电学实验知识盘点与解读

2019-02-26湖南省汨罗市第一中学

中学生数理化(高中版.高考理化) 2019年1期

关键词：变阻器电压表电流表

■湖南省汨罗市第一中学蒋纬

一、电学实验原理

1.电路设计原则：选择仪器和设计电路有一定的灵活性,需要在掌握和遵循“正确性”“安全性”“方便性”“精确性”等基本原则的基础上,兼顾“误差小”“仪器少”“耗电少”等各方面因素综合考虑。

(1)正确性：实验原理所依据的原理应当符合物理学的基本原理。

(2)安全性：实验方案的实施要安全可靠,实施过程中不应对仪器及人身造成危害。要注意到各种电表均有量程、电阻均有最大允许电流和最大功率,电源也有最大允许电流等,不能烧坏仪器。

(3)方便性：实验应当便于操作,便于读数,便于进行数据处理。

(4)精确性：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。

2.电学实验仪器的选择：

(1)根据不使电表受损和尽量减小误差的原则选择电表。首先保证流过电流表的电流和加在电压表上的电压均不超过其量程,然后合理选择所需量程,保证使指针有较大偏转(一般要大于满偏值的),以减小读数误差。

(2)根据电路中可能出现的电流或电压范围选择滑动变阻器,注意流过滑动变阻器的电流不超过它的额定值,选择大阻值的变阻器时,若滑动头稍有移动,便使电流、电压有很大变化的,则不宜采用。

(3)根据实验的基本要求选择仪器,只有熟悉实验原理,才能做出恰当的选择。最优选择的原则是：实验误差尽可能小；间接测量值尽可能有较多的有效数字位数,直接测量值的测量使读数误差尽可能小,且不超过仪表的量程；实现较大范围的灵敏调节；在大功率装置(电路)中尽可能节省能量,在小功率电路里,在不超过用电器额定值的前提下,适当提高电流、电压值,以提高测量的准确度。

3.实验设计的基本思路：

二、电学实验中用到的基本知识

1.实验原理公式：在近几年的电学实验中,电阻的测量(包括变形,如电表内阻的测量)、测电源的电动势与内阻是考查频率较高的实验。此类实验用到的原理公式为R=,E=U+I r。由此可见,对电路中电压U及电流I的测量是实验的关键所在,这两个物理量的直接测量和间接测量的方法多种多样,因此成为历年来高考试题的着力点。同学们在高三阶段的实验复习中应熟练掌握基本实验知识及方法,做到以不变应万变。

2.伏安法测电阻时测量电路的选择。

(1)电流表内、外接法的选择：电流表外接法,如图1甲所示,待测电阻为小电阻时,用电流表外接法；电流表内接法,如图1乙所示,待测电阻为大电阻时,用电流表内接法。

图1

图2

方法二：在RV、RA均不知的情况下,可采用试触法。如图2所示,分别将电压表的a端与b、c接触,如果前后两次电流表示数变化比电压表示数变化明显,说明电压表的分流作用大,应采用电流表内接法；如果前后两次电压表示数变化比电流表示数变化明显,说明电流表的分压作用大,应采用电流表外接法。

(2)滑动变阻器限流、分压接法的选择：滑动变阻器是电学实验中常用的仪器,近几年高考电学设计性实验命题多次直接或渗透考查对滑动变阻器限流、分压接法的选择。

滑动变阻器的限流接法与分压接法的特点：在如图3所示的两种电路中,滑动变阻器(最大阻值为R0)对负载Rx的电压、电流都起到了控制调节作用,通常把图甲电路称为限流接法,把图乙电路称为分压接法。

图3

①滑动变阻器限流接法：如图3甲所示,待测电阻上电压的调节范围为显然,当R0≪Rx时,在移动滑动触头P的过程中,电流的变化范围很小,总电流几乎不变,Ux也几乎不变,无法读取数据；当R0≫Rx时,滑动触头P在从b端向a端滑动的过程中,先是电流表、电压表的示数变化不大,后来在很小的电阻变化范围内,电流表、电压表的读数变化很快,也不方便读数；只有当Rx与R0差不多大小时,才能对电流、电压有明显的调控作用。在同样能够达到实验目的的前提下,限流接法的优点是较为省电,电路连接也较为简单。

②滑动变阻器分压接法：如图3乙所示,待测电阻上电压的调节范围为0～E,且R0相对于Rx越小,Rx分担的电压变化的线性就越好。当R0≫Rx时,尽管Ux的变化范围仍是0～E,但是数据几乎没有可记录性,因为在这种情况下,滑动触头P从a端滑起,要一直滑到快到b端时,电压表的示数一直几乎为零,然后突然上升到E。因此,选用滑动变阻器分压接法的前提是要用全阻值较小的滑动变阻器。

小结：滑动变阻器的限流接法与分压接法均可调节负载电阻电压和电流的大小,但在不同条件下,调节效果大不一样,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、方便性等原则综合考虑。

3.半值法(半偏法)实验电路的解读。

测电流表内阻和测电压表内阻时都可以用到半值法,实验电路如图4所示。

图4

选用甲图进行实验时,先断开开关S',闭合开关S,调整滑动变阻器R01(限流法连接),使电流表A满偏(指针指到最大刻度线处)；再闭合开关S',调整电阻箱R1,使电流表A的指针恰好指到半满刻度线处,读出此时电阻箱的阻值R,则电流表A的内阻rA=R。(测量结果较实际值偏小)

选用乙图进行实验时,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满偏；再断开开关S',调整电阻箱R2,使电压表V的指针恰好指到半满刻度线处,读出此时电阻箱的阻值R,则电压表V的内阻rV=R。(测量结果较实际值偏大)

三、实物图连接的基本方法和注意事项

1.基本方法：

(1)画出实验电路图。

(2)分析各元件的连接方式,明确电流表与电压表的量程。

(3)画线连接各元件(用铅笔画线,以便改错),连线方式应是单线连接,连线顺序应先画串联电路,再画并联电路。具体步骤一般先从电源正极开始,再到开关,然后到滑动变阻器等；先将干路中要串联的元件依次串联起来,再连接支路,然后将要并联的元件并联到电路中去。

(4)连接完毕,应进行检查,检查电路也应按照连线的方法和顺序逐步进行。

2.注意事项：

(1)连接电表应注意量程选用正确,正、负接线柱不要接错。

(2)各导线都应接在接线柱上,不应在导线中间出现分叉。

(3)对于滑动变阻器的连接,要搞清楚接入电路的是哪部分电阻,在接线时要特别注意不能将导线接到滑动触头上。

四、高频考题解析

例1如图5所示,游标卡尺的读数为____mm；螺旋测微器的读数为____mm。

图5

解析：游标卡尺的主尺读数为12mm,游标尺上第8个刻度和主尺上某一刻度对齐,则游标尺读数为8×0.05mm=0.40mm,所以游标卡尺的最终读数为12mm+0.40mm=12.40mm。螺旋测微器的固定刻度为1.5mm,可动刻度为18.3×0.01 mm=0.183mm,则螺旋测微器的最终读数为1.5mm+0.183mm=1.683mm,又因为需要估读,所以所填数值可以为1.683±0.002。