高二物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)講義

高二物理講義第頁重點(diǎn)講解：電學(xué)實(shí)驗(yàn)1、基礎(chǔ)電學(xué)實(shí)驗(yàn)伏安法測(cè)電阻實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)電路圖原理：歐姆定律實(shí)驗(yàn)電路圖：如下圖所示圖(a)稱為安培表外接法，測(cè)得的電流不準(zhǔn)(IA=Ix+Iv)——偏大，因此測(cè)得電阻值較真實(shí)值偏小．誤差的來源為電壓表的分流作用，為減小測(cè)量誤差，根據(jù)分流原理，應(yīng)選用內(nèi)阻較大的伏特表．但是，一般伏特表的內(nèi)阻并不是特別大，所以該電路適用于測(cè)量小阻值的未知電阻．圖(b)稱為安培表內(nèi)接法，測(cè)得的電壓不準(zhǔn)(Uv=Ux+UA)——偏大，因此測(cè)得電阻值較真實(shí)值偏大．誤差的來源為電流表的分壓作用，為減小測(cè)量誤差，根據(jù)分壓原理，應(yīng)選用內(nèi)阻較小的安培表．但是，一般安培表的內(nèi)電阻不是特別小，所以該電路適用于測(cè)量大阻值的未知電阻．（2）伏安法測(cè)電阻的兩種電路比較(a)〔b)電流表內(nèi)接法和外接法的選擇(a)〔b)方法一：阻值比較法（主要方法）當(dāng)Rx》RA時(shí)采用內(nèi)接法，電流表造成的分壓較小，實(shí)驗(yàn)誤差小。當(dāng)Rx《Rv時(shí)采用外接法，電壓表造成的分流較小，實(shí)驗(yàn)誤差小。方法二：臨界值法（高中階段不常用）當(dāng)待測(cè)電阻阻值與電壓表、電流表的阻值相差不多時(shí)，可根據(jù)：RARV>Rx2時(shí)，采用電流表外接法；當(dāng)RARV<Rx2時(shí)，采用電流表內(nèi)接法來確定．(1)若Rx/RA＞RV/Rx，一般選電流表的內(nèi)接法，如圖（a）所示．由于該電路中，電壓表的讀數(shù)U表示被測(cè)電阻Rｘ與電流表A串聯(lián)后的總電壓，電流表的讀數(shù)I表示通過本身和Rｘ的電流，所以使用該電路所測(cè)電阻R測(cè)＝U/I＝Rｘ＋RA，比真實(shí)值RX大了RA，相對(duì)誤差．(2)若Rx/RA＜RV/Rx，一般選電流表外接法，如圖（b）所示．由于該電路中電壓表的讀數(shù)U表示Rｘ兩端電壓，電流表的讀數(shù)I表示通過Rｘ與RV并聯(lián)電路的總電流，所以使用該電路所測(cè)電阻，比真實(shí)值RX略小些，相對(duì)誤差．方法三：試觸法：在RA、RV、RX均末知時(shí)，可采用以下方法來確定電路。按圖接好電路，通電后，電流表正常顯示。用電壓表的一個(gè)線頭S，先后試觸A、B兩點(diǎn)，若在兩次試觸過程中電流表示數(shù)有明顯變化，則S應(yīng)接在B點(diǎn)，采用電流表內(nèi)接形式；若電壓表示數(shù)變化較明顯，則S應(yīng)接在A點(diǎn)，采用電流表外接電路?；瑒?dòng)變阻器的限流接法和分壓接法的選擇下圖示所示的兩種電路中，滑動(dòng)變阻器（最大阻值為R0）對(duì)負(fù)載RL的電壓、電流強(qiáng)度都起控制調(diào)節(jié)作用，通常把圖（a）電路稱為限流接法，圖（b）電路稱為分壓接法.1、滑動(dòng)變阻器的限流接法和分壓接法的比較：負(fù)載RL上電壓調(diào)節(jié)范圍（忽略電源內(nèi)阻）負(fù)載RL上電流調(diào)節(jié)范圍（忽略電源內(nèi)阻）相同條件下電路消耗的總功率限流接法E≤UL≤E≤IL≤EIL分壓接法0≤UL≤E0≤IL≤E（IL+Iap）比較分壓電路調(diào)節(jié)范圍較大分壓電路調(diào)節(jié)范圍較大限流電路能耗較小2、滑動(dòng)變阻器的限流接法與分壓接法的選擇方法滑動(dòng)變阻器以何種接法接入電路，應(yīng)遵循安全性、精確性、節(jié)能性、方便性原則綜合考慮，靈活擇取.下列三種情況必須選用分壓式接法（1）要求回路中某部分電路電流或電壓實(shí)現(xiàn)從零開始可連續(xù)調(diào)節(jié)時(shí)（如：測(cè)定導(dǎo)體的伏安特性、校對(duì)改裝后的電表等電路），即大范圍內(nèi)測(cè)量時(shí)，必須采用分壓接法.（2）當(dāng)用電器的電阻RL遠(yuǎn)大于滑動(dòng)變阻器的最大值R0，且實(shí)驗(yàn)要求的電壓變化范圍較大（或要求測(cè)量多組數(shù)據(jù)）時(shí)，必須采用分壓接法.因?yàn)榘磮D（b）連接時(shí)，因RL>>R0＞Rap,所以RL與Rap的并聯(lián)值R并≈Rap，而整個(gè)電路的總阻約為R0，那么RL兩端電壓UL=IR并=·Rap，顯然UL∝Rap,且Rap越小，這種線性關(guān)系越好，電表的變化越平穩(wěn)均勻，越便二．用伏安法測(cè)金屬導(dǎo)線的電阻1．對(duì)電流表、電壓表進(jìn)行機(jī)械調(diào)零2．將金屬導(dǎo)線拉直，固定在木條上3．按圖連接電路AAV4．閉合電鍵，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，讀取三組I、U值5．計(jì)算三組I、U值對(duì)應(yīng)的電阻值，取其平均值1.若表針不在零位，用螺旋刀旋動(dòng)機(jī)械調(diào)零螺釘，使其對(duì)正2．⑴連接電路前，先布列儀器，使其位置合適，然后先電阻、后電表依次連接電路，電源最后接⑵電鍵接入電路時(shí)，應(yīng)處于斷開位置⑶閉合電鍵前，變阻器阻值應(yīng)最大⑷導(dǎo)線的連接處必須在接線柱上（無“丁”字形接線）3．⑴電流表、電壓表量程合適⑵每次實(shí)驗(yàn)通電時(shí)間不宜過長(zhǎng)，電流不宜過大，并應(yīng)及時(shí)切斷電源⑶I、U值讀數(shù)準(zhǔn)確，有估讀。三．測(cè)量金屬導(dǎo)線的長(zhǎng)度1．用毫米刻度尺測(cè)量固定在木條上連入電路中的金屬導(dǎo)線的長(zhǎng)度2．以毫米刻度尺的不同起點(diǎn)再測(cè)兩次3．算出金屬導(dǎo)線長(zhǎng)度平均值測(cè)量時(shí)，刻度尺的刻度應(yīng)貼近金屬導(dǎo)線；視線要跟尺垂直；有估讀（即讀出0.1mm）四．拆除電路，儀器復(fù)原電源必須先拆【螺旋測(cè)微器的原理、操作與讀數(shù)】螺旋測(cè)微器的螺距是0.5mm，可動(dòng)刻度一周為50格；旋鈕D每旋轉(zhuǎn)一周，測(cè)微螺桿F前進(jìn)或后退0．5mm．因此，旋鈕D每轉(zhuǎn)過l格，測(cè)微螺桿F前進(jìn)或后退0．01mm．可見螺旋測(cè)微器的精確度為0．01mm．使用螺旋測(cè)微器時(shí)，將被測(cè)物體放在小砧A和測(cè)微螺桿F之間，先調(diào)節(jié)旋鈕D，在測(cè)微螺桿F快靠近被測(cè)物體時(shí)，改用微調(diào)旋鈕D，，這樣不致于在測(cè)微螺桿和被測(cè)物體之間產(chǎn)生過大的壓力，既可以保護(hù)儀器，又能保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性．當(dāng)聽到咔咔的聲音時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并用止動(dòng)螺旋止動(dòng)．讀數(shù)時(shí)，被測(cè)物體長(zhǎng)度大于o．5mm的部分在固定刻度上讀出，不足o．5mm的部分在可動(dòng)刻度上讀出，讀可動(dòng)刻度示數(shù)時(shí)，還要注意估讀一位數(shù)字．螺旋測(cè)微器的讀數(shù)可用下面公式表示：螺旋測(cè)微器的讀數(shù)＝固定刻度上的讀數(shù)+可動(dòng)刻度上的格數(shù)×精確度o.01mm【練習(xí)螺旋測(cè)微器的讀數(shù)】4、用電流表和電壓表測(cè)電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹繙y(cè)定電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻【實(shí)驗(yàn)原理】由閉合電路的歐姆定律E=U+Ir知，路端電壓U=E—Ir，對(duì)給定的電源，E、r為常量，因此路端電壓U是電流I的一次函數(shù)。將電池、電流表、電壓表，可變電阻連接成如圖所示的電路，改變可變電阻R的阻值，可以測(cè)得多組I、U值。將它們描在U—I坐標(biāo)中，圖線應(yīng)該是一條直線。顯然，直線在U坐標(biāo)上的截距值就是電池電動(dòng)勢(shì)，直線斜率的絕對(duì)值就是電池的內(nèi)阻的大小。上述用作圖的方法得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方法，具有直觀、簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)?！静襟E規(guī)范】實(shí)驗(yàn)步驟操作規(guī)范一.連接實(shí)驗(yàn)電路1．將電流表、電壓表機(jī)械調(diào)零AVAVRSEr1．若表針不在零位，用螺絲刀旋動(dòng)機(jī)械調(diào)零螺釘，使其正對(duì)2．⑴實(shí)驗(yàn)器材應(yīng)放置在合適的位置，應(yīng)使電鍵、滑動(dòng)變阻器便于操作；電表刻度盤應(yīng)正對(duì)實(shí)驗(yàn)者⑵電鍵接入電路前，處于斷開位置；閉合電鍵前，滑動(dòng)變阻器阻值置于最大；導(dǎo)線連接無“丁”字形接線⑶電流表量程0.6A，電壓表量程3V二．讀取I、U數(shù)據(jù)1．調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的阻值，閉合電鍵，讀取一組電流表和電壓表的讀數(shù)2．改變滑動(dòng)變阻器的阻值，閉合電鍵，讀取電流表和電壓表讀數(shù)，共測(cè)8-10組1．⑴滑動(dòng)變阻器的阻值由大到小變化，使電路中電流從小到大平穩(wěn)地改變，適時(shí)地讀取I、U讀數(shù)⑵電流表和電壓表讀數(shù)正確，有估讀⑶必要時(shí)要及時(shí)改變電表量程2．每次實(shí)驗(yàn)后，都要及時(shí)斷開電源三．拆除電路，儀器復(fù)原【注意事項(xiàng)】1．使用內(nèi)阻大些（用過一段時(shí)間）的干電池，在實(shí)驗(yàn)中不要將I調(diào)得過大，每次讀完U、I讀數(shù)立即斷電，以免于電池在大電流放電時(shí)極化現(xiàn)象過重，E、r明顯變化．在畫U－I圖線時(shí)，要使較多的點(diǎn)落在這條直線上或使各點(diǎn)均勻分布在直線的兩側(cè)，而不要顧及個(gè)別離開較遠(yuǎn)的點(diǎn)以減少偶然誤差．3．干電池內(nèi)阻較小時(shí)U的變化較小，坐標(biāo)圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)將呈現(xiàn)如圖甲所示的狀況，下部大面積空間得不到利用，為此可使坐標(biāo)不從零開始，如圖乙所示，把坐標(biāo)的比例放大，可使結(jié)果的誤差減小些．此時(shí)圖線與橫軸交點(diǎn)不表示短路電流．計(jì)算內(nèi)阻要在直線上任取兩個(gè)相距較遠(yuǎn)的點(diǎn)，用r=|ΔU/ΔI|計(jì)算出電池的內(nèi)阻r．◆其他常用方法：RR1R2AI—R法原理：解下列方程組可得E、rE=I1(R1+r)E=I2(R2+r)VRVR1R2U—R法原理：解下列方程組可得E、r（上面兩電路圖中R1、R2經(jīng)常用電阻箱來代替，這樣可以測(cè)出多組數(shù)據(jù)）ErGErGR紅表筆黑表筆【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?．學(xué)習(xí)多用電表的一般使用方法．2．練習(xí)用多用電表探測(cè)黑箱內(nèi)的電學(xué)元件．3．了解晶體二極管的單向?qū)щ娦约捌浞?hào)．【實(shí)驗(yàn)原理】多用電表（如圖所示）可以用來測(cè)量直流電流、直流電壓、交變電流、交變電壓、電阻等多種電學(xué)量。左圖多用電表的上半部分為表盤，下半部分為選擇開關(guān)，周圍標(biāo)有測(cè)量功能的區(qū)域及量程。將多用電表的選擇開關(guān)旋轉(zhuǎn)到電流擋，多用電表內(nèi)的電流表被接通；將多用電表的選擇開關(guān)旋轉(zhuǎn)到電阻擋，多用電表內(nèi)的歐姆表電路就被接通。歐姆表是根據(jù)閉合電路歐姆定律制成的。其電路如圖所示，R為調(diào)零電阻。當(dāng)紅黑表筆短接，使電阻調(diào)零時(shí)，表頭指針滿偏，有Ig=E/(Rg+R+r)。當(dāng)紅、黑表筆間接入某電阻RX時(shí)，有Ix=E/(Rg+R+r+Rx)，可見每一個(gè)RX都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的電流值I。我們只要在表盤上表明與I對(duì)應(yīng)的RX值，就可用它來測(cè)量未知電阻RX。我們用多用電表來探測(cè)黑箱內(nèi)的電學(xué)元件。黑箱又稱黑盒子、暗盒，是指不知其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。黑箱方法，也是控制論中的一種重要方法。具體地說：就是給黑箱一個(gè)刺激（輸入），觀察其反映（輸出），并分析多組輸入和輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系，來推測(cè)黑箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)并加以控制的方法。由于求解黑箱問題，需較多地采用了由果求因的逆向思維方法。且造成同一結(jié)果的原因可能有多種，故對(duì)黑箱的求解，難度一般較大。為簡(jiǎn)便起見，本實(shí)驗(yàn)采用限定：黑箱有三個(gè)接點(diǎn)（圖3）；二接點(diǎn)間最多只有一個(gè)元件、黑箱內(nèi)最多只有二個(gè)元件（且均串聯(lián)）；黑箱內(nèi)的元件可能為電源、電阻或二極管。晶體二極管具有單向?qū)щ娦?，如圖4所示。當(dāng)二極管加上正向電壓時(shí)，它的電阻很小，就像一個(gè)接通的開關(guān)一樣；當(dāng)給二極管加上反向電壓時(shí)，它的電阻變得很大，就像斷開的開關(guān)一樣。根據(jù)這一特征，我們可以來斷定電路中是否可能有二極管。圖4圖4圖3用多用電表探測(cè)黑箱的思路用電壓擋測(cè)量待測(cè)兩端電壓用電壓擋測(cè)量待測(cè)兩端電壓U=0？否內(nèi)含電源是用歐姆表測(cè)量待測(cè)兩端電阻反向R→∞？斷路是可能有二極管否反向R=C？定值電阻R=C（定值）反向R→0？短路可能有二極管否是R→0R→∞【步驟規(guī)范】實(shí)驗(yàn)步驟操作規(guī)范一.識(shí)別多用電表1.識(shí)別多用表的選擇開關(guān)、歐姆擋、歐姆擋倍率、刻度盤2.將紅、黑表筆分別插入測(cè)試筆插孔3.根據(jù)待測(cè)電阻的估計(jì)值，選擇合適的倍率，將選擇開關(guān)置于這一擋1.明確歐姆表刻度的零位置、∞、中心刻度位置2.紅、黑表筆的插頭端分別插入“+”、“－”插孔3.測(cè)試時(shí)，表針指在中心刻度附近，則倍率合適一.用歐姆擋測(cè)量電阻1.將紅、黑表筆短接，調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕，使指針指在零歐姆處2.測(cè)量阻值約為數(shù)十歐或數(shù)千歐的電阻元件的阻值3.測(cè)量“220V，60w”燈泡和“220v，40w”日光燈鎮(zhèn)流器的阻值4.測(cè)量你的人體電阻1.將紅、黑表筆的測(cè)試端的金屬桿相接觸，使表頭指針調(diào)零2.每變換倍率，均需重新調(diào)零3.將兩表筆分別與待測(cè)電阻兩端接觸，不要用手去接觸電阻兩端。若待測(cè)電阻在電路中，必須斷開電源并使電阻的一端離開電路。讀數(shù)應(yīng)正確，并有適當(dāng)?shù)墓雷x4.會(huì)及時(shí)更換歐姆擋的倍率一.用萬用表探測(cè)黑箱內(nèi)的電學(xué)元件1．首先確定有無電池。它不僅容易判斷，而且因?yàn)槿粲须姵卮嬖诙鴽]有找出其確切位置，就不能用萬用表的歐姆擋去測(cè)各接線柱間的電阻，否則就可能燒毀萬用表，這是絕對(duì)不允許的。2．測(cè)定有無二極管，然后判斷有無電容（本實(shí)驗(yàn)中不設(shè)置二極管、電容、電感元件）。這個(gè)判斷應(yīng)當(dāng)通過萬用電表的歐姆擋來確定。3．用歐姆擋測(cè)定各點(diǎn)間存在電阻的阻值?？砂磸牡蛽跷幌蚋邠跷豁樞驕y(cè)量。1．在多用表直流檔測(cè)量時(shí)，由于不知道可能存在電池的電動(dòng)勢(shì)值，應(yīng)選用較高電壓檔逐點(diǎn)測(cè)量黑箱內(nèi)每個(gè)接線柱間的電壓，測(cè)量結(jié)果指針沒有偏轉(zhuǎn)，再改用直流電壓最低檔進(jìn)行測(cè)量，指針仍無偏轉(zhuǎn)，說明黑箱內(nèi)沒有電池。2．在設(shè)置黑箱內(nèi)元件參數(shù)時(shí)，一般兩元件串聯(lián)與單獨(dú)測(cè)量會(huì)有明顯的差異3．用歐姆擋測(cè)定各點(diǎn)間存在電阻的阻值?？砂磸牡蛽跷幌蚋邠跷豁樞驕y(cè)量四．測(cè)量完畢，將表筆從插孔中