步骤（1）恰当选择实验器材，照图连好实验仪器，使开关处于断开状态且滑动变阻器的滑动触头滑到使接入电阻值最大的一端。（2）闭合开关S，接通电路，记下此时电压表和电流表的示数。（3）将滑动变阻器的滑动触头由一端向另一端移动至某位置，记下此时电压表和电流表的示数。（4）继续移动滑动变阻器的滑动触头至其他几个不同位置，记下各位置对应的电压表和电流表的示数。（5）断开开关S，拆除电路。（6）在坐标纸上以U为纵轴，以I为横轴，作出U—I图象，利用图象求出E、r。3.实验误差分析（1）偶然误差：主要来源于电压表和电流表的读数以及作U—I图象时描点不很准确。（2）系统误差：系统误差来源于未计电压表分流，近似地将电流表的示数看作干路电流。实际上电流表的示数比干路电流略小。如果由实验得到的数据作出图中实线（a）所示的图象，那么考虑到电压表的分流后，得到的U—I图象应是图中的虚线（b），由此可见，按图所示的实验电路测出的电源电动势，电源内电阻。说明：①外电路短路时，电流表的示数（即干路电流的测量值）等于干路电流的真实值，所以图中（a）、（b）两图线交于短路电流处。②当路端电压（即电压表示数）为时，由于电流表示数小于干路电流，所以（a）、（b）两图线出现了图中所示的差异。4.注意事项（1）电流表要与变阻器靠近，即电压表直接测量电源的路端电压。5（2）选用内阻适当大一些的电压表。（3）两表应选择合适的量程，使测量时偏转角大些，以减小读数时的相对误差。（4）尽量多测几组U、I数据（一般不少于6组），且数据变化范围要大些。（5）作U—I图象时，让尽可能多的点落在直线上，不落在直线上的点均匀分布在直线两侧。5.数据处理的方法（1）本实验中，为了减小实验误差，一般用图象法处理实验数据，即根据各次测出的U、I值，作U—I图象，所得图线延长线与U轴的交点即为电动势E，图线斜率的值即为电源的内阻r，即。（2）应注意当电池内阻较小时，U的变化较小，图象中描出的点呈现如图（甲）所示状态，下面大面积空间得不到利用，所描得的点及作出的图线误差较大。为此，可使纵轴不从零开始，如图（乙）所示，把纵坐标比例放大，可使结果误差小些。此时，图线与纵轴的交点仍代表电源的电动势，但图线与横轴的交点不再代表短路状态，计算内阻要在直线上选取两个相距较远的点，由它们的坐标值计算出斜率的绝对值，即为内阻r。6.实验仪器的选择本实验的系统误差来源于未计电压表的分流。为减小该误差，需要减小电压表的分流。减小电压表分流的方法有二方面，一是选取阻值范围小的滑动变阻器，二是在满足量程要求的前提下选取内阻较大的电压表。由于选用了阻值范围小的滑动变阻器，所以电路中电流较大，因而，还需要滑动变阻器的额定电流较大。综上所述，本实验中滑动变阻器的选择原则是：阻值范围较小而额定电流较大；电压表的选择原则是：在满足量程要求的前提下选取内阻较大的；电流表的选择需根据电源电动势和选用的滑动变阻器来确定。【例2】某同学通过查找资料自己动手制作了一个电池。该同学想测量一下这个电池的电动势E和内电阻r，但是从实验室只借到一个开关、一个电阻箱（最大阻值为9.999，科当标准电阻用）一只电流表（量程RI=0.6A,内阻0.1gr）和若干导线。①请根据测定电动势E内电阻r的要求，设计图4中器件的连接方式，画线把它们连接起来。②接通开关，逐次改变电阻箱的阻值R,读处与R对应的电流表的示数I,并作记录当电阻箱的阻值2.6R时，其对应的电流表的示数如图5所示。处理实验数据时。首先计算出每个电流值I的倒数1I;再制作R-1I坐标图，如图6所示，图中已标注出了（1,RI）的几个与测量对应的坐标点，请你将与图5实验数据对应的坐标点也标注在图6中上。③在图6上把描绘出的坐标点练成图线。④根据图6描绘出的图线可得出这个电池的电动势E=V,内电阻r6解析：根据闭合电路欧姆定律，测量电源的电动势和内电阻，需要得到电源的路端电压和通过电源的电流，在本实验中没有电压表，但是可以用电阻箱和电流表串联充当电压表，测量电源的路端电压，通过电流表的电流也是通过电源的电流，所以只需要将电流表和电阻箱串联接在电源两端即可。实物图的连接如答图4所示。由闭合电路欧姆定律有：E=I（R+r+rg），解得：)(1grrIER，根据R-1/I图线可知：电源的电动势等于图线的斜率，内阻为纵轴负方向的截距减去电流表的内阻。答案：①见答图4②见答图6③见答图6④1.5（1.46~1.54）；0.3（0.25~0.35）四、