气压计

八、气压计【重要知识提示】气压计是测定大气压强的仪器．目前在中学实验中常用的有两种：一是槽式水银气压计，又叫福廷式气压计，如图2—58所示；二是曲管水银气压计，如图2—59所示．(一)槽式气压计1．槽式水银气压计的构造如图2—58(a)所示，福廷式气压计主要由玻璃管A(上端封口，下端开口，竖直放于水银槽B中)、水银槽B、保护用的铜管C构成．如图2—58(b)所示，玻璃管A下还有螺旋K、象牙针G；铜管C的上方还有温度计D，刻度尺E，游标尺F；铜管C的上端开着一个矩形的缝口H．各部分的作用：a．玻璃管A：玻璃管A内为真空，水银槽中的水银在大气压强的作用下，将在管A内上升一定的高度，通过测量这一高度就可确定大气压强的数值．b．水银槽B：盛水银用槽，此槽可以上升或下降．c．保护用铜管C：铜管C套在玻璃管A的外面．铜管C上还安装有水银温度计D，用以测量大气温度．d．螺旋K：用来调节水银槽B的上升或下降．刻度尺E、游标尺F：E、F两尺实际上就是一游标卡尺，平时用的游标卡尺总是在水平状态下使用、测量读数的，用在气压计上，它是竖直放置，读数方法不变，观察时视线要与尺上刻度平行．e．矩形缝口H：如图2—58(b)所示，用来观察玻璃管A上方的水银面．f．象牙针G：指示水银槽中的水银面位置．整个装置是将铜管C套在玻璃管A的外面，连同刻度尺、游标尺、温度计、水银槽等固定在同一竖直平木板(或金属板)上；玻璃管A下端插入水银槽中，水银槽与大气相通．2．工作原理依据托里拆利实验原理，气压计只作测定大气压强用．3．使用方法①转动竖直挂立在墙壁上的气压计上的螺旋K，调节水银槽中水银面的高度，使槽内水银面刚好和槽上象牙针尖接触，象牙针尖与槽中水银面接触处E尺的示数为“O”．②移动刻度尺E上的可动游标F，使它的下边的“O”刻度线正好与玻璃管A上端的水银的凸月牙面相切，如图2—58(b)所示．③读数时，应先读出E尺上的示数，再读出游标尺上的示数，两项之和即为当时当地的大气压强值．气压计上的游标尺一般为10分度．4．注意事项①气压计需保持竖直状态．②调节螺旋K和游标尺F时要轻且慢，不能旋转过急和移动过快，否则会破坏系统的平衡状态．③读数时视线要与刻度尺垂直．④只有系统处于平衡状态，气压计的示数才直接显示周围大气压的实际值．(二)曲管式水银气压计曲管气压计也称U型管气压计，其结构如图2—59所示．它的长臂顶端是封闭的，短臂是开口的．因长臂上方是真空，所以大气压强的数值就是两臂中水银面的高度差．U型管水银气压计的刻度尺上带有游标尺，读数时，先使用下面的调节旋钮，使游标尺的零刻度对准开口管中的水银面(要使零刻度线与水银的凸弯月面的上端相切)．【典型范例导析】【例1】。某同学在实验室用水银气压计测定当时的大气压强，他按合理的步骤调整好气压计后，气压计的刻度部分如图2—60所示．已知游标尺上十个等分刻度的总长度为9ram，此时的大气压强相当于______mmHg．解析由题意和图示可知，气压计上的游标尺是10分度，其精度为O．1mm．大气压强的整数部分可由左边的刻度尺上读得，为760mmHg，小数部分则可从游标尺上读得，为0．1×3-0．3mmHg，因此该气压计测得的大气压强为(760+0．3)mmHg=760．3mmHg．【例2】如果水银气压计挂得不竖直，读数结果将()A．比实际气压大B．比实际气压小C．与实际气压一样大D．无法确定解析根据托里拆利原理，当水银气压计挂得不竖直时，由于水银柱的长度大于水银柱的竖直高度，所以气压计的读数比实际气压大，答案为A．【例3】如图2—61和图2—62所示，气压计上游标尺F的O线均与凸月牙面相切，则图2—61所示大气压p0=_____；图2—62所示大气压p0=_____．解析由槽式水银气压计读数原理知，大气压测量值整数部分由刻度尺E上读出，小数部分从游标尺F上读出．对图2—61，刻度尺E上读得75．20cmHg，游标尺F上读得0．1mmHg×3=O．3mmHg=O．03cmHg，此时的大气压值加=(75·20+0．03)cmHg=75．23cmHg．对图2—62，刻度尺E上读得76.00cmHg，游标尺F上读得0．1mmHg×4=0．4mmHg=0．04cmHg，此时的大气压值p0=(76．OO+O．04)cmHg=76．04cmHg．点评要使气压计测量准确，必须从以下4个方面把握：一是把握好游标卡尺的读数规则，要分别从E尺和F尺上读出，并对两项求和；二是把握好气压计必须竖直放置，不得倾斜；三是把握好游标尺的“O”刻线与水银的凸月牙面相切，读数时须注意对观察“O”刻线的“刚好相切”四个字的理解；四是把握好有效数字位数的记法，因为一般气压计上都附有10分度游标尺，准确位为毫米的十分位，而没有估读位．九、滑动变阻器滑动变阻器是一个可以连续改变电阻值的可变电阻，它在电路中能起到调节电流的大小及两点间的电压的作用，是电学中最基本、最常见的器材之一，也是高考重要考点之一．【重要知识提示】1．滑动变阻器的结构与原理滑动变阻器的结构如图2—63所示．表面涂有氧化绝。缘层的康铜电阻丝彻密绕在瓷管上，滑动片P与电阻丝紧密接触(接触部分的氧化层已刮掉)，且能在滑杆CD上左右滑动．根据SLR，对于粗细均匀的电阻丝，即队S不变时，电阻的大小与长度成正比，随着滑动片位置的变化，电阻丝接人电路的长度L发生变化，变阻器接人电路的电阻值也相应发生变化．中学实验室内常用滑动变阻器有以下几种规格：其中0～200Ω滑动变阻器连续使用时，电流不得超过1．5A．2．便用万法滑动变阻器在电路中有两种接法，在高考题中经常设置一些问题来考查学生对滑动变阻器在电路中的作用和连接方式的掌握情况．实践证明，不少学生因不清楚或不完全理解滑动变阻器的作用而无法接通电路．滑动变阻器的两种接法(限流式和分压式接法)，将在例题中进行分析．3．注意事项(1)不论使用变阻器的全部或部分，电流强度均不得超过滑动变阻器的额定值．(2)防止损伤电阻丝表面的绝缘层，以免造成匝间短路．(3)使用前应先滑动几次接触器，除去接触点上的灰尘、污物等影响良好接触的物质．(4)电阻丝端头不要随便拆卸．如果电阻丝与接线柱相衔接部位断裂，应先用胶布将完好部分缠牢，再去掉断裂处绝缘层重接，以防止整个绕线松脱．【典型范例导析】【例1】限流式和分压式接法电路的性能有何差异?两种接法应遵循的原则是什么?解析(1)两种电路的性能差异比较．点评两者对比可以看出，分压电路调节范围大，细调程度均匀．但限流电路连线简单，功率损耗小，也是其可取之处．如何选择控制电路，一般并不要求设计什么最佳方案，只要根据现有设备，能满足实验要求，安全省电就可以。当R10R0时，用限流式；当RR0/2时，用分压式；当R0/5R10R0时，用限流式或分压式均可．限流式可省一个耗电支路，而分压式电压调节范围大，它们各有所长，应根据需要选用．(2)选用两种接法的原则．常用的选择方法：①负载电阻的阻值R0远大于变阻器的总电阻R，须用分压式电路；②要求负载上电压或电流变化范围较大，且从零开始连续可调，须用分压式电路；③负载电阻的阻值R0小于变阻器总电阻R或相差不多，且电压电流变化不要求从零调起时，可采用限流接法；④两种电路均可使用的情况下，应优先采用限流式接法，因为限流接法总功耗较小；⑤特殊问题中还要根据电压表和电流表量程以及电阻允许通过的最大电流值来反复推敲，以能减小误差的连接方式为好．【例2】滑动变阻器作限流器使用时，其在电路中的接法如何?试举例分析限流式接法的条件和优点．解析作为限流器使用，用来调节电路中的电流强度，如图2—64所示，开关S闭合前应把变阻器的阻值调到最大值，以防止因电流过大而损坏用电器，此时滑动变阻器的4个接线柱只有A、C或A、D两个接线柱接人电路，初学者要防止将C、D两接线柱同时接入电路，因为这样会使电路短路而烧坏用电器。如图2—65所示电路也可达到调节电流的目的．在使用这种接法时，要提醒学生注意：a．切忌同时只使用C、D两接线柱，因为这样会使电路短路而烧坏用电器．b．不能只同时使用A、B两接线柱，因为这样虽然不会使电路短路，但不能使滑动变阻器改变电阻值而达到调节电流的目的．在图2—64和图2—65两种接法中，前者当滑动触片P未接触康铜丝时，使电路形成断路，电路中将无电流；后者当滑动触头P未接触康铜丝时，电路中的电阻最大，即整个滑动变阻器的阻值全部接人电路，此时电路已接通，仍有电流，只不过是不能达到改变电流的大小的愿望．在实际使用中，当滑动变阻器用于限流时应采用如图2—66所示的电路．使电阻丝的一端和滑杆的一端串接在电路中，通过改变滑动变阻器R0的阻值达到调节负载R上的电流的目的．实际的接线方法参见图2—67．实验开始时，一般先把变阻器调到最大阻值，即将滑键C移到B端．开始后再逐渐往小调节，即将C移向A端．这样做是为了防止一开始电流过大损坏用电器．这里要说明的是，滑动变阻器上金属杆两端的两个接线柱地位是一样的，无论将导线接在左边，还是接在右边，其实质都是将导线接在滑键C上．千万要注意的是：电路图中滑线变阻器符号上的A、B两点对应在实物图中是康铜丝的两个端点(在图2—67中已分别标出A、B字样)，而不是上方金属杆的左、右两接线柱．在限流电路中滑线变阻器的调节范围是：当C移至A端，滑线变阻器的“有效”阻值为零，电路中的电流达到最大，负载上的电压也最大．最大电压Umax=ε①最大电流Imax=ε/R②当C移至B端时，电阻全部串人电路，这时回路中的电流最小，相应地负载上的电压也最小．令R0表示变阻器的全电阻，则最小电压0minRRRU③最小电流0minRRI④①、②及③、④式表明限流电路电流的调节范围是瓦筝毛一簧，相应地负载上电压的调节范围是瓦旱瓮一艿．很显然调节范围与滑线变阻器的阻值R0有关，R0越大则Imin和Umin就越小，调节范围就越大．在实验中还会发现，即使在调控范围以内，尽管精心调节滑线变阻器，但负载上的电压或电流往往比所要求的数值不是高，就是低，很难使之吻合．这种现象实质上是控制电路细调程度的好坏问题．从理论上可以证明，细调程度的好坏与负载上分得的电压有关，R上电压越大，细调程度就越差．为此，在选择滑动变阻器时，若考虑采用限流电路来控制电路，则R0不宜比R小很多，最好二者相差不大．【例3】试举例分析滑动变阻器作分压器使用的接法、条件、优点．解析作为分压器使用，用来调节电路中任意两点间的电压，或者取其部分电压，如图2—68所示．对这种电路连接方式的认识要抓住两个关键：其一是先将电源、开关S、滑动变阻器连接成一串联回路；其二注意从滑动变阻器上取出一部分电压，使另一回路使用，连接有用电器回路时，在闭合开关前要注意检查滑动变阻器接法是否合理，检查的关键在是否是康铜丝的任意一端和滑杆的任意一端接人电路，否则就不正确．在实际使用中，当滑动变阻器用作输出可变电压时应用图2—69所示的分压电路接法．接线时首先将电阻丝两端A、B分别接电源的两极，然后将负载的一端接电阻丝的一头(如图2—69中的B端)，另一端与滑动杆接线柱(实质上是滑片C)相接．实际接线情况参见图2—70．通过改变BC部分的电阻值(并联电阻值)来改变AC与BC两部分的电压比，从而达到调节对负载尺的供电电压．开始时将变阻器输出电压调到最小值，就是将滑片C移到B端．在图2—70中就是将滑片移到最右端，从图上可以看出这时供给灯泡的电压将减小到零．这样做的目的是为保护用电器不被过大的电压所损坏．实验开始后逐渐将滑片向左移以加大对负载的供电电压，直到达到所需要的电压值．分压电路中滑动变阻器的调节范围是这样的：滑片C从B移到A，输出给负载R的电压就从零变到艿，调节范围和变阻器阻值无关．相应的负载R上的电流就从0变到ε/R．理论上可以证明当RR0时(习惯上以R2R0为准)输出给负载R的电压U0RRBC，即与BC部分的长度成线性关系．这从控制电路的角度讲是很令人满意的，并且理论上还可以证明这时滑动变阻器的细调程度在整个调节范围内基本上是均匀的．为此，在选择分压电路作为控