高中物理電學實驗專題

1、電學實驗 (經(jīng)典) 實驗設(shè)計的基本思路（一）電學實驗中所用到的基本知識在近年的電學實驗中，電阻的測量（包括變形如電表內(nèi)阻的測量）、測電源的電動勢與內(nèi)電阻是考查頻率較高的實驗。它們所用到的原理公式為：irueiur,。由此可見，對于電路中電壓u 及電流i 的測量是實驗的關(guān)鍵所在，但這兩個量的直接測量和間接測量的方法卻多種多樣，在此往往也是高考試題的著力點之處。因此復習中應熟練掌握基本實驗知識及方法，做到以不變應萬變。1電路設(shè)計原則：正確地選擇儀器和設(shè)計電路的問題，有一定的靈活性，解決時應掌握和遵循一些基本的原則，即“安全性”、“方便性”、 “精確性”原則，兼顧“誤差小”、“儀器少”、“耗電少”等

2、各方面因素綜合考慮，靈活運用。正確性：實驗原理所依據(jù)的原理應當符合物理學的基本原理。安全性： 實驗方案的實施要安全可靠，實施過程中不應對儀器及人身造成危害。要注意到各種電表均有量程、電阻均有最大允許電流和最大功率，電源也有最大允許電流，不能燒壞儀器。方便性：實驗應當便于操作，便于讀數(shù)，便于進行數(shù)據(jù)處理。精確性：在實驗方案、儀器、儀器量程的選擇上，應使實驗誤差盡可能的小。2電學實驗儀器的選擇：根據(jù)不使電表受損和盡量減少誤差的原則選擇電表。首先保證流過電流表的電流和加在電壓表上的電壓均不超過使用量程，然后合理選擇量程，務必使指針有較大偏轉(zhuǎn)（一般要大于滿偏度的1/3），以減少測讀誤差。根據(jù)電路中可能

3、出現(xiàn)的電流或電壓范圍選擇滑動變阻器，注意流過滑動變阻器的電流不超過它的額定值，對大阻值的變阻器，如果是滑動頭稍有移動，使電流、電壓有很大變化的，不宜采用。應根據(jù)實驗的基本要求來選擇儀器，對于這種情況， 只有熟悉實驗原理，才能作出恰當?shù)倪x擇。 總之，最優(yōu)選擇的原則是：方法誤差盡可能??；間接測定值盡可能有較多的有效數(shù)字位數(shù)，直接測定值的測量使誤差盡可能小，且不超過儀表的量程；實現(xiàn)較大范圍的靈敏調(diào)節(jié)；在大功率裝置（電路）中盡可能節(jié)省能量；在小功率電路里，在不超過用電器額定值的前提下，適當提高電流、電壓值，以提高測試的準確度。明確目的選擇方案選定器材擬定步驟數(shù)據(jù)處理誤差分析3測量電路的選擇1.伏安法測

4、電阻（1）原理：部分電路的歐姆定律。（2）電流表外接法，如圖4 所示。誤差分析：產(chǎn)生誤差的原因：電壓表v 分流。適用于測小阻值電阻，即rx 遠小于 rv 時。（ 3）電流表內(nèi)接法，如圖5 所示。誤差分析：產(chǎn)生誤差的原因：電流表a 分壓。適用于測大阻值電阻，即rx 遠大于 ra時。（4）內(nèi)、外接法的選用原則計算臨界電阻：若 rxr0，待測電阻為大電阻，用內(nèi)接法若 rxr0，待測電阻為小電阻，用外接法即大電阻，內(nèi)接法；小電阻，外接法。大內(nèi)小外 。方法二：在vr、ar均不知的情況下，可采用試觸法。如圖所示，分別將a 端與 b、c接觸， 如果前后兩次電流表示數(shù)比電壓表示數(shù)變化明顯，說明電壓表分流作用大

5、，應采用內(nèi)接法； 如果前后兩次電壓表示數(shù)比電流表示數(shù)變化明顯，說明電流表分壓作用大，應采用外接法?；瑒幼冏杵鞯姆謮骸⑾蘖鹘臃ǎ簽榱烁淖儨y量電路（待測電阻）兩端的電壓（或通過測量電路的電流），常使滑動變阻器與電源連接作為控制電路，滑動變阻器在電路中主要有兩種連接方式：如圖（甲）為滑動變阻器的限流式接法，xr為待測a b c 甲乙vvxvavxavur rurrirrii測真vvaxaaauuurrrrii測真var圖 4 r待av圖 5 0avrr ra var待b 圖 6 圖 10-5 電阻。 它的接線方式是電源、滑動變阻器與待測電阻三者串聯(lián)。對待測電阻供電電壓的最大調(diào)節(jié)范圍是：errerxx

6、(xr是待測電阻， r 是滑動變阻器的總電阻，不計電源內(nèi)阻 )。如圖（乙）是滑動變阻器的分壓式接法。接線方式是電源與滑動變阻器組成閉合電路，而被測電路與滑動變阻器的一部分電阻并聯(lián)，該接法對待測電阻供電電壓的調(diào)節(jié)范圍是：e0（不計電源內(nèi)阻時）。選取接法的原則：要求負載上電壓或電流變化范圍大，且從零開始連續(xù)可調(diào)，須用分壓式接法。負載電阻rx 遠大于滑動變阻器總電阻r 時，須用分壓式接法，此時若采用限流式接法對電路基本起不到調(diào)節(jié)作用。采用限流電路時，電路中的最小電流（電壓） 仍超過電流表的量程或超過用電器的額定電流（電壓）時，應采用變阻器的分壓式接法。負載電阻的阻值rx 小于滑動變阻器的總電阻r 或

7、相差不大， 并且電壓表、 電流表示數(shù)變化不要求從零開始起調(diào)，可用限流式接法。兩種電路均可使用時應優(yōu)先用限流式接法，因為限流電路結(jié)構(gòu)簡單，總功率較小。例 1、用伏安法測量一個定值電阻的器材規(guī)格如下：待測電阻rx（ 約 100 ） ;直流電流表 （量程 010 ma 、內(nèi)阻 50 ）;直流電壓表（量程03 v、內(nèi)阻 5 k ）;直流電源（輸出電壓4 v、內(nèi)阻不計）；滑動變阻器（015 、允許最大電流1 a）；開關(guān) 1 個，導線若干 .根據(jù)器材的規(guī)格和實驗要求畫出實驗電路圖. 【審題】 本題只需要判斷測量電路、控制電路的接法，各儀器的量程和電阻都已經(jīng)給出，只需計算兩種接法哪種合適。【解析】用伏安法測

8、量電阻有兩種連接方式，即電流表的內(nèi)接法和外接法，由于rxvarr，故電流表應采用外接法. 在控制電路中，若采用變阻器的限流接法，當滑動變阻器阻值調(diào)至最大，通過負載的電流最小，imin=xarrre=24 ma 10 ma,此時電流仍超過電流表的量程， 故滑動變阻器必須采用分壓接法. 如圖 10-5 所示 . 【總結(jié)】 任一種控制電路必須能保證電路的安全，這是電學實驗的首要原則，限流接法雖然簡潔方便， 但必須要能夠控制電路不超過電流的額定值，同時， 能夠保證可獲取一定的電壓、電流范圍， 該題中，即便控制電流最小值不超過電流表的量程，因滑動變阻器全阻值相對電路其它電阻過小，電流、電壓變化范圍太小，

9、仍不能用限流接法。4實物圖的連接：實物圖連線應掌握基本方法和注意事項。注意事項：連接電表應注意量程選用正確，正、負接線柱不要接錯。各導線都應接在接線柱上，不應在導線中間出現(xiàn)分叉。對于滑動變阻器的連接，要搞清楚接入電路的是哪一部分電阻，在接線時要特別注意不能將線接到滑動觸頭上?；痉椒ǎ寒嫵鰧嶒炿娐穲D。分析各元件連接方式，明確電流表與電壓表的量程。畫線連接各元件。(用鉛筆畫線，以便改錯)連線方式應是單線連接，連線順序應先畫串聯(lián)電路，再畫并聯(lián)電路。一般先從電源正極開始，到電鍵， 再到滑動變阻器等。按順序以單線連接方式將干路中要串聯(lián)的元件依次串聯(lián)起來；然后連接支路將要并聯(lián)的元件再并聯(lián)到電路中去。連接

10、完畢，應進行檢查，檢查電路也應按照連線的方法和順序。（二） 定值電阻的測量方法1歐姆表測量：最直接測電阻的儀表。但是一般用歐姆表測量只能進行粗測，為下一步的測量提供一個參考依據(jù)。用歐姆表可以測量白熾燈泡的冷電阻。2替代法： 替代法的測量思路是等效的思想，可以是利用電流等效、也可以是利用電壓等效。替代法測量電阻精度高，不需要計算，方法簡單，但必須有可調(diào)的標準電阻（一般給定的儀器中要有電阻箱）。例 2、在某校開展的科技活動中，為了要測出一個未知電阻的阻值rx，現(xiàn)有如下器材：讀數(shù)不準的電流表a、定值電阻r0、電阻箱 r1、滑動變阻器r2、單刀單擲開關(guān)s1、單刀雙擲開關(guān) s2、電源和導線。畫出實驗電路

11、圖，并在圖上標出你所選用器材的代碼。寫出主要的實驗操作步驟。【解析】實驗電路如右圖所示。將 s2與 rx 相接，記下電流表指針所指位置。將s2與 r1相接，保持r2不變，調(diào)節(jié)r1的阻值，使電流表的指針指在原位置上，記下r1的值，則rxr1。3伏安法： 伏安法的測量依據(jù)是歐姆定律（包括部分電路歐姆定律和全電路歐姆定律），需要的基本測量儀器是電壓表和電流表，當只有一個電表 （或給定的電表不能滿足要求時），可以用標準電阻 （電阻箱或一個定值電阻）代替；當電表的內(nèi)阻已知時，根據(jù)歐姆定律i=u/r電壓表同時可以當電流表使用，同樣電流表也可以當電壓表用。4伏安法拓展： 某些問題中， 因?qū)嶒炂鞑牟痪邆洌ㄈ彪?/p>

12、流表或電壓表） ，或因?qū)嶒灄l件限制，或因?qū)嶒灳炔辉试S而不能用“伏安法”。這時我們就得依據(jù)問題的具體條件和要求重新選擇實驗原理，用“伏安法”的替代形式“比較法”來設(shè)計實驗方案。利用已知內(nèi)阻的電壓表: 利用“伏伏”法測定值電阻的阻值例 3、用以下器材測量一待測電阻rx 的阻值（ 900 1000）：電源 e，具有一定內(nèi)阻，電動勢約為9.0v；電壓表 v1，量程為1.5v ，內(nèi)阻 r1750 ；電壓表 v2，量程為5v，內(nèi)阻 r22500 ；滑動變阻器r，最大阻值約為100；單刀單擲開關(guān)k，導線若干。測量中要求電壓表的讀數(shù)不小于其量程的1/3，試畫出測量電阻rx 的一種實驗電路原理圖?！窘馕觥咳鐖D

13、所示利用已知內(nèi)阻的電流表：利用“安安”法測定值電阻的阻值例 4 用以下器材測量一待測電阻的阻值。器材（代號）與規(guī)格如下：電流表 a1（量程 250ma, 內(nèi)阻 r1為 5 ) ；標準電流表a2（量程 300ma, 內(nèi)阻 r2約為 5 ） ；待測電阻 r1（阻值約為100 ） ；滑動變阻器r2（最大阻值10 ） ；電源 e（電動勢約為10v，內(nèi)阻 r 約為 1） ；單刀單擲開關(guān)s，導線若干。要求方法簡捷，并能測多組數(shù)據(jù)，畫出實驗電路原理圖，并標明每個器材的代號. 需要直接測量的物理量是_, 用測的量表示待測電阻r1的計算公式是r1_。【解析】實驗電路圖如圖所示。兩電流表a1、 a2的讀數(shù)為i1、

14、i2和電流表a1的內(nèi)阻為r1，待測電阻r1的阻值的計算公式是：11211riiir電壓表、電流表混合用例 5 有一電阻 rx，其阻值在100 200之間，額定功率為0.25w。要用伏安法較準確地測量它的阻值，實驗器材有：安培表 a1，量程為50ma ，ra1=100安培表 a2，量程為1a ，ra2=20電壓表 v1，量程為5v ，rv1=10k 電壓表 v2，量程為15v ， rv2=30k 變阻器 r1，變阻范圍020 ， 2a變阻器 r2，變阻范圍01000 ，1a9v 電源，電鍵，導線。實驗中應選用的電流表、電壓表、變阻器分別是：。畫出所用實驗電路圖?！窘馕觥吭试S通過電阻中電流可能的最

15、大值由：rip2得，maimai503521。因為電阻可能為200，所以通過被測電阻的電流的最大值可能是35ma ，應用電流表的示數(shù) 來 控 制 通 過 電 阻 的 電 流 ， 因 此 ， 電 流 表 應 選a1。 又 因 為rup2, 所 以vuvu1.7521。因為電阻可能為100 ，所以允許加在電阻兩端的電壓的最大值可能是 5v， 應用電壓表的示數(shù)來控制加在電阻兩端的電壓，因此電壓表應選v1。 因為 r1 r2,且 2a35ma , 所以應選變阻器r1。因為r1rx所以滑動變阻器連接方式應選用分壓電路。因為xrvarr, 所以應選用外接電路。實驗所用電路如圖所示（三） 電表內(nèi)阻的測量方法

16、1互測法：電流表、電壓表各一只，可以測量它們的內(nèi)阻：兩只同種電表，若知道一只的內(nèi)阻，就可以測另一只的內(nèi)阻：兩只同種電表內(nèi)阻都未知，則需要一只電阻箱才能測定電表的內(nèi)阻：2替代法：v a v a v1 v2 a2 a1 r a1 a2 v2 v1 r r 2 1 s a1a r 2 1 s v1v 3、半值法（半偏法）。半值法是上面比例法的一個特例，測電流表內(nèi)阻和測電壓表內(nèi)阻都可以用半值法，電路圖如圖 10-15 所示。甲圖實驗時先斷開開關(guān)s，閉合 s，調(diào)整滑動變阻器r01（限流法連接），使電流表a 滿度（即指針指滿刻度處）；再閉合s，調(diào)整電阻箱r1， 使電流表a的指針恰好指到半滿度處，讀出此時電

17、阻箱的阻值r，則電流表 a的電阻ra=r。（測量結(jié)果偏小）乙圖實驗時先閉合開關(guān)s及s，調(diào)整滑動變阻器r02（分壓法連接） ，使電壓表v滿度；再斷開 s，調(diào)整電阻箱r2，使電壓表v的指針恰好指到半滿度處，讀出此時電阻箱的阻值r，則電壓表v的電阻rv=r。（測量結(jié)果偏大）例 6 （2000 年全國）從下表中選出適當?shù)膶嶒炂鞑?，設(shè)計一電路來測量電流表a1的內(nèi)阻 r1，要求方法簡捷，有盡可能高的測量精度，并能測得多組數(shù)據(jù)。在虛線方框中畫出電路圖，標明所用器材的代號。器材（代號）規(guī)格電流表（ a1）量程 10ma，內(nèi)阻 r1待測（約40）電流表（ a2）量程 500a，內(nèi)阻 r2=750電壓表（ v）量

18、程 10v，內(nèi)阻 r3=10電阻（ r1）阻值約 100，作保護電阻用滑動變阻器（ r）總阻值約50電池（ e）電動勢 1.5v ，內(nèi)阻很小導線若干，電鍵 k 若選測量數(shù)據(jù)中的一組來計算r1，則所用的表達式為r1=_ ，式中各符號的意義是 _?！窘馕觥咳鐖D所示。2121riir，i1表示通過電流表a1的電流， i2表示通過電流表a2的電流，r2表示電流表a2的內(nèi)阻。【備考提示 】在很多情況下，電壓表和電流表（已知內(nèi)阻）的功用可以互換。有時利用一塊電表配合定值電阻也可以完成功能的互換。實際上就是部分電路歐姆定律的變形運用。在處理時，一定要明確原理，靈活運用。例 7 （2006 年全國、）現(xiàn)要測量

19、某一電壓表的內(nèi)阻。給定的器材有：待測電壓表（量程 2v，內(nèi)阻約4k）；電流表（量程 1.2ma ，內(nèi)阻約500）；直流電源e（電動勢約2.4v，內(nèi)阻不計）；固定電阻3 個： r1=4000， r2=10000， r3=15000；電鍵 s 及導線若干。要求測量時兩電表指針偏轉(zhuǎn)均超過其量程的一半。v v ma 圖 10-15 試從 3 個固定電阻中選用1 個，與其它器材一起組成測量電路，并在虛線框內(nèi)畫出測量電路的原理圖。（要求電路中各器材用題中給定的符號標出。）電路接通后，若電壓表讀數(shù)為u，電流表讀數(shù)為i，則電壓表內(nèi)阻 rv =_?！窘馕觥繉嶒炿娐啡鐖D所示，若選用電阻 r1，則并聯(lián)電阻并r200

20、0 ，電壓表讀數(shù)umarer并r并50020004.22000 1. 921v，電流表讀數(shù)imarre并50020004. 20.00096a0.96ma 0.6ma ，r1符合要求， 同理可得 r2、r3不符合要求， 故選 r1。電路接通后， 通過 r1的電流 i11ru，則通過電壓表的電流為i2ii1i1ru，所以電壓表的內(nèi)阻rv2iu11rur iu【備考提示 】 本題涉及實驗器材選取和電路設(shè)計等，對考生的分析綜合能力提出了較高要求，解答此類試題必須根據(jù)測量要求和所提供的器材，由儀表的選擇原則和基本規(guī)律為分析的入手點。【變式題】例 8（2006 年全國）現(xiàn)要測定一個額定電壓4v、額定功率

21、1.6w 的小燈泡（圖中用 表示）的伏安特性曲線。要求所測電壓范圍為0.1v 4v?，F(xiàn)有器材：直流電源e（電動勢4.5v，內(nèi)阻不計），電壓表（量程4.5v，內(nèi)阻約為4104），電流表（量程 250ma ，內(nèi)阻約為2），電流表（量程 500ma ，內(nèi)阻約為 1），滑動變阻器r（最大阻值約為30），電鍵s，導線若干。如果既要滿足測量要求，又要測量誤差較小，應該選用的電流表是，下面兩個電路應該選用的是。【解析】在測量小燈泡的伏安曲線時，由于題目要求電壓范圍為0.1v 4v，因此滑動變阻器采用分壓式接法。根據(jù)估算通過小燈泡的額定電流為i=0.4a，因此電流表應該選用。在伏安法測量過程中，由于臨界電阻2

22、00varrr大于小燈泡電阻，因此應該選擇電流表外接法即選擇甲電路進行測量。r1 sev ma v a2 a1 a2 測電動勢和內(nèi)阻（ 1）測量電路如圖（ 2）測量方法第一、計算方法測兩組端電壓u 和電流 i 值，然后通過以下式子求解。eu1i1r eu2i2r 第二、作u i 圖象方法通過調(diào)節(jié)滑動變阻器，取得多組（u， i）值，然后在坐標中描點，連成直線用圖象處理問題，須注意以下幾點：連直線的方法：讓盡可能多的點在直線上，直線兩則分布的點的個數(shù)大致均勻偏離直線較遠的點舍去?？v軸截距的含義：電動勢e 橫軸截距的含義：短路電流i0斜率的含義：電阻。求解方法：r=0ie或用直線上任意兩點求解斜率的

23、絕對值。（3）實驗誤差分析（1）偶然誤差：主要來源于電壓表和電流表的讀數(shù)以及作u i 圖象時描點不很準確。（2）系統(tǒng)誤差： 系統(tǒng)誤差來源于未計電壓表分流，近似地將電流表的示數(shù)看作干路電流。實際上電流表的示數(shù)比干路電流略小。如果由實驗得到的數(shù)據(jù)作出圖中實線（ a）所示的圖象，那么考慮到電壓表的分流后，得到的ui 圖象應是圖中的虛線（ b），由此可見，按圖所示的實驗電路測出的電源電動勢，電源內(nèi)電阻。說明：外電路短路時，電流表的示數(shù)（即干路電流的測量值）等于干路電流的真實值，所以圖中（ a）、（ b）兩圖線交于短路電流處。當路端電壓（即電壓表示數(shù)）為時，由于電流表示數(shù)小于干路電流，所以（ a）、（

24、b）兩圖線出現(xiàn)了圖中所示的差異。(4) 特殊方法（一）即計算法：畫出各種電路圖r)(rier)(rie2211122121i-i)r-(riie122211i -iri-rir( 一個電流表和兩個定值電阻) riueriue2211211221i -iui -uie2112i-iu-ur( 一個電流表及一個電壓表和一個滑動變阻器) rruuerruue22211121122121ru-ru)r-(ruue21122121ru-rur)ru-(ur(一個電壓表和兩個定值電阻) 例 9、用右圖所示的電路，測定一節(jié)干電池的電動勢和內(nèi)阻。電池的內(nèi)阻較小，為了防止在調(diào)節(jié)滑動變阻器時造成短路，電路中用一個

25、定值電阻r0起保護作用。除電池、開關(guān)和導線外，可供使用的實驗器材還有：（ a） 電流表（量程0.6a 、3a）；（ b） 電壓表（量程3v、15v）（ c） 定值電阻（阻值1、額定功率5w）（ d） 定值電阻（阻值10，額定功率10w）（ e） 滑動變阻器（陰值范圍0-10、額定電流2a）（ f） 滑動變阻器（阻值范圍0-100、額定電流1a）那么（ 1） 要正確完成實驗， 電壓表的量程應選擇v， 電流表的量程應選擇a； r0應選擇的定值電阻，r 應選擇阻值范圍是的滑動變阻器。（ 2）引起該實驗系統(tǒng)誤差的主要原因是。ii 答案：（ 1）3，0.6 ，1，010。（2）由于電壓表的分流作用造成電流表讀數(shù)總是比電池實際輸出電流小。解析：由于電源是一節(jié)干電池（1.5v ），所選量程為3