高二下学期实验学习应注意的问题

■上海师范大学附属中学

同学们在高二下学期学习的实验内容主要是选修《3-2》中的实验，包括探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系、传感器的应用等。在这些实验的学习过程中，我们需要注意哪些问题呢？

一、实验原理

实验原理是实验设计的理论依据。比如“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”的原理是原线圈通过电流时，铁芯中产生磁场，由于交变电流的大小和方向都在不断变化，铁芯中的磁场也随之不断的变化，变化的磁场在副线圈中产生感应电动势，副线圈中就产生输出电压。再如“传感器的应用”的原理是传感器能够将感受到的物理量（力、温度、光、声等）转换成便于测量的量（一般是电压、电流等电学量），其工作过程如图1所示。

例1当夜幕降临时，路灯就会自动亮起，这是因为路灯上安装了（ ）。

A.温度传感器 B.红外线传感器

C.光敏传感器 D.声音传感器

解析：当夜幕降临时，路灯就会自动亮起，说明控制电路的是光敏元件，因此路灯上安装的是光敏传感器。选C。

例2湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身阻值发生变化这一原理制成的。当湿度增大时，湿敏电阻的阻值会减小。在室内设计如图2所示的电路，当周围环境的湿度增大时（ ）。

A.灯泡L变暗

B.电流表的示数变大

C.通过湿敏电阻的电流变大

D.电源的总功率变小

解析：当周围环境的湿度增大时，湿敏电阻的阻值会减小，因此电路总电阻减小，电路总电流增大，即电流表的示数变大，选项B 正确。因为通过电源的电流变大，电源内压变大，路端电压变小，即灯泡L 两端的电压减小，所以灯泡L 变暗，选项A 正确。因为电路总电流增大，灯泡L 两端电压减小使得通过灯泡L的电流减小，所以通过湿敏电阻的电流增大，选项C 正确。因为电源的总功率P=EI，电动势不变，电流变大，所以电源的总功率变大，选项D 错误。选ABC。

二、实验仪器的选择

没有实验仪器是不可能完成实验的，而实验仪器的选择必须根据实验原理和仪器的作用来完成。比如“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”所需实验仪器为：两只多用电表（两只交直流数字电压表）、学生电源（低压交流电源）、可拆变压器、开关、导线等。再如“传感器的应用”所需实验仪器为：热敏电阻、光敏电阻、多用电表、铁架台、烧杯、冷水、热水、小灯泡、学生电源、继电器、滑动变阻器、开关、导线等。

例3在“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验中，实验室中有下列器材可供选择：

A.可拆变压器（铁芯、两个已知匝数的线圈）

B.条形磁铁

C.直流电源

D.多用电表

E.开关、导线若干

（1）上述器材在本实验中不必用到的是_____（填器材前的序号）。

（2）本实验中还需用到的器材有_____。

解析：（1）变压器的原理是互感现象，是原线圈磁场的变化引起副线圈中产生感应电流。若原线圈中通的是直流电源，则副线圈中不会有感应电流产生，因此本实验不必用到的器材是条形磁铁和直流电源。选BC。

（2）要使变压器副线圈两端有电压，必须有交流电源，为使实验安全，本实验用到的电源是学生电源，且使用低压交流挡。因此还需用到的器材是学生电源（低压交流电源）。

例4某同学通过实验制作一个简易的温控装置，实验原理电路如图3 所示，继电器与热敏电阻RT、滑动变阻器R串联接在电源E两端，当继电器的电流超过15 mA时，衔铁被吸合，加热器停止加热，实现温控。继电器的电阻约为20Ω，热敏电阻RT的阻值与温度t的关系如表1所示。

表1

（1）实验室提供的实验器材有：电源E1（3V，内阻不计）、电源E2（6V，内阻不计）、滑动变阻器R1（0～200Ω）、滑动变阻器R2（0～500 Ω）、热敏电阻RT、继电器、电阻箱（0～999.9Ω）、开关S、导线若干。

为使该装置实现对30 ℃～80 ℃之间任一温度的控制，电源E应选用____（选填“E1”或“E2”），滑动变阻器R应选用____（选填“R1”或“R2”）。

（2）温控装置安装完成后，该同学发现电路不工作。为了排查电路故障，用多用电表测量各接点间的电压，则应将如图4 所示的选择开关旋至_____（选填“A”“B”“C”或“D”）。

（3）合上开关S，用调节好的多用电表进行排查。在图3中，若只有b、c间断路，则应发现表笔接入a、b时指针____，表笔接入a、c时指针____（均选填“偏转”或“不偏转”）。

解析：（1）若实现对30 ℃温度的控制，根据表1 中数据可知，当t=30 ℃时，RT=199.5Ω，继电器和RT两端的电压U=I（R继+RT）=0.015×（20+199.5）V=3.29V，因此电源E应选用E2。若实现对80 ℃温度的控制，根据表1 中数据可知，当t=80 ℃时，RT=49.1Ω，对全电路有U=I（R继+RT+R），即6 V=0.015 A×（20Ω+49.1Ω+R），解得R=330.9Ω，因此滑动变阻器R应选用R2。

（2）用多用电表测量直流电压时，选择开关应旋至C（直流电压挡）。

（3）当表笔接入a、b时，a、b间电压为0，指针不偏转。当表笔接入a、c时，多用电表与电源等构成回路，指针偏转。

三、实验步骤

选修《3-2》中的实验都是电学实验，大部分都要先根据实验原理设计电路，再根据电路图连接仪器，进行测量，然后对数据进行处理得出结论，最后整理仪器。比如“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”的实验步骤是：（1）按电路图连接好电路，将两个多用电表调到交流电压挡，并记录两个线圈的匝数；（2）打开学生电源，保持匝数不变多次改变输入电压，记录下每次的输入和输出两个电压值；（3）保持输入电压、原线圈的匝数不变，多次改变副线圈的匝数，记录下每次的副线圈匝数和对应的电压值；（4）保持副线圈的匝数和原线圈两端的电压不变，多次改变原线圈的匝数，记录下每次的原线圈匝数和对应的副线圈的电压值；（5）整理并分析记录的数据，从而得出“原、副线圈的电压比与原、副线圈的匝数比相等”的结论；（6）拆除装置，将器材按原样整理好。再如“传感器的应用”中探究热敏电阻特性的实验步骤是：（1）在烧杯内倒入少量冷水，放在铁架台上，将悬挂在铁架上的温度计放入水中；（2）将多用电表的选择开关置于欧姆挡，将两支表笔短接，调零后，将两支表笔分别与热敏电阻的两输出端相连；（3）将热敏电阻放入烧杯内水中，在欧姆挡上选择适当的倍率，重新调零，把两支表笔接到热敏电阻两输出端，观察表盘指示的热敏电阻的阻值和此时的温度，记入表格内；（4）分几次向烧杯内倒入开水，观察不同温度时热敏电阻的阻值，把温度及相应温度下的阻值记入表格内；（5）通过比较测得的数据，确定热敏电阻的阻值随温度变化的规律，得出“热敏电阻的阻值随温度的升高而减小”的结论；（6）将多用电表的选择开关置于OFF挡，拆除装置，将器材按原样整理好。探究光敏电阻特性的实验步骤是：（1）将多用电表的选择开关置于欧姆挡，选择适当的倍率，将两支表笔短接，调零；（2）把多用电表的两支表笔接到光敏电阻两输出端，观察表盘指示的光敏电阻的阻值，记录下来；（3）将手张开放在光敏电阻的上方，挡住部分照到光敏电阻上的光线，观察表盘指示的光敏电阻阻值的变化，记录下来；（4）上下移动手掌，观察表盘指示的光敏电阻阻值的变化，得出“光敏电阻的阻值随光照的增强而减小”的结论；（5）将多用电表的选择开关置于OFF 挡，拆除装置，将器材按原样整理好。

例5热敏电阻是传感电路中常用的电子元件，现用伏安法研究热敏电阻在不同温度下的伏安特性曲线，要求伏安特性曲线尽可能完整。已知常温下待测热敏电阻的阻值在4Ω～5Ω 之间，将热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中，杯内有一定量的冷水，其他备用的仪表和器具有：盛有热水的热水瓶（图中未画出）、电源（3V，内阻可忽略）、直流电流表（内阻约为1Ω）、直流电压表（内阻约为5kΩ）、滑动变阻器（0～20Ω）、开关、导线若干。

（1）画出实验电路图。

（2）根据电路图，在如图5所示的实物图上连线。

（3）简要写出完成实物图接线后的主要实验步骤。

解析：因为常温下待测热敏电阻的阻值（在4Ω～5Ω 之间）较小，所以应该选用电流表外接法；因为热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，热敏电阻两端的电压由零逐渐增大，所以滑动变阻器应该选用分压式接法。

（1）实验电路如图6所示。

（2）实物图连线如图7所示。

（3）完成实物图接线后的主要实验步骤是：①往保温杯里加一些热水，待温度计稳定时读出温度计的示数；②调节滑动变阻器接入电路的阻值，快速测出几组电压表和电流表的值；③重复步骤①和②，测量不同温度下的数据；④采用描点作图法，绘出各测量温度下的热敏电阻的伏安特性曲线。

例6如图8所示，一热敏电阻RT放在控温容器M内：A 为毫安表，量程为6mA，内阻为数十欧姆；E为直流电源，电动势约为3 V，内阻很小；R为电阻箱，最大阻值为999.9Ω；S为开关。已知热敏电阻RT在95℃时的阻值为150Ω，在20 ℃时的阻值约为550Ω。现要求在降温过程中测量在95 ℃～20 ℃之间的多个温度下热敏电阻RT的阻值。请完成下列实验步骤中的填空：①依照实验原理电路图安装实验仪器；②调节控温容器M内的温度，使得热敏电阻RT的温度为95℃；③将电阻箱调到适当的初始值，以保证仪器安全；④闭合开关S，调节电阻箱，记录电流表的示数I0和_____；⑤将热敏电阻RT的温度降为T1（20 ℃＜T1＜95 ℃），调节电阻箱，使得电流表的示数_____，记录_____；⑥温度为T1时热敏电阻的阻值RT1=_____；⑦逐步降低热敏电阻RT的温度，直至20℃为止，在每一温度下重复步骤⑤⑥。

解析：因为本实验中只有一个可以用来测量或观察的电流表，所以应该采用“替代法”思维考虑使用电流表，即保证电路的电阻不变，将热敏电阻、电阻箱和电流表串联形成测量电路。因为热敏电阻在95 ℃和20 ℃时的阻值是已知的，所以若热敏电阻的初始温度为95 ℃，则电流表示数不变时，电阻箱与热敏电阻的串联电路电阻保持150Ω 加电阻箱的初始值之和不变；若热敏电阻的初始温度为20 ℃，则电流表示数不变时，电阻箱与热敏电阻的串联电路电阻保持550Ω 加电阻箱的初始值之和不变。基于上述实验原理可以测量热敏电阻在任意温度下的阻值。

完整的实验步骤为：①依照实验原理电路图安装实验仪器；②调节控温容器M内的温度，使得热敏电阻RT的温度为95℃；③将电阻箱调到适当的初始值，以保证仪器安全；④闭合开关S，调节电阻箱，记录电流表的示数I0和电阻箱的初始值R0；⑤将热敏电阻RT的温度降为T1（20 ℃＜T1＜95 ℃），调节电阻箱，使得电流表的示数仍为I0，记录电阻箱的示数R1；⑥温度为T1时，热敏电阻的阻值RT1=150Ω+R0-R1；⑦逐步降低热敏电阻RT的温度，直至20℃为止，在每一温度下重复步骤⑤⑥。

四、数据处理

数据处理就是对实验中获得的大量的数据进行归纳分析，从而得出科学结论。处理数据可用算术平均值法、公式法、列表法、图解法等。比如“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验中，分别对得到的原、副线圈匝数和原、副线圈的电压进行计算和分析，从而得出“理想变压器原、副线圈的电压U1、U2之比等于原、副线圈的匝数n1、n2之比”的结论。再如“传感器的应用”中探究热敏电阻特性实验的数据处理方法是利用列表法和图解法找出RT与t的关系，从而得出“热敏电阻的阻值随温度的升高而减小”的结论；探究光敏电阻特性实验的数据处理方法是利用列表法，分析光照逐渐减弱后光敏电阻阻值的变化，从而得出“光敏电阻的阻值随光照的增强而减小”的结论。

例7（2018年高考全国Ⅰ卷）某实验小组利用如图9所示的电路探究在25 ℃～80 ℃范围内某热敏电阻的特性。所用器材有：置于温控室（图中虚线区域）中的热敏电阻RT，其标称值（25 ℃时的阻值）为900.0Ω；电源E（6 V，内阻可忽略）；电压表V（量程150mV）；定值电阻R0（阻值为20.0Ω），滑动变阻器R1（最大阻值为1000Ω）；电阻箱R2（阻值范围0～999.9Ω）；单刀开关S1，单刀双掷开关S2。

实验时，先按图9连接好电路，再将温控室中的温度t升至80.0 ℃。将S2与1端接通，闭合S1，调节R1的滑片位置，使电压表的读数为某一值U0；保持R1的滑片位置不变，将R2置于最大值，将S2与2端接通，调节R2，使电压表的读数仍为U0；断开S1，记下此时R2的读数。逐步降低温控室中的温度t，得到相应温度下R2的阻值，直至温度降到25.0 ℃。实验得到的R2和t的数据如表2所示。

表2

回答下列问题：

（1）在闭合S1前，图9中R1的滑片应移动到____（选填“a”或“b”）端。

（2）在图10的坐标纸上补齐表2中所给数据点，并作出R2-t曲线。

（3）由图10可得到RT在25 ℃～80 ℃范围内的特性。当t=44.0 ℃时，RT=_____Ω。

（4）将RT握于手心，手心温度下R2的相应读数如图11 所示，该读数为____Ω，则手心温度为____℃。

解析：图9 电路图中滑动变阻器采用的是限流式接法，在闭合S1前，R1应该调节到接入电路部分的电阻最大，使电路中的电流最小，即R1的滑片应移动到b端。

（2）将温度为60 ℃和70 ℃对 应的两组数据画在坐标图上，然后用平滑曲线过尽可能多的数据点画出R2-t曲线，如图12所示。

（3）根据题述实验过程可知，测量的R2数据等于对应的热敏电阻RT的阻值。由画出的R2-t图像可知，当t=44.0 ℃时，对应的RT=450Ω。

（4）由图11读出R2的示数为620.0Ω；由R2-t图像可知，当RT=620.0Ω 时，手心温度t=33.0 ℃。

例8（2017年浙江选考卷）为了完成“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验，必须要选用的是____（多选）。

A.有闭合铁芯的原、副线圈

B.无铁芯的原、副线圈

C.交流电源

D.直流电源

E.多用电表（交流电压挡）

F.多用电表（交流电流挡）

用匝数na=60和nb=120的变压器，实验测量数据如表3所示。

表3

根据测量数据可判断连接电源的线圈是匝数为____（选填“na”或“nb”）的线圈。

解析：若变压器原线圈中通的是直流电源，则副线圈中不会有感应电流产生，因此实验需要的是交流电源；要探究变压器线圈两端的电压和匝数的关系，需要测量电压，因此实验需要一个测电压的仪器。选ACE。根据表3中数据可知，电压比与匝数比不相等，因此该变压器为非理想变压器。考虑到变压器有漏磁、铁芯发热、导线发热等因素的影响，判断出Ub为原线圈两端的电压，即连接电源的线圈是匝数为nb的线圈。

五、误差分析

为了提高实验的准确度，我们要进行误差分析，并尽量减少误差。比如“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验过程中的误差来源主要是：（1）由于存在磁漏，使得通过原、副线圈的磁通量不严格相等，造成误差；（2）由于原、副线圈有电阻，使得原、副线圈中存在焦耳热损耗（铜损），造成误差；（3）由于铁芯中有磁损耗，使得产生涡流，造成误差。再如“传感器的应用”实验中的误差主要来源于温度计和欧姆表的读数等。

例9在“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验中，电源输出端与变压器线圈连接方式正确的是图13中的____（选填“甲”或“乙”）。变压器原、副线圈的匝数分别为120 和60，测得的电压分别为8.2 V 和3.6V，据此可知电压比与匝数比不相等，产生误差的原因是什么？

解析：变压器是靠电磁感应原理工作的，必须接交流，故连接方式正确的是图13中的乙。理想变压器原、副线圈两端的电压与匝数成正比，实际变压器原、副线圈两端电压与匝数不成正比的原因是存在磁漏、铁芯发热、导线发热等电能损失。

例10热电传感器利用了热敏电阻对温度变化响应很敏感的特性。某学习小组的同学拟探究某种类型的热敏电阻的阻值随温度的变化情况，从室温升到80 ℃时，所提供的热敏电阻RT的阻值变化范围可能是由5Ω 变到1Ω 或由5Ω 变到45Ω。除热敏电阻外，可供选用的器材如下：温度计（测温范围-10℃～100℃），电流表A1（量程3A，内阻rA=0.1Ω），电流表A2（量程0.6A，内阻约为0.2Ω），电压表V1（量程6A，内阻rV=1.5kΩ），电压表V2（量程3A，内阻约为1kΩ），标准电阻（阻值R1=100Ω），滑动变阻器R2（阻值范围0～5Ω），电源E（电动势3V，内阻不计），开关及导线若干。

（1）甲同学利用如图14所示的电路测量室温下热敏电阻的阻值，要使测量误差最小，应选下列_____组器材。

A.电流表A1和电压表V1

B.电流表A2和电压表V2

C.电流表A1和电压表V2

（2）在测量过程中，随着倒入烧杯中的开水增多，热敏电阻的温度升高到80 ℃时，甲同学发现电流表、电压表的示数几乎都不随滑动变阻器R2的阻值的变化而改变（电路保持安全、完好），这说明热敏电阻的阻值随温度升高而_____（选填“增大”或“减小”）。

解析：（1）因电源的电动势为3 V，故电压表选V2，又因热敏电阻的阻值在几欧姆到几十欧姆之间变化，故电路中的电流较小，为尽量减小误差，电流表选A2。选B。

（2）当调节滑动变阻器起不到改变电流的作用时，说明待测电阻较大，即热敏电阻的阻值随温度的升高而增大。

编后注：在电学实验的学习过程中，除需要注意上述五大方面的问题外，还需要在实验过程中采取一些行之有效的措施以保证实验的安全，减小实验误差。比如在“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验中：（1）要事先推测副线圈两端电压的可能值；（2）为了人身安全，只能使用低压交流电源，所用电压不要超过12 V，即使这样，通电时也一定不要用手接触裸露的导线、接线柱；（3）为了多用电表的安全，使用交流电压挡测电压时，应先用最大量程挡试测，大致确定被测电压后再选用适当的挡位进行测量；（4）连接电路后要先由同组的几位同学分别独立检查，再请老师确认，然后才能接通电源。再如在“传感器的应用”实验中：（1）在做探究热敏电阻特性的实验时，加开水后要等一会儿再测其阻值，以使电阻温度与水的温度相同，并同时读出水温；（2）在做探究光敏电阻特性的实验时，若实验效果不明显，则可将含光敏电阻部分电路放入带小孔的纸盒中，并通过盖上小孔改变光敏电阻受到的光照的强度；（3）欧姆表每次换挡后都要重新调零。