高中物理10大难点强行突破之十:电学实验

来源:m.fanwen118.com时间:2021.9.20

高中物理10大难点强行突破之十电学实验

(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,而整个电路的总阻值约为R0,那么RL两端电压UL=IR并=U·Rap,显然UL∝Rap,且Rap越小,这种线性关系越好,电表R0

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的额定值时,只能采用分压接法.

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(1)测量时对电路中的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相差不大或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优先采用限流式接法.

例1:如图10-3所示,滑动变阻器电阻最大值为R,负载电阻R1=R,

电源电动势为E,内阻不计.

(1)当K断开,滑动头c移动时,R1两端的电压范围是多少?

(2)当K闭合,滑动头c移动时,R1两端的电压范围是多少?

(3)设R的长度ab=L,R上单位长度的电阻各处相同,a、c间

长度为x,当K接通后,加在R1上的电压U1与x的关系如何?

图10-3 【审题】电键断开或闭合导致电路出现两种截然不同的控制电路:

限流和分压,把握限流和分压电路的原理是关键

【解析】(1)若K断开,则该控制电路为滑动变阻器的限流接法,故E≤U1≤E 2

(2)若K闭合,则该控制电路为滑动变阻器的分压接法,故0≤U1≤E R?RELxE(3)U1=IR并,R并=,I= 得:U1=2 RRL?x2?Lxx?RR并?(L?x)LLx

【总结】该题考察两种控制电路的原理即两者获取的控制电压范围不同

例2:用伏安法测量某一电阻Rx阻值,现有实验器材如下:待测电阻Rx(阻值约5 Ω,额定功率为1 W);电流表A(量程0~0.6 A,内阻0.2 Ω);电流表A(量程0~3 A,内阻0.05 Ω);12

电压表V1(量程0~3 V,内阻3 kΩ);电压表V2(量程0~15 V,内阻15 kΩ);滑动变阻器R0(0~50 Ω),蓄电池(电动势为6 V

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)、开关、导线.

为了较准确测量Rx阻值,电压表、电流表应选________,并画出实验电路图.

【审题】该题要求选择实验仪器、测量电路及控制电路,因为滑动变阻器的全阻值大于被测

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电阻Rx,故首先考虑滑动变阻器的限流接法

【解析】由待测电阻Rx额定功率和阻值的大约值,可以计算待测电阻Rx的额定电压、额定电流的值约为

U=PR??5V≈2.2 V,I=P/R?/5A=0.45 A.

则电流表应选A1,电压表应选V1. 又因RA?RV?.2?3000=24.5 Ω>Rx,则电流表必须外接.

因为滑动变阻器的全阻值大于被测电阻Rx,故首先考虑滑动变阻器的限流接法,若用限流接法,则被测电阻Rx上的最小电流为Imin=E6=0.11 ?Ex?R5?50

A<I额,因该实验没有对电流、电压的调节范围未作特殊要求,故

用限流电路.电路如图10-4所示.

【总结】滑动变阻器全阻值相对待测电阻较大,用分压接法不便于图10-4 调节,故限流接法是首选,只要能保证安全且有一定的调节范围即

可。

例3:用伏安法测量一个定值电阻的器材规格如下:待测电阻Rx(约100 Ω);直流电流表(量程0~10 mA、内阻50 Ω);直流电压表(量程0~3 V、内阻5 kΩ);直流电源(输出电压4 V、内阻不计);滑动变阻器(0~15 Ω、允许最大电流1 A);开关1个,导线若干.根据器材的规格和实验要求画出实验电路图.

【审题】本题只需要判断测量电路、控制电路的接法,各仪器的量程和电阻都已经给出,只需计算两种接法哪种合适。

【解析】用伏安法测量电阻有两种连接方式,即电流表的内接法和外接法,由于Rx<RARv,故电流表应采用外接法.在控制电路中,若采用变阻器的限流接法,当滑动变阻器阻值调至最大,通过负载的电流最小,Imin=E=24 mA>10 mA,此时电流仍超过R?RA?Rx

电流表的量程,故滑动变阻器必须采用分压接法.如图10-5所示.

【总结】任一种控制电路必须能保证电路的安全,这是电学实验

的首要原则 ,限流接法虽然简洁方便,但必须要能够控制电路不

超过电流的额定值,同时,能够保证可获取一定的电压、电流范

围,该题中,即便控制电流最小值不超过电流表的量程,因滑动

变阻器全阻值相对电路其它电阻过小,电流、电压变化范围太小,

仍不能用限流接法。

3、实验电路和电学仪器的选择

(1)电路的选择

①安培表内、外接电路的选择

由于电压表的分流作用和电流表的分压作用,

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造成表的示数与通过负载的电压或电流真

第 - 2 - 页 共 8 页 图

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10-5

实值之间产生误差,为减小此系统误差,应慎重选择电流表的内外接法,选择方法如下:

1、直接比较法:

当待测电阻阻值Rx<<RV时,伏特表分流很小,选择安培表外接电路;

当待测电阻阻值Rx>>RA时,安培表分压很小,选择安培表内接电路。

2、临界值计算比较法:

当待测电阻阻值与电压表、电流表的阻值相差不多时,如何确定被测电阻R是较大还是较小呢?我们要计算两种接法的相对误差,可用RVR与相比较. RRA

RVR当?RRA

当即R?RVRA时,宜采用电流表外接法; RVR?RRA即R?RVRA时,宜采用电流表内接法; 而R?RVRA时,电流表内外接法效果是一样的.此时的被测电阻值R我们称为临界电阻。 这些方法比较少用

3、测试判断法(试触法)

?I?U?),说明接M点时电压表IU 若Rx、RA、RV的大小关系事先没有给定,可借助试触法确定内、外接法.具体做法是: 如图10-6所示组成电路,其中电流表事先已经接好,拿电压表的一个接线柱去分别试触M、N两点,观察先后两次试触时两电表的示数变化情况。 如果电流表的示数变化比电压表示数变化明显(即

分流作用引起的误差大于接N点时电流表分压作用引起的误差,这时应采用内接法(即电压表接N点)。

如果电压表的示数变化比电流表示数变化明显(即?I?U?),说明接N点时电流表分IU

压作用引起的误差大于接M点时电压表分流作用引起的误差,这时应采用外接法(即电压表接M点).

(口决:“内大外小”,即内接法适合测大电阻且系统误差

偏大,即测量值大于真实值,外接法适合测小电阻且系统误差

偏小,即测量值小于真实值,)

②控制电路(即滑动变阻器的接法)的选择,见难点2 图

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10-6

电表量程选择 牢记 1 最大偏角大于或等于1/3 (不大于2/3)

例4: 图10-7为用伏安法测量一个定值电阻阻值的实验所需器材实物图,器材规格如下:

(1)待测电阻Rx(约100Ω)

(2)直流电源(输出电压4V,内阻可不计)

(3)直流毫安表(量程0~10mA,内阻50Ω)

(4)直流电压表(量程0~3V,内阻5KΩ)

(5)滑动变阻器(阻值范围0~15Ω

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,允许最大电流图10-7

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1A)

(6)电键一个,导线若干条

根据器材的规格和实验要求,在实物图上连线。并用“↓”标出在闭合电键前,变阻器的滑动触点应处的正确位置。

【审题】本题不要求选择仪器,只是对已有的仪器进行电路的选择合成,从一定程度上降低了难度,由已知条件,待测电阻与电压表阻值相差较多,滑动变阻器阻值相对较小。

【解析】因滑动变阻器阻值小于待测电阻Rx的阻值,所

以滑动变阻器应选用分压接法;待测电阻与电表相比,

Rx的阻值和电压表的阻值相差较多,所以应选用安培表

外接电路,实物连接如图10-8所示。滑动变阻器分压接

法时,在闭合电键前,变阻器的滑动触点应置于使负载

电压为零处,如图箭头所示。

【总结】(1)设计测量电阻的电路必须考虑两个方面,

电路。

(2)连接实物图时,应该先干路,再支路。滑动变阻器分压接法是要注意电键能控制全电路电流,即断开电键后,电路中无电学仪器仍处于通电状态,电键对支路不起作用是滑动变阻器分压接法时经常出现的错误。

例5:某电压表的内阻在20~50KΩ之间,现要测量其内阻,实验室提供下列可选用的器材:

待测电压表V(量程3V),电流表A1(量程200μA),电流表A2(量程5mA),电流表A3(量程0.6A),滑动变阻器R(最大阻值1kΩ),电源E(电源电压为4V),开关S.

(1)所提供的电流表中应选用 (填字母代号).

(2)为了尽量减小误差,要求多测几组数据,试在图10-9方框中画出符合要求的实验电路(其中电源和开关及连线已画出).

【审题】测量电压表的内阻,从已知条件看,需测量通过电压表的

电流,因此,需估算通过电压表的最大电流来判断所用电流表的量

程。同时,滑动变阻器的全阻值远小于电压表内阻,控制电路应采

用分压接法。

【解析】电压表的示数等于通过电压表的电流与本身内阻的乘积,图

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10-9 估算电路中的最大电流为 图

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10-8 首先要确定滑动变阻器是分压电路还是限流电路,再考虑是安培表外接电路还是安培表内接

Im?U3?A?150?A 3RV20?10

所以应选电流表A1,与电压表串联在电路中.

滑动变阻器的电阻远小于电压表内阻.如果用滑动变阻器连成限流电路,一则它对电路的调控作用很不明显,二则是待测电压表分得的最小电压约为

RV20?103

U'?U?3?4V?3.8V R?RV10?20?103

大于电压表的量程,变阻器明显不能组成限流电路,这样变阻

器应作为分压器接在电路中,就不会出现上述问题,电路如图10-10

所示.

【总结】

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对于电表的选择,必须先根据已知条件估算电路中的最大

第 - 4 - 页 共 8 页 E 图10-10

电压或电流值,以此确定选用略大于且量程最小的电表。

例6:有一改装的电流表A1需要与一标准电流表A2进行校对,采用如图所示10-11的电路,其中E为电源,R0为一限流电阻,R为一可变电阻,S为电键,

限流电阻能够限制电路中的最大电流,使之不超出电流表的量

程过多,从而对电流表起保护作用。实验中已有的器材及其规

格如下:

蓄电池E(电动势6v,内阻约为0.3Ω),

改装电流表A1(量程0~0.6A, 内阻约为0.1Ω)

标准电流表A2 ( 量程0~0.6A~3A, 内阻不超过0.04Ω)

实验中备有的电阻器规格如下:

A.固定电阻(阻值8Ω,额定电流2A)

B.固定电阻(阻值15Ω,额定电流2A)

C.滑动变阻器(阻值范围0~20Ω,额定电流2A)

D,滑动变阻器(阻值范围0~200Ω,额定电流2A)

已知两个表的刻度盘上都将量程均匀分为6大格,要求从0.1A起对每条刻线一一进行核对,为此,从备用的电阻器中,R0应选用 ,R应选用 。(用字母代号填写)

【审题】本题中给出了固定限流电阻的选择,首先要明确其作用,实验要求电流范围在0.1~0.6A之间,即电路中仅有限流电阻时的电流要略大于0.6A,同时要配合滑动变阻器,保证电路中的最小电流不超过0.1A。

【解析】已知改装表量程为0~0.6A,要求从0.1A起对每条刻线进行核对,所以,电路中最大电流不能小于0.6A,最小电流不能大于0.1A。电源电动势为6v,根据欧姆定律R总?图10-11 ?I,电路中最小总电阻不能大于10Ω,电路中除固定电阻和滑动变阻器外,其它电阻总阻值等于0.44Ω,所以固定电阻R0应选用A(8Ω);又因最大总电阻不能小于60Ω,滑动变阻器应选用D(200Ω)。

【总结】(1)要正确理解限流电阻的限流作用—-使电路中的电流不超过电流表的量程过多,.....应理解为:在保证电流表能达到满量程的条件下,通过电流表的电流不过大。所以限流电阻的阻值不能大于使电流表达到满偏时的阻值。

(2)注意区分限流电阻与滑动变阻器的作用,限流电阻的作用是使电路中的电流不要过小(不小于0.6A),而滑动变阻器的作用是使电路中的电流要达到足够小(不大于0.1A)。 例7:用伏安法测量某一电阻Rx的阻值,现有实验器材如下:

A、待测电阻Rx(阻值大约为5Ω,额定功率为1W)

B、电流表A1(0~0.6A,内阻0.2Ω)

C、电流表A2(0~3A,内阻0.05Ω)

D、电压表V1(0~3V,内阻3KΩ)

E、电压表V2(0~15V,内阻15KΩ)

F、滑动变阻器R0(0~50Ω)

G、蓄电池(电动势为6V)

H、电键、导线

为了较准确测量Rx的阻值,保证器材的安全,以便操作方便,电压表、电流表应选择

第 - 5 - 页 共 8 页

________,并画出实验电路图。

【审题】本题中待侧电阻的额定功率、电阻估计值已知,可估算通过电阻的电流及其两端电压,是选择电流表、电压表量程的关键,另外,电流表的内外接法及滑动变阻器的接法也需要计算确定。

【解析】1、确定电流表、电压表的量程。被测电阻Rx的额定电压、额定电流分别为

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则电流表选用A1,电压表选用V1

2、确定电流表的内、外接法

计算临界电阻

RX<R,则安培表必须外接。

3、确定控制电路 图

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10-12 ,

因滑动变阻器的全阻值R0大于被测电阻RX,故首先考虑变阻器的限流接法。

限流接法:RX上限流取值范围为:

最小:

最大:I额=0.45A

那么,滑动变阻器的阻值(滑动头移动时)不得小于

压变化范围为0.55V~2.25V,安全可行。 。RX的电

若采用变阻器的分压接法,因R0>RX,会操作不方便,因此应选择变阻器的限流接法。电路如图10-12所示。

【总结】本题需要选择电流表、电压表量程以及测量电路和控制电路,解题时为避免混乱,可分步选择,将题目分解,既明确,又不易遗漏。

4、电阻测量的方法归类

在高中电学实验中,涉及最多的问题就是电阻的测量,电阻的测量方法也比较多,最常用的有:

(1)欧姆表测量:最直接测电阻的仪表。但是一般用欧姆表测量只能进行粗测,为下一步的测量提供一个参考依据。用欧姆表可以测量白炽灯泡的冷电阻。

(2)替代法:替代法的测量思路是等效的思想,可以是利用电流等效、也可以是利用电压等效。替代法测量电阻精度高,不需要计算,方法简单,但必须有可调的标准电阻(一般给定的仪器中要有电阻箱)。

替代法是用与被测量的某一物理性质等效,从而加以替代的方法。

如图10-13所示。先把双刀双掷开关S2扳到1,闭合S1,调整滑动

变阻器,使电流表指针指到某一位置,记下此时的示数I(最好为一整

数)。再把开关S2扳到2,调整电阻箱R0,使得电流表指针仍指到示数I。

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第 - 6 - 页 共 8 页 图10-13

读出此时电阻箱的阻值r,则未知电阻Rx的阻值等于r。

说明:①在此实验中的等效性表现在开关换位后电流表的示数相同,即当电阻箱的阻值为r时,对电路的阻碍作用与未知电阻等效,所以未知电阻Rx的阻值等于r。

②替代法是一种简捷而准确度很高的测量电阻的方法,此方法没有系统误差,只要电阻箱和电流表的精度足够高,测量误差就可以忽略。

(3)伏安法:伏安法的测量依据是欧姆定律(包括部分电路欧姆定律和全电路欧姆定律),需要的基本测量仪器是电压表和电流表,当只有一个电表时,可以用标准电阻(电阻箱或给一个定值电阻)代替;当电表的内阻已知时,根据欧姆定律I=U/RV,电压表同时可以当电流表使用,同样根据U=IRA,电流表也可以当电压表用。

(4)比例法:如果有可以作为标准的已知电阻的电表,可以采用比例法测电表的电阻。用比例法测电表内阻时,两个电流表一般是并联(据并联分流原理),两个电压表一般是串联(据串联分压原理)。

所谓“比例法”是:要测量某一物体的某一物理量,可以把它与已知准确数值的标准物体进行比较。例如,使用天平称量物体的质量,就是把被测物体与砝码进行比较,砝码就是质量数准确的标准物体。天平的结构是等臂杠杆,因此当天平平衡时,被测物体的质量与标准物体的质量是相等的,这就省去了进一步的计算。

有很多情况下,被测物体与标准物体的同一物理量间的关系并不是相等,而是在满足一定条件下成某种比例的关系,这种方法又称为“比例法”。

例如,测电流表和电压表的内阻,如果有可以作为标准的已知电阻的电表,都可以使用比例法。采用比例法测电阻的依据是:串联电路电压与电阻成正比,并联电路电流与电阻成反比。电压表可显示电阻两端的电压值,电流表可显示电阻中通过的电流,所以测电流表内阻应把两电流表并联,测电压表内阻应把两电压

表串联,电路图分别如图10-14(甲)、(乙)所示。

测电流表内阻时,应调节滑动变阻器R01,使

两电流表的指针都有较大偏转,记录下两电表的示

数I1和I2,根据并联电路分流原理,若已知电流

表A1的内阻为r1,则电流表A2的内阻r2=I1r1。 I2图10-14

测电压表内阻时,应调节滑动变阻器R02,使两电压表的指针都有较大偏转,记录下两电表的示数U1和U2,根据串联电路分压原理,若已知电压表V1的内阻r1,则电流表V2的内阻r2=U2r。 U11

以上例子中,甲图采用限流电路而乙图采用分压电路,这是由于电流表内阻都较小,若采用分压电路,则滑动变阻器的阻值必须更小,这时电路近似于短路,是不允许的;而电压表内阻都很大,若采用限流电路,则滑动变阻器的电阻必须更大,这在实际上行不通。

(5)半值法(半偏法)。

半值法是上面比例法的一个特例,测电流表内阻和测电压表内阻都可以用半值法,电路图如图10-15所示。

甲图实验时先断开开关S’,闭合

S,调整滑动变阻器R01(限流法连接)

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图10-15

使电流表A满度(即指针指满刻度处);再闭合S’,调整电阻箱R1,使电流表A的指针恰好指到半满度处,读出此时电阻箱的阻值R,则电流表A的电阻rA=R。(测量结果偏小)

乙图实验时先闭合开关S’及S,调整滑动变阻器R02(分压法连接),使电压表V满度;再断开S’,调整电阻箱R2,使电压表V的指针恰好指到半满度处,读出此时电阻箱的阻值R,则电压表V的电阻rV=R。(测量结果偏大)

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