专题14：电学实验知识点(学生版).doc

第十四章：电学实验
一、电路设计或器材选择原则
　　1、安全性：要注意到各种电表均有 、电阻均有最大允许 和最大功率，电源也有最大允许 ，不能烧坏仪器。
　　2、准确性：在实验方案、仪器、仪器量程的选择上，应使实验误差尽可能的小。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 ，然后合理选择量程，务必使指针有较大偏转（一般要大于满偏度的 ），以减少测读误差。
3、便于调节：实验应当便于操作，便于读数。
二、描绘小灯泡的伏安特性曲线、伏安法测电阻、测量电阻的电阻率
考虑：
1） 电压表、电流表的量程的选择；
2） 电流表的内外接；
3） 滑动变阻器的分压限、流接法：用分压接法时，滑动变阻器应该选用阻值小的；用限流接法时，滑动变阻器应该选用阻值和被测电阻接近的；
4） 电流表的内外接产生误差的原因；
5） 游标卡尺与螺旋测微器读数：游标卡尺不估读，螺旋测微器估读；
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 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 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
A
ＵＲ
ＵA
Ｉ测

ＲA
Ｒx

Ｕ测
ＲV

V
（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 ；
（2）、描绘I—U线时作图不准确造成的偶然误差。

5、知识延伸
5.1 电流表的解法：
（1）内接法：如图所示，待测电阻的测量值：
显然所以
Ｉ测

Ｒx

Ｕ测
ＲV

V
IV

IR

A
当时，，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 阻值电阻。
（2）外接法：如图所示，待测电阻的测量值：
显然有：所以当时，，，系统的相对误差忽略，所以外接法适用于测量 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
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
接法。

5.2 滑动变阻器的限流接法和分压接法：

电路
负载上电压调节范围
负载上电流调节范围
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
RL
R0
S
a
b
ε
r0
P

b端

分压接法
RL
R0
S
a
b
ε
r0
P

a端

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

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 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 ，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 ，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。
6、游标卡尺与螺旋测微器读

7、测量电阻的方法
1、欧姆表粗测
2、伏安法（电压表＋电流表）
原理：
3、伏安法的拓展（电表的选取应注意安全性、准确性）
　（1）利用已知内阻的电压表测定值电阻的阻值（用电压表算电流）
　（2）利用已知内阻的电流表测定值电阻的阻值（用电流表算电压）
　（3）电压表、电流表混合用
4、电表内阻的测量方法
（1）、互测法：
①电流表、电压表各一只，可以测量它们的内阻：

②两只同种电表，若知道一只的内阻，就可以测另一只的内阻：

③两只同种电表内阻都未知，则需要一只电阻箱才能测定电表的内阻：

（2）替代法：

（3）、 半偏法：

恒压半偏
恒流半偏

三、电压表和电流表改装
考虑：
1） 电流表改装并联小电阻；
2） 电压表改装串联大电阻；
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＝IgRg
2、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

2.1电流表半偏法测内阻的误差分析
用如图1所示的电路测电流表的内阻时，设电流表的满偏电流为Ｉｇ，则开关
即的测量值小于真实值．相对误差为
2.1减小误差
为使实验误差较小，必须使
3、电压表的改装
（1）原理：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：
则：
因为电压扩大表头量程的倍数：所以
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：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则：因为电流扩大表头量程的倍数：所以
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。
四、测量电源电动势和电阻
考虑：
1） 电压表、电流表的量程的选择；
2） 电流表的内接，即电压表直接测量电源的路端电压；
3） 滑动变阻器、电压表的选择；

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。
（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。

五、多用表的使用：
考虑：
1） 电路电流红表笔流入、黑表笔流出；
2） 机械调零、欧姆调零操作；
3） 刻度盘读数；
4） 每换一次档位，需重新调零;
5） 使用结束后将开关旋转至OFF或交流高压挡；
欧姆表的改装：
（1）主要部件：表头、可调电阻、电源、红黑表笔等。电路如图。
（2）原理：由闭合电路欧姆定律得：， ，
与不成正比，时，。
（3）刻度盘的特点：
①零刻度线在最右端，从右向左读数；
②刻度不均匀，前疏后密。中值电阻附近误差小。
③当红、黑表笔不接触时（右图），相当于被测电阻，此时电流表的电流为零，所以电流表零刻度的位置是电阻挡刻度的“ ”位置。
注：因欧姆表示数为零时：，中值时：，则中值电阻（电流表的指针指到刻度盘的中央时所对应的Rx叫中值电阻）为。
（4）使用方法：
1．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。
2．选挡：选择开关置于欧姆表“×1”挡。
3．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。
4．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。
5．换一个待测电阻，重复以上2、3、4过程，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。
6．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。
[注意事项]
1． 每次换档必须重新电阻调零。
2． 选择合适的倍率档，使指针在中值电阻附近时误差较小。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。
3． 测电阻时要把选择开关置于“W” 档。
4． 不能用两手同时握住两表笔金属部分测电阻。
5． 测电阻前，必须把待测电阻同其它电路断开。
6． 测完电阻，要拔出表笔，并把选择开关置于“OFF”档或交流电压最高档。电表长期不用时应取出电池，以防电池漏电。
7. 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。
8.欧姆表内的电池用旧了，用此欧姆表测得的电阻值比真实值偏大。
9.多用电表无论作电流表、电压表还是欧姆表使用，电流总是从正接线柱流入，从负接线柱流出 欧姆表中电流的方向是从黑表笔流出，经过待测电阻，从红表笔流入.
注意 二极管的单向导电性.电流从正极流入电阻较小，从正极流出时电阻较大。
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