高二物理电学实验讲义.doc

重点讲解：电学实验 1、基础电学实验 伏安法测电阻

（1） 实验原理和实验电路图
原理：欧姆定律
实验电路图：如下图所示

图(a)称为安培表外接法，测得的电流不准(IA=Ix+Iv)——偏大，因此测得电阻值较真实值偏小．误差的来源为电压表的分流作用，为减小测量误差，根据分流原理，应选用内阻较大的伏特表．但是，一般伏特表的内阻并不是特别大，所以该电路适用于测量小阻值的未知电阻．
图(b)称为安培表内接法，测得的电压不准(Uv=Ux+UA)——偏大，因此测得电阻值较真实值偏大．误差的来源为电流表的分压作用，为减小测量误差，根据分压原理，应选用内阻较小的安培表．但是，一般安培表的内电阻不是特别小，所以该电路适用于测量大阻值的未知电阻．
（2）伏安法测电阻的两种电路比较

(a) 〔b)
（3） 电流表内接法和外接法的选择

方法一：阻值比较法（主要方法）
当Rx》RA时采用内接法，电流表造成的分压较小，实验误差小。
当Rx《Rv时采用外接法，电压表造成的分流较小，实验误差小。
方法二：临界值法（高中阶段不常用）
当待测电阻阻值与电压表、电流表的阻值相差不多时，可根据：RARV>Rx2时，采用电流表外接法；当RARVRx/RA＞RV/Rx，一般选电流表的内接法，如图（a）所示．由于该电路中，电压表的读数U表示被测电阻Rｘ与电流表A串联后的总电压，电流表的读数I表示通过本身和Rｘ的电流 ，所以使用该电路所测电阻R测＝U/I＝Rｘ＋RA ， 比真实值 RX大了RA ，相对误差．
(2)若Rx/RA＜RV/Rx，一般选电流表外接法，如图（b）所示． 由于该电路中电压表的读数 U 表示Rｘ两端电压，电流表的读数I表示通过Rｘ与RV并联电路的总电流，所以使用该电路所测电阻，比真实值RX略小些，相对误差．
方法三：试触法：
在RA、RV、RX均末知时，可采用以下方法来确定电路。按图接好电路，通电后，电流表正常显示。用电压表的一个线头S，先后试触A、B两点，若在两次试触过程中电流表示数有明显变化，则S应接在B点，采用电流表内接形式；若电压表示数变化较明显，则S应接在A点，采用电流表外接电路。
（4） 滑动变阻器的限流接法和分压接法的选择
下图示所示的两种电路中，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.

1、滑动变阻器的限流接法和分压接法的比较：

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
2、滑动变阻器的限流接法与分压接法的选择方法
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，灵活择取.
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，且实验要求的电压变化范围较大（或要求测量多组数据）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的额定值或超出电表的量程时，只能采用分压接法.
下列情况可选用限流式接法
（1）测量时电路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接近或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采用限流式接法.
2、描绘小电珠的伏安特性曲线
【实验目的】
通过实验来描绘小灯泡的伏安特性曲线，并分析曲线的变化规律．
【实验原理】

在纯电阻电路中，电阻两端的电压和通过电阻的电流呈线性关系，也就是U-I曲线是条过原点的直线。但是实际电路中由于各种因素的影响，U-I曲线就可能不是直线。如图所示，根据分压电路的分压作用，当滑片C由A端向B端逐渐移动时，流过小电珠（“3.8V、0.3A”或“4V、0.7A”）的电流和小电珠两端的电压，由零开始逐渐变化，分别由电流表、电压表示出其值大小，将各组I、U值描绘到U--I坐标上，用平滑的曲线连接各点，即得到小灯泡的伏安特性曲线。
金属物质的电阻率随温度升高而增大，从而测得一段金属导体的电阻随温度发生相应变化。本实验通过描绘伏安特性曲线的方法来研究钨丝灯泡在某一电压变化范围内阻值的变化，从而了解它的导电特性。
【步骤规范】
实验步骤
操作规范
一.连接实验电路
1．对电流表、电压表进行机械调零
2．布列实验器材，接图3-1连接实验电路，电流表量程0.6A，电压表量程3V
1．若表针不在零位，用螺丝刀旋动机械调零螺钉，使其正对。
2．电键接入电路前，处于断开位置；闭合电键前，滑动变阻器的电阻置于阻值最大；电线连接无“丁”字形接线。

二．读取I、U数据
1．将滑动变阻器的滑片C向另一端滑动，
读取一组电流表和电压表的读数
2．逐渐移动滑动变阻器的阻值，在“0~3.8V”或“0~4V”范围内记录12组电压值U和相应的电流值I

1．使电路中灯泡两端电压从0开始逐渐增大，可在伏特表读数每增加一个定值（如0.5V）时，读取一次电流值，并将数据记录在表中。调节滑片时应注意伏特表的示数不要超过小灯泡的额定电压
2．电流表和电压表读数要有估读（一般可估读到最小分度的

三．描绘图线
将12组U、I值，描绘到I—U坐标上，画出I—U曲线

在坐标纸上建立一个直角坐标系，纵轴表示电流，横轴表示电压，两坐标轴选取的标度要合理，使得根据测量数据画出的图线尽量占满坐标纸；要用平滑曲线将各数据点连接起来。
四．拆除电路，仪器复原

【注意事项】
1．本实验中，因被测小灯泡灯丝电阻较小，因此实验电路必须采用电流表外接法．
2．因本实验要作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．
3．电键闭合前变阻器滑片移到图中所示的A端．
4．电键闭合后，调节变阻器滑片的位置，使灯泡的电压逐 渐增大，可在伏特表读数每增加一个定值（如0.5V）时，读取一次电流值，并将数据（要求两位有效数字）记录在表中．调节滑片时应注意伏特表的示数不要超过小灯泡的额定电压．
5．在坐标纸上建立一个直角坐标系，纵轴表示电流，横轴表示电压，两坐标轴选取的标度要合理，使得根据测量数据画出的图线尽量占满坐标纸；要用平滑曲线将各数据点连接起来。
3、测定金属的电阻率（同时练习使用螺旋测微器）

【实验目的】
1．练习使用螺旋测微器；2．学会用伏安法测电阻；3．测定金属的电阻率。
【实验原理】
1.根据电阻定律有，金属的电阻率
因此，只要测出金属丝的长度l，横截面积S和导线的电阻R，就可以求出金属丝的电阻率ρ
①根据部分电路的欧姆定律可知R=U/I
只要测出金属丝两端的电压U和金属丝中的电流I，就可以测出金属丝的电阻．即用伏安法测出金属丝的电阻R
②金属丝的长度l可以用米尺测量．
③金属丝的横截面积S由金属丝的直径d算出，即S=πd2/4．由于金属丝的直径较小，因此需要用比较精密的测量长度的仪器——螺旋测微器来测量．这就是本实验的实验原理．
若用实验中直接测出的物理量来表示电阻率，则金属丝的电阻率的表达式为

2．在测定金属线的电阻时，为了防止金属线过热造成金属线的长度及电阻率的变化，因此，流过金属线的电流不宜太大．
【步骤规范】
实 验 步 骤
操 作 规 范

一． 测量金属导线的直径
1．观察螺旋测微器两小砧合拢时，可动刻度上的零刻度线和固定刻度上的零刻度线是否重合，观察螺旋测微器的最小分度值
2．将金属导线放在螺旋测微器的小砧和测微螺杆之间，正确操作螺旋测微器，测出金属导线的直径
3．在金属导线的不同位置、不同方向上，再测两次，求出平均值

1．螺旋测微器的最小分度是0.01mm，应估读到0.001mm
2．⑴螺旋测微器的正确握法是：用左手食指侧面和大拇指握住框架塑料防热片的左侧，用右手大拇指和食指旋动旋钮
⑵调节旋钮时，应先用粗调旋钮，使小砧与金属导线接近，然后改用微调旋钮推进活动小砧，当听到棘轮打滑空转并发出“咯咯”声时，才可读数
⑶读数时，先读出固定刻度上的毫米整数部分（注意半毫米刻度线是否露出），再读出可动刻度的值（如半毫米刻度线已露出，应加上0.500mm），作后读出估读值
二．用伏安法测金属导线的电阻
1．对电流表、电压表进行机械调零
2．将金属导线拉直，固定在木条上
3．按图连接电路
A
V

4．闭合电键，调节滑动变阻器，读取三组I、U值
5．计算三组I、U值对应的电阻值，取其平均值
1.若表针不在零位，用螺旋刀旋动机械调零螺钉，使其对正
2．⑴连接电路前先布列仪器，使其位置合适，然后先电阻、后电表依次连接电路，电源最后接
⑵电键接入电路时，应处于断开位置
⑶闭合电键前，变阻器阻值应最大
⑷导线的连接处必须在接线柱上（无“丁”字形接线）
3．⑴电流表、电压表量程合适
⑵每次实验通电时间不宜过长，电流不宜过大，并应及时切断电源
⑶I、U值读数准确，有估读。
三．测量金属导线的长度
1．用毫米刻度尺测量固定在木条上连入电路中的金属导线的长度
2．以毫米刻度尺的不同起点再测两次
3．算出金属导线长度平均值
测量时，刻度尺的刻度应贴近金属导线；视线要跟尺垂直；有估读（即读出0.1mm）
四．拆除电路仪器复原
电源必须先拆

【螺旋测微器的原理、操作与读数】
螺旋测微器的螺距是0.5 mm，可动刻度一周为50格；旋钮D每旋转一周，测微螺杆F前进或后退0．5 mm．因此，旋钮D每转过l格，测微螺杆F前进或后退0．01 mm．可见螺旋测微器的精确度为0．01 mm．
使用螺旋测微器时，将被测物体放在小砧A和测微螺杆F之间，先调节旋钮D，在测微螺杆F快靠近被测物体时，改用微调旋钮D，，这样不致于在测微螺杆和被测物体之间产生过大的压力，既可以保护仪器，又能保证测量结果的准确性．当听到咔咔的声音时停止转动，并用止动螺旋止动．
读数时，被测物体长度大于o．5 mm的部分在固定刻度上读出，不足o．5 mm的部分在可动刻度上读出，读可动刻度示数时，还要注意估读一位数字．螺旋测微器的读数可用下面公式表示：
螺旋测微器的读数＝固定刻度上的读数+可动刻度上的格数×精确度o.01 mm
【练习螺旋测微器的读数】

4、用电流表和电压表测电池的电动势和内电阻
【实验目的】
测定电池的电动势和内电阻
【实验原理】
由闭合电路的欧姆定律E =U+Ir知，路端电压U=E—Ir，对给定的电源，E、r为常量，因此路端电压U是电流I的一次函数。将电池、电流表、电压表，可变电阻连接成如图所示的电路，改变可变电阻R的阻值，可以测得多组I、U值。将它们描在U—I坐标中，图线应该是一条直线。显然，直线在U坐标上的截距值就是电池电动势，直线斜率的绝对值就是电池的内阻的大小。
上述用作图的方法得出实验结果的方法，具有直观、简便的优点。
【步骤规范】
实 验 步 骤
操 作 规 范
一.连接实验电路
1．将电流表、电压表机械调零
A
V
R
S
E r
2．布列实验器材，接图连接实验电路

1．若表针不在零位，用螺丝刀旋动机械调零螺钉，使其正对
2．⑴实验器材应放置在合适的位置，应使电键、滑动变阻器便于操作；电表刻度盘应正对实验者
⑵电键接入电路前处于断开位置；闭合电键前，滑动变阻器阻值置于最大；导线连接无“丁”字形接线
⑶电流表量程0.6A，电压表量程3V
二．读取I、U数据
1．调节滑动变阻器的阻值，闭合电键，读取一组电流表和电压表的读数
2．改变滑动变阻器的阻值，闭合电键，读取电流表和电压表读数，共测8-10组

1．⑴滑动变阻器的阻值由大到小变化，使电路中电流从小到大平稳地改变，适时地读取I、U读数
⑵电流表和电压表读数正确，有估读
⑶必要时要及时改变电表量程
2．每次实验后，都要及时断开电源
三．拆除电路，仪器复原

【注意事项】
1．使用内阻大些（用过一段时间）的干电池，在实验中不要将I调得过大，每次读完U、I读数立即断电，以免于电池在大电流放电时极化现象过重，E、r明显变化．
2． 在画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，而不要顾及个别离开较远的点以减少偶然误差．
3．干电池内阻较小时U的变化较小，坐标图中数据点将呈现如图甲所示的状况，下部大面积空间得不到利用，为此可使坐标不从零开始，如图乙所示，把坐标的比例放大，可使结果的误差减小些．此时图线与横轴交点不表示短路电流．计算内阻要在直线上任取两个相距较远的点，用r=|ΔU/ΔI|计算出电池的内阻r．

◆其他常用方法：
R1
R2
A
I—R法

原理：解下列方程组可得E、r
E=I1(R1+r) E=I2(R2+r)

V
R1
R2
U—R法

原理：解下列方程组可得E、r

（上面两电路图中R1、R2经常用电阻箱来代替，这样可以测出多组数据）
E r
G
R
红表笔
黑表笔
5、练习使用多用电表
　　【实验目的】
1．学习多用电表的一般使用方法．
2．练习用多用电表探测黑箱内的电学元件．
3．了解晶体二极管的单向导电性及其符号．
　　【实验原理】
　　多用电表（如图所示）可以用来测量直流电流、直流电压、交变电流、交变电压、电阻等多种电学量。
左图多用电表的上半部分为表盘，下半部分为选择开关，周围标有测量功能的区域及量程。将多用电表的选择开关旋转到电流挡，多用电表内的电流表被接通；将多用电表的选择开关旋转到电阻挡，多用电表内的欧姆表电路就被接通。
欧姆表是根据闭合电路欧姆定律制成的。其电路如图所示，R为调零电阻。当红黑表笔短接，使电阻调零时，表头指针满偏，有Ig=E/(Rg+R+r)。当红、黑表笔间接入某电阻RX时，有Ix=E/(Rg+R+r+Rx)，可见每一个RX都有一个对应的电流值I。我们只要在表盘上表明与I对应的RX值，就可用它来测量未知电阻RX。
　　我们用多用电表来探测黑箱内的电学元件。
　　黑箱又称黑盒子、暗盒，是指不知其内部结构的系 统。黑箱方法，也是控制论中的一种重要方法。具体地说：就是给黑箱一个刺激（输入），观察其反映（输出），并分析多组输入和输出的对应关系，来推测黑箱内部结构并加以控制的方法。
　　由于求解黑箱问题，需较多地采用了由果求因的逆向思维方法。且造成同一结果的原因可能有多种，故对黑箱的求解，难度一般较大。为简便起见，本实验采用限定：黑箱有三个接点（图3）；二接点间最多只有一个元件、黑箱内最多只有二个元件（且均串联）；黑箱内的元件可能为电源、电阻或二极管。晶体二极管具有单向导电性，如图4所示。当二极管加上正向电压时，它的电阻很小，就像一个接通的开关一样；当给二极管加上反向电压时，它的电阻变得很大，就像断开的开关一样。根据这一特征，我们可以来断定电路中是否可能有二极管。

图4
图3

用多用电表探测黑箱的思路
用电压挡测量待测两端电压
U = 0 ？
否
内含电源
是
用欧姆表测量待测两端电阻
反向R→∞ ？
断路
是
可能有二极管
否
反向R=C ？
定值电阻
R=C（定值）
反向R→0 ？
短路
可能有二极管
否
是
R→0
R →∞

【步骤规范】
　　实验步骤
　　操作规范
一.识别多用电表
1.识别多用表的选择开关、欧姆挡、欧姆挡倍率、刻度盘
2.将红、黑表笔分别插入测试笔插孔
3.根据待测电阻的估计值，选择合适的倍率，将选择开关置于这一挡
1.明确欧姆表刻度的零位置、∞、中心刻度位置
2.红、黑表笔的插头端分别插入“+”、“－”插孔
3.测试时，表针指在中心刻度附近，则倍率合适
一.用欧姆挡测量电阻
1.将红、黑表笔短接，调节调零旋钮，使指针指在零欧姆处
2.测量阻值约为数十欧或数千欧的电阻元件的阻值
3.测量“220V，60w”灯泡和“220v，40w”日光灯镇流器的阻值
4.测量你的人体电阻

1.将红、黑表笔的测试端的金属杆相接触，使表头指针调零
2.每变换倍率，均需重新调零
3.将两表笔分别与待测电阻两端接触，不要用手去接触电阻两端。若待测电阻在电路中，必须断开电源并使电阻的一端离开电路。读数应正确，并有适当的估读
4.会及时更换欧姆挡的倍率
一.用万用表探测黑箱内的电学元件
1．首先确定有无电池。它不仅容易判断，而且因为若有电池存在而没有找出其确切位置，就不能用万用表的欧姆挡去测各接线柱间的电阻，否则就可能烧毁万用表，这是绝对不允许的。
2．测定有无二极管，然后判断有无电容（本实验中不设置二极管、电容、电感元件）。这个判断应当通过万用电表的欧姆挡来确定。
3．用欧姆挡测定各点间存在电阻的阻值。可按从低挡位向高挡位顺序测量。
1．在多用表直流档测量时，由于不知道可能存在电池的电动势值，应选用较高电压档逐点测量黑箱内每个接线柱间的电压，测量结果指针没有偏转，再改用直流电压最低档进行测量，指针仍无偏转，说明黑箱内没有电池。
2．在设置黑箱内元件参数时，一般两元件串联与单独测量会有明显的差异
3．用欧姆挡测定各点间存在电阻的阻值。可按从低挡位向高挡位顺序测量
四．测量完毕，将表笔从插孔中拨出，选择开关置于“OFF”位置或交流高压挡

　　【注意事项】
1．测量时手不要接触表笔的金属部分测量电路中的电阻时，应将该电阻与其它元件和电源断开．
2．合理选择量程．使指针尽可能指在中间刻度附近（可参考指针偏转在R中／5～5R中的范围）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，每次换档后均要重新调零，读数时应将指针示数乘以挡位倍率．
3．实际应用中要防止电流超量程，不得测额定电流极小的电器的电阻（如灵敏电流表的内阻）。
4．测量完毕后应拔出表笔，选择开关置OFF挡或交流电压最高档．电表长期不用时应取出电池，以防电池漏电、漏液。