电学实验全攻略

2020-02-29李树祥特级教师

高中数理化 2020年3期

张巧李树祥(特级教师)

电学实验是历年高考的必考内容,同时也是高考的一个难点,为了提高电学实验得分率,我们在学习它的过程中应掌握哪些要点呢?

1 基本仪器的使用

电学实验涉及的仪器主要有电流表、电压表、滑动变阻器、电阻箱、多用电表及测量金属电阻率所用的刻度尺和游标卡尺或螺旋测微器．对这些仪器，要了解它们的构造、原理、用途,掌握仪器的量程、使用方法和使用规则,达到熟练操作、正确读数．在读数时要做好以下几点:1)注意仪器的量程;2)注意每小格表示的数值和单位;3)掌握需要估读的实验仪器的读数基本规则,即最小刻度是“1”的仪器,要求读到最小刻度后再往下估读一位;凡仪器最小刻度是“2”和“5”的,只要求读到最小刻度所在的这一位,不再往下估读．最小刻度是“2”的仪器需进行二分之一估读,最小刻度是“5”的仪器需进行五分之一估读．4)游标卡尺和欧姆表不估读．

图1

(1)根据图1画出实验电路图.

(2)调节滑动变阻器得到了两组电流表与电压表的示数如图2中的①、②、③、④所示,电流表量程为0.6A,电压表量程为3V．

图2

所示读数为:①____, ②______, ③______, ④______．两组数据得到的电阻分别为________和________．

图3

(2)电流表的量程为0.6A,所以每小格表示的分度值为0.02A,故①的读数为0.10A, ②的读数为0.24A.电压表的量程为3V,则每一小格表示0.1V,所以③的示数为2.00V, ④的示数为0.27V．

2 实验器材的选择

选择电学实验仪器主要是选择电表、滑动变阻器、电源等器件,选择时应考虑以下几点:1)首先确定实验条件,然后按电源—电压表—电流表—变阻器顺序依次选择．2)电源的选择:在不超过待测器材所允许的最大电压值的情况下,选择电动势较大的电源(以获得更多的测量数据)．在相同电动势情况下,通常选择内电阻较小的电源(以获得较稳定的路端电压)．3)电压表和电流表的量程选择:首先,保证流过电流表的电流和加在电压表两端的电压均不超过量程．然后合理选择量程,量程越接近测量值越好,使指针有较大偏转(一般取满偏的2/3 左右),以减少测量和读数的误差．4)变阻器的选择:所选用的变阻器的额定电流应大于电路中通过变阻器的最大电流,以确保变阻器的安全;为满足实验中电流变化的需要和调节的方便,在分压式接法中,应选用电阻较小而额定电流较大的变阻器,而在限流式接法中,变阻器的阻值不能太小．

A. 电压表 (量程0～1 V,内阻约为10 kΩ)

B. 电压表(量程0～10 V,内阻约100 kΩ)

C. 电流表(量程0～1 mA，内阻约为30 Ω)

D. 电流表(量程0～0.6 A,内阻约为0.05 Ω)

E. 电源(电动势1.5 V,额定电流0.5 A,内阻不计)

F. 电源(电动势12 V,额定电流2 A,内阻不计)

G. 滑动变阻器R(阻值范围0～10 Ω,额定电流2 A)

(1) 为使测量尽量准确,电压表选用________,电流表选用________,电源选用________(均填器材的字母代号)．

(2) 画出测量Rx阻值的实验电路图．

(3) 该同学选择器材、连接电路和操作均正确,从实验原理上看,待测电阻测量值会________其真实值(填“大于”“小于”或“等于”),原因是________．

图4

3 电路设计

电路设计需要注意的是限流式电路、分压式电路和电流表内接法与外接法的选择．两种电路的选取原则是:

1) 要求负载上电压或电流变化范围大,且从零开始连续可调,须用分压式接法．

2) 负载电阻Rx远大于滑动变阻器总电阻R时,须用分压式接法,此时若采用限流式接法对电路基本起不到调节作用．

3) 采用限流电路时,电路中的最小电流(电压)仍超过电流表的量程或超过用电器的额定电流(电压)时,应采用变阻器的分压式接法．

4) 负载电阻的阻值Rx小于滑动变阻器的总电阻R或相差不大,并且电压表、电流表示数变化不要求从零开始起调,可用限流式接法．两种电路均可使用时应优先选用限流式接法,因为限流电路结构简单,总功率较小．

小明采用伏安法测量电线电阻,正确连接电路后,调节滑动变阻器,电流表的示数从0开始增加,当示数为0.5A时,电压表示数如图5所示,读数为________V,根据小明测量的信息,图6中P点应该________(填“接a”“接b” “接c”或“不接”) ，Q点应该________(填“接a”“接b”“接c”或“不接”),小明测得的电线长度为________m．

图5 图6

4 实验步骤

电学实验步骤一般如下：根据实验原理选取实验器材,设计电路,实物连线,开关合上前调节可变电阻使电路中电流最小,改变电路电阻进行测量(一般是多次测量),记录数据,整理并分析数据得出结论,整理器材．当然,不同实验的步骤也有所不同,这就要求我们要到实验室去,认认真真地做一次实验,提升自己的动手能力．

图7

(1)完成下列实验步骤:

① 闭合开关前,调节滑动变阻器的滑片,______;

② 闭合开关后,逐渐移动变阻器的滑片,______;

③ 断开开关……根据实验数据在方格纸上作出小灯泡灯丝的伏安特性曲线．

(2) 画出与实物电路相对应的电路图．

图8

② 因为是描绘伏安特性曲线,需要电压从0开始,并要有适当多的测量数据,这样才能使描绘较为准确,故答案为“增加小灯泡两端的电压,记录电流表和电压表的多组读数,直至电压达到额定电压”．

(2)电路图如图8所示.

5 实物连接

连接实物电路时要依据电路图进行连接,一般原则是从头到尾,顺藤摸瓜,先串后并,电压表最后画．具体如下:

1)先画实验电路原理图,再按原理图连接实物图．

2)由题给条件进行估算,确定电表在电路中使用的量程．

3)根据题给条件判断电流表是内接还是外接．

4)根据题给条件确定变阻器的接法(是限流接法还是分压接法),目的是调节滑动变阻器时电流表和电压表示数变化明显．

5)遵循先串后并的原则．一般先从电源正极出发,到开关,再到滑动变阻器等,按顺序依单线连接方式将主电路中要串联的元件串联起来,再将要并联的元件并联到电路中去,最后回到电源的负极．变阻器限流接法开始时阻值最大,分压接法开始时变阻器输出端的阻值最小,同时注意分清电表的正负极．

6)各线头必须接在接线柱上．

7)连接完毕,应进行检查.检查电路也应该按照连线的方法和顺序.

供选择的仪器如下:

③ 定值电阻R1(300Ω),

④ 定值电阻R2(10Ω),

⑤ 滑动变阻器R3(0～1 000Ω),

⑥ 滑动变阻器R4(0～20Ω),

⑦ 干电池(1.5V),

⑧ 开关S及导线若干．

(1) 定值电阻应选________,滑动变阻器应选________(在空格内填写序号)．

(2) 把图10实物用连线连接．

图9 图10

(3) 补全实验步骤:

① 按电路图连接电路,________;

③ ____________________________;

图11

④ 以I2为纵坐标,I1为横坐标,作出相应图线,如图11所示．

(4) 根据I2-I1图线的斜率k及定值电阻,写出待测电流表内阻的表达式________．

图12

(2) 直接根据电路图连接实物图,先将电源的负极连接到滑动变阻器的绕线右下角的接线柱上,然后将左下角的接线柱与开关左端相连,将开关右端与电源正极相连,这样形成主干路,然后再连接支路,注意电表的正负极．实物连线图如图12.

6 数据处理

电学实验涉及的数据处理主要方法是图象法和结合实验原理列表达式进行计算,即公式法．应用图象法处理实验数据应看清图象坐标轴表示的物理量,弄清横、纵截距和图象斜率的物理意义．应用公式法处理实验数据时,应先理顺实验原理，结合试题提供的条件进行推理,分析运算得出物理表达式．

图13

(2) 保持S1闭合,断开S2,多次改变R1的阻值,并记录电流表的相应示数．若某次R1的示数如图14所示,则此次R1的阻值为________Ω;

图14 图15

(2) 电阻箱R1的读数为148.2 Ω.

7 误差分析

误差有系统误差和偶然误差．涉及电表的系统误差主要有电流表内接时,电流表的分压会使测量值偏大;电流表外接时,电压表的分流会使测量值偏小．系统误差是可以通过改进实验方法来消除的．如电流表的内阻确定,用电流表的内接法,就可以消除电流表的分压带来的系统误差;如电压表的内阻确定,用电流表的外接法,可以消除电压表分流所带来的系统误差．偶然误差主要是读数时估读所带来的误差,这类误差只能通过多次测量取平均值来减小,不能消除．

② 根据图16,用笔画线代替导线将图17连接成完整电路.

图16 图17

③ 某次实验的数据如表1所示.

表1

该小组借鉴“研究匀变速直线运动”实验中计算加速度的方法(逐差法),计算出电池组的内阻r=________Ω(保留两位小数);为减小偶然误差,逐差法在数据处理方面体现出的主要优点是________．

④ 该小组在前面实验的基础上,为探究图16电路中各元器件的实际阻值对测量结果的影响,用一已知电动势和内阻的标准电池组,通过上述方法多次测量后发现:电动势的测量值与已知值几乎相同,但内阻的测量值总是偏大．若测量过程无误,则内阻测量值总是偏大的原因是________．(填选项前的字母)

A. 电压表内阻的影响

B. 滑动变阻器的最大阻值偏小

C. R1的实际阻值比计算值偏小

D. R0的实际阻值比标称值偏大

图18

② 连线图如图18.

采用第1与第5次数据时

采用第2与第6次数据时

采用第3与第7次数据时

采用第4与第8次数据时

逐差法在数据处理方面体现出的主要优点是充分利用取得的数据．

④ 由闭合电路欧姆定律E=U+I(R0+r)可知,由于电压表内阻的影响,导致通过电源的电流比测量值偏大,故内阻测量值总是偏小,选项A错误;滑动变阻器的阻值不会影响内阻r的测量结果,选项B错误;电表改装时,R1的实际阻值比计算值偏小,可导致通过表头的电流偏小,电流表读数偏小,故内阻测量值总是偏大,故选项C正确;由E=U+I(R0+r)知,R的实际阻值比标称值偏大,可导致内阻测量值总是偏大,故选项D正确．

8 故障分析

常见的电路故障如下:

1)闭合开关时灯泡不亮,电流表和电压表无示数,可能原因是滑动变阻器损坏或者接线柱接触不良,或出现了断路．

2)电流表与电压表的指针偏转角度很小,可能原因是电流表与电压表的量程选择过大或者电源电压过低．

3)电表的指针超过最大刻度,可能原因是电表量程选择过小或电路中出现短路．

4)滑动变阻器的滑动触头滑动时,电表示数及灯泡的亮度不变,可能是滑动变阻器连接错误,没有遵循“一上一下”的接线原则,同时接在了上面或者下面两个接线柱上．

图19 图20

(1) 断开开关,红表笔接a点时多用表指示如图20所示,读数为________V,说明________正常(填“蓄电池”“保险丝”“开关”“小灯”)．

(2) 红表笔接b点,断开开关时,表针不偏转,闭合开关后,多用表指示仍然和图20相同,可判断发生故障的器件是________．(填“蓄电池”“保险丝”“开关”“小灯”)

(2) 两表笔接b、c之间,并闭合开关,测试电压相同,说明a、b之间是通路,b、c之间是断路,所以故障器件是小灯．

9 注意事项

为了实验的顺利进行,避免实验出现差错并尽量减少实验中的误差,每个实验都有应该注意的事项,如使用弹簧测力计、电流表、电压表、欧姆表等仪器时要先调零;电磁打点计时器使用4～6 V的交流电,电火花打点计时器使用220 V的交流电;使用多用电表的欧姆挡测电阻时,待测电阻不能与别的元件或电源相连,两手不能接触表笔的金属部分,更换量程后要重新调零;用电流表和电压表测定电池的电动势和内电阻时,不能将电流调得过大,且读电表要快;在“测定金属的电阻率”实验中,测电阻时电流不能过大,通电时间不能过长，等等．

(1)(多选题)用多用电表测电流或电阻的过程中________.

A. 在测量电阻时,更换倍率后必须重新进行调零

B. 在测量电流时,更换量程后必须重新进行调零

C. 在测量未知电阻时,必须先选择倍率最大挡进行试测

D. 在测量未知电流时,必须先选择电流最大量程进行试测

(2) 测量时多用电表指针指在如图21所示位置．若选择开关处于“10V”挡,其读数为________V;若选择开关处于“×10”挡,其读数________200Ω(填“大于”“等于”或“小于”)．