電學實驗方法指南
2008-12-31 00:00:00徐軍
物理教學探討 2008年20期
1 設計電學實驗原則
(1)安全性。每個電路元件上的電流、電壓、電功率不超過電路元件的額定值， 如：電源最大輸出電流不超過電源允許輸出的最大值，電壓表兩端所加最大電壓不超過電壓表的量程等。
(2)可行性。在實驗條件和所給電路元件范圍內(nèi)選擇滿足實驗要求的器材，使實驗原理完善，實驗過程盡可能簡便，結(jié)果盡可能準確，誤差盡可能小，使其實驗達到預期實驗目的。
(3)精確性。引起的誤差小，使用電流表和電壓表時指針應在最大刻度的一半以上，在測量金屬導體電阻時為減小溫度對電阻的影響，通過電阻絲的電流不宜過大，通電時間不宜過長，用萬用表測電阻時使指針在刻度盤的中央附近，測電阻時， 考慮電流表、電壓表內(nèi)阻的大小，選擇外接法、內(nèi)接法， 以提高實驗的精確性。
(4)方便性。操作方便簡單、讀數(shù)準確、數(shù)據(jù)處理簡單等， 考慮電路盡可能筒單，所需要電路元件少，消耗電能少等因素。
例1 從下表選出適當?shù)钠鞑模O計一個電路，來測量電流表A1的電阻r1 ，要求方法簡捷，有盡可能高的測量精度，并測得多組數(shù)據(jù)。
（1）畫出電路圖，標明所選用器材的符號。
器材規(guī)格
電流表A1電流表A2電壓表（V）電阻R1滑動變阻器（R2）電池（E）電鍵S，導線若干量程10mA， 內(nèi)阻r1 待測（約40Ω）量程500μA， 內(nèi)阻r2 =750Ω量程10V內(nèi)阻r3 = 10kΩ阻值約100Ω保護電阻總阻值約50Ω電動勢1.5V，內(nèi)阻很小
（2）若選測量數(shù)據(jù)中的一組來計算r1 ，所選用的表達式為r1=_________，式中各符號的物理定義是:_________________________。
答案：（1）如右圖所示。
（2）r1 = I2 r2/I1，其中I2 、I1為電流表A2 、A1的示數(shù)，r2為A2的內(nèi)阻。
點評 設計性實驗要求考生根據(jù)給出的實驗目的和器材，靈活運用所學的實驗方法、原理、技能，進行創(chuàng)造性的思維，設計出切實可行的實驗方案，關(guān)鍵在于對實驗原理的理解和把握，如何變成實際可行的操作過程。
2 電學實驗儀器的選擇
電學實驗儀器的選擇應考慮以下因素：
①安全因素。如：通過電源和電阻的電流不能超過其允許的最大值。
②誤差因素。如：選用電表量程應考慮盡可能減小測量的相對誤差，電壓表、電流表在使用
時，要盡可能使指針接近滿刻度的中間量程，其指針應偏轉(zhuǎn)到滿刻度的12～23之間，使用歐姆表時宜選用指針盡可能在中間刻度附近的倍率檔位。
③便于操作，如：選用滑動變阻器時應考慮對外供電電壓的變化范圍既能滿足實驗要求，又便于調(diào)節(jié)，滑動變阻器調(diào)節(jié)時， 應用到大部分電阻線，否則不便于操作。
例2 某電壓表的內(nèi)阻在20～50kΩ之間， 現(xiàn)要測量其內(nèi)阻。
實驗室提供下列可選用的器材：待測電壓表V(量程3V)， 電流測A1(量程200μA)， 電流表A2(量程5μA)， 電流表A3 (量程0.6A)，滑動變阻器(最大阻值1kΩ)， 電源E (電動勢4V)， 電鍵S。
(1)所提供的電流表中，應選用________ (填寫字母代號)。
(2)為了盡量減小誤差，要求測多組數(shù)據(jù)，試在圖中的方框中畫出符合要求的實驗電路圖，(其中電源和電鍵及其連線已畫出)。
解析 因為安培表和伏特表串聯(lián)在一起， 若滑動變阻器作為限流使用，電壓表的電壓超過其量程， 故應采用分壓連接。
通過估算發(fā)現(xiàn)，電流表A3量程過大，測量誤差大，不宜用。
答案：(1)A1 ; (2)如下圖所示。
點評 選擇儀器的一般步驟：根據(jù)實驗要求設計合理的實驗電路; 根據(jù)電路選擇滑動變阻器; 選定電源，選擇電壓表和電流表以及所用的量程。
3 電學實驗連線方法
連接實物圖的基本方法：(1)畫出實驗電路圖; (2)分析各元件連接方式，(3)明確電表量程；(4)畫線連接一般先從電源正極開始，到開關(guān)，再到滑動變阻器等，按順序?qū)⒅麟娐分幸?lián)的元件依次串聯(lián); 其次將要并聯(lián)元件再并聯(lián)到電路中去; 連接完畢，應進行檢查，檢查電路也應按照連線的方法和順序。
例3 如圖所示為用伏安法測量一個定值電阻阻值的實驗所需的器材實物圖，器材規(guī)格如下：
(1)待測電阻Rx ( 約100Ω)；
(2)直流毫安表(量程0～10mA、內(nèi)阻50Ω)
(3)直流電壓表(量程0～3V，內(nèi)阻5kΩ)；
(4)直流電源(輸出電壓4V，內(nèi)阻不計)；
(5)滑動變阻器(阻值范圍0～15Ω，允許最大電流1A)，
(6)電鍵1個，導線若干條
根據(jù)器材的規(guī)格和實驗要求，在本題的實物圖上連線。
解析 ∵RxRA=10050=2倍，又RVRx=5000100=50倍，∴電流表采用外接。
若采用限流式電路，當開始使用最大阻值時， 電路中的最小電流Imin=ERx+R+RA=4100+15+50A=0.024A=24mA，已超過電流表的量程，所以為保護器材，必須采用分壓電路，且開始時觸頭滑到最右端，使流過電流表的電流最小， 如右圖所示(電流表在外接;分壓式)，連線時應先連電源→開關(guān)→滑動變阻器兩端。
點評 動手操作是實驗的主體，如滑動變阻器的分壓接法，有的學生畫電路圖頭頭是道，在實物連接時卻束手無策，高考中的電路實物連線題，考生答題錯誤率很高，說明考生實際操作能力較差，需要認真訓練。
同步訓練：
1. 如圖甲所示，為某同學測繪額定電壓為2.5V的小燈泡的I-U 特性曲線的實驗電路圖。
（1）根據(jù)電路圖甲所示， 將圖乙中的實驗電路連接完整。
（2）開關(guān)S閉合前，圖乙中滑動變阻器的滑片P應該置于______端。（選填“A”、“B”或“AB中間”）。
（3）實驗中測得有關(guān)數(shù)據(jù)如下表：
U/V0.400.801.201.602.002.402.80
I/A0.100.160.200.230.250.260.27
根據(jù)表中的實驗數(shù)據(jù)，在圖丙中畫出小燈泡的I-U 特性曲線。
（4）若已知小燈泡燈絲在27℃時電阻值約為1.5Ω， 并且其電阻值與燈絲的熱力學溫度成正比， 試估算該燈泡以額定功率工作時燈絲的溫度約為℃。
2．如圖所示是測定表頭內(nèi)阻的電路，電源內(nèi)
阻不計，當電阻箱的電阻調(diào)到1200Ω時，電流表指針偏轉(zhuǎn)到滿刻度，再把電阻箱的電阻調(diào)到3000Ω時，電流表指針剛好指到滿刻度的一半。
（1）根據(jù)上述數(shù)據(jù)可求出電流表的內(nèi)阻為_______Ω。
（2）若這個電流表的滿刻度值是750μA，要把它改裝成量程為3V的電壓表，應串聯(lián)一個電阻值為_______Ω的分壓電阻。
（3）為了校準改裝成的電壓表V，給你一個標準電壓表V0，一個4.5V的電池組E，一個最大阻值為1kΩ 的滑動變阻器R，開關(guān)S及若干導線， 請在方框中畫出符合要求的電路圖。
3. 檢測一個標稱值為5Ω的滑動變阻器，可供使用的器材如下：
待測滑動變阻器Rx，全電阻約5Ω(電阻絲繞制緊密，匝數(shù)清晰可數(shù))，
電流表A1（量程0.6A，內(nèi)阻約0.6Ω），
電流表A2（量程3A， 內(nèi)阻約0.12Ω），
電壓表V1（量程15V， 內(nèi)阻約15kΩ），
電壓表V2（量程3V， 內(nèi)阻約3kΩ ），
滑動變阻器 R（全電阻約20Ω），
直流電源E（電動勢3V，內(nèi)阻不計），
游標卡尺， 毫米刻度尺， 電鍵S， 導線若干。
（1）用伏安法測定Rx的全電阻值，所選電流表為______ (填“A1”或“A2”)，所選電壓表為____ (填“V1”或“V2”)。
（2）畫出測量電路的原理圖，并根據(jù)所畫原理圖將圖中實物連接成測量電路。
（3）為了進一步測量待測滑動變阻器電阻絲的電阻率，需要測量電阻絲的直徑和總長度， 在不破壞變阻器的前提下，請設計一個實驗方案，寫出所需器材及操作步驟，并給出直徑和總長度的表達式。
4. 有一根固定在直尺上的均勻電阻絲(總阻值小于5Ω)，兩端各有一個固定的接線柱a和b， 直尺中間有一個可沿直尺滑動的觸頭c， c的上端為接線柱，與電阻絲通常不接觸，當用手按下時，才與電阻絲接觸，且可在直尺上讀出觸點的位置，現(xiàn)給你如下器材，要求測量該電阻絲的電阻率。
A．電壓表0～3V， 內(nèi)電阻約30kΩ；
B．電流表0～0.6A， 內(nèi)電阻約0.5Ω；
C．電池組：電動勢6V， 內(nèi)電阻很小；
D．保護電阻R0；E．電鍵；
F．螺旋測微器； G．連接用導線若干。
（1）用螺旋測微器測量電阻絲的直徑，其刻度位置如圖1所示，讀數(shù)為_________mm。
（2）試將下圖2中提供的器材連成實驗電路，要求：避免由于電流的熱效應而使電阻絲的電阻率隨電流的變化而發(fā)生變化；能進行多次測量。
（3）通過改變滑動觸頭c的位置，分別測量出了五組與長度L對應的電壓U的數(shù)據(jù)(電流表示數(shù)保持在0.50A不變)，并已描在坐標紙上，如圖3所示。根據(jù)描繪出的圖線結(jié)合有關(guān)數(shù)據(jù)， 計算該電阻絲的電阻率ρ＝_______Ω#8226;m(保留兩位有效數(shù)字)
5. 某同學家里有一臺電動自行車， 使用了三年后發(fā)現(xiàn)動力不足，有時甚至不能啟動， 維修人員給換了一組新蓄電池后，自行車動力恢復如初，回到家里該同學用多用電表測出新、舊蓄電池的電動勢相同，為什么用舊蓄電池動力不足，甚至不能啟動，是不是由于舊電池的內(nèi)阻過大? 該同學想通過實驗測定舊蓄電池的內(nèi)阻。
（1）該同學準備了如下器材：電流表、電壓表、滑動變阻器、開關(guān)、導線若干．請你利用這些器材幫助該同學設計一個測量蓄電池內(nèi)阻的電路， 將電路圖畫在下邊的方框內(nèi)。
（2）該同學通過實驗測得的數(shù)據(jù)填入下表。
電流(A)0.81.52.02.53.0
電壓(V)34.535.031.931.230.0
請你根據(jù)表中的數(shù)據(jù)在下面直角坐標中完成U - I圖像， 并計算出電池的電動勢E =______V，內(nèi)阻r =_______Ω。
（3）該找出電動自行車的說明書，得知主要電器參數(shù)如下表。
額定輸出功率電池容量額定電壓欠壓保護電壓
180W～240W12Ah36V31.5 V
(注：當蓄電池電壓低于欠壓保護電壓時，電路自動保護，電動自行車將不能啟動)
該電動自行車正常工作電流范圍是________A，若電動自行車的啟動電流等于正常工作電流的最小值，請你幫助牽軍分析電動自行車為什么會出現(xiàn)不能啟動現(xiàn)象。
答：______________________________。
6. 物理研究小組為探究熱敏電阻特性而進行了如下實驗， 將熱敏電阻放入帶有溫水的燒杯中， 他們分若干次向燒杯中倒入開水，觀察不同溫度下熱敏電阻的阻值，并把各次的溫度值和對應的熱敏電阻的阻值記錄在表中。
（1）將表格中的實驗數(shù)據(jù)在給定的坐標紙上描繪出熱敏電阻的阻值R 隨溫度t 變化的圖象， 并說明該熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而________. (填“增大”或“減小”)
測量次數(shù)t/℃R/KΩ測量次數(shù)t/℃R/KΩ
12010.02258.5
3356.54455.0
5554.06653.3
7752.88852.3
9952.0
（2）他們用該熱敏電阻作為溫度傳感器設計了一個溫度控制電路，如圖所示，請在虛線方框中正確畫出斯密特觸發(fā)器，圖中二極管的作用是_________________。
（3）當加在斯密特觸發(fā)器輸入端的電壓逐漸上升到某個值(1.6V)時，輸出端電壓會突然從高電平跳到低電平，而當輸入端的電壓下降到另一個值(0.8V)時，輸出端電壓會從低電平跳到高電平，從而實現(xiàn)溫度控制．已知可變電阻R1 =12.6kΩ，則溫度可控制在______℃ 到______℃之間(結(jié)果保留整數(shù)，不考慮斯密特觸發(fā)器的分流影響)。
同步訓練答案：
1. ⑴ 如答圖乙所示； ⑵ A;⑶如答圖丙所示； ⑷ 1647℃（1600℃～1700℃都正確）
2. (1)600 ;
(2)3400;
(3)電路圖如右圖所示。
3. （1）A1; V2; (2）原理圖、實物連線如圖所示;
(3) 需要的器材：游標卡尺、毫米刻度尺。
主要操作步驟： ①數(shù)出變阻器線圈纏繞匝數(shù)n;②用毫米刻度尺(也可以用游標卡尺)測量 所有線圈的排列長度L，可得電阻絲的直徑為 d =L/n; ③用游標卡尺測量變阻器線圈部分的外徑D，可得電阻絲總長度l=2nπ(D2-d2)=nπ(D-Ln); ④重復測量三次，求出電阻絲直徑和總長度的平均值。
4.(1) 1.980；(2) 實驗電路如圖甲；(3)ρ=1.2×10-5Ω#8226;m。
5.（1）電路圖如圖甲所示。（2）U - I圖像如圖乙所示， E =36V，r＝2Ω。
（3） 5.0A～6.7A; 該電動自行車啟動時蓄電池提供的路端電壓26V，小于欠壓保護電壓31.5V，欠壓保護電路工作，電動自行車不能啟動。
6.(1)減小; 阻值R隨溫度t變化的圖像如圖甲。
(2) 畫出斯密特觸發(fā)器如圖乙．二極管的作用是為了防止電磁繼電器釋放銜鐵時線圈中的自感電動勢損壞集成電路，二極管提供自感電流的通路．(3)38℃;82℃
