以原理為支點，輕松撬動電學實驗

■甘肅省天水市二中

丁 震

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以原理為支點，輕松撬動電學實驗

■甘肅省天水市二中

丁 震

高二物理中的電學實驗頗多，如電表的改裝、半偏法測量電表的內阻、用伏安法描繪小燈泡的伏安特性曲線、測量金屬絲的電阻率、測定電源的電動勢和內阻、練習使用多用電表等。同學們若想熟練掌握實驗內容，則需從實驗原理入手，提綱挈領地進行實驗的復習。

一、以串聯和并聯為原理的實驗

1．電流表改裝的實驗原理。

圖1

例1 有一個電流表G，內阻Rg=25 Ω，滿偏電流Ig=3 mA，要把它改裝成量程為0～0.6 A的電流表，求分流電阻R和放大倍數n。

2．電壓表改裝的實驗原理。

圖2

例2 有一個電流表G，內阻Rg=10 Ω，滿偏電流Ig=3 mA，要把它改裝成量程為0～3 V的電壓表，求分壓電阻R和放大倍數n。

3．多用電表具有多個擋位的原理。

圖3

多用電表共用一個表頭，電流表、電壓表和歐姆表都是由靈敏電流計改裝而成的。多用電表的內部電路如圖3所示。

(1)開關S與1、2相連時，是多用電表的電流擋。并聯分流電阻越小，電流表的量程越大。

(2)開關S與5、6相連時，是多用電表的電壓擋。串聯分壓電阻越大，電壓表的量程越大。

(3)開關S與3、4相連時，是多用電表的歐姆擋。

4．半偏法測量電表內阻的實驗原理。

(1)用串聯分壓原理測量電壓表的內阻。

圖4

如圖4所示，電壓表V的內阻RV待測，所用儀器有電源E、滑動變阻器R(采用分壓式)、電阻箱R1(與電壓表串聯)、開關S。必須滿足的條件是R?R1。

實驗過程：先把滑動變阻器的滑片滑到最右端，閉合開關S，調節電阻箱的阻值使之為零，然后向左移動滑片，使電壓表V的指針剛好達到滿偏。再將電阻箱的阻值逐漸變大，使電壓表的指針恰好指到滿刻度的一半處，即半偏位置，這時電阻箱的阻值就是待測電壓表內阻的測量值。

注意：采用這種方法測出的電壓表內阻的測量值大于真實值。

例3 一只量程為1 V，內阻RV約為900 Ω的電壓表是由小量程電流表改裝而成的，現在要測量它的內阻。實驗室提供了以下器材：

A.待測電壓表；

B.標準電壓表(量程為1 V)；

C.滑動變阻器(最大阻值為1 000 Ω，額定電流為1 A)；

D.滑動變阻器(最大阻值為10 Ω，額定電流為1 A)；

E.電阻箱(最大阻值為999.9 Ω，阻值最小改變量為0.1 Ω)；

F.電阻箱(最大阻值為99.9 Ω，阻值最小改變量為0.1 Ω)；

G.電池組(電動勢為3 V，內阻約為1 Ω)。

另外有導線和開關若干。

為了用半偏法測量該電壓表的內阻，某同學設計了兩種電路，如圖5所示，要使測量較精確，應選擇____電路。除電池組、導線、開關和待測電壓表外，還應從提供的器材中選用____(用器材前的序號字母表示)。用上述方法測出的電壓表內阻的測量值RV____(選填“大于”“等于”或“小于”)電壓表內阻的真實值。

圖5

解析：甲圖適合測量電流表的內阻，乙圖適合測量電壓表的內阻。除電池組、導線、開關和待測電壓表外，還應從提供的器材中選用一個滑動變阻器和一個變阻箱。因為滑動變阻器采用分壓式，所以應該選滑動變阻器D；電阻箱應該選擇和電壓表內阻相當的電阻箱E。因為電阻箱與待測電壓表串聯，與滑動變阻器的一部分并聯，當電壓表在半偏位置時，電阻箱分擔的電壓比半偏值略大，所以用上述方法測出的電壓表內阻的測量值RV大于電壓表內阻的真實值。

(2)用并聯分流原理測量電流表的內阻。

圖6

如圖6所示，電流表A的內阻RA待測，所用儀器有電源E、滑動變阻器R(采用限流式)、電阻箱R1(與電流表并聯)、兩個開關S1(串聯在干路中)、S2(與電阻箱串聯)。必須滿足的條件是R1?R。

實驗過程：先把滑動變阻器的滑片滑到最左端，閉合開關S1，向右移動滑片，使電流表A的指針剛好達到滿偏。再閉合開關S2，緩慢調節電阻箱的阻值，使電流表的指針恰好指到滿刻度的一半處，即半偏位置，這時電阻箱的阻值就是待測電流表內阻的測量值。

注意：采用這種方法測出的電流表內阻的測量值小于真實值。

二、以歐姆定律為原理的實驗

1．以歐姆定律為原理的三大基本實驗。

(1)描繪小燈泡的伏安特性曲線。因為小燈泡的電阻很小，所以應該采用電流表外接法；同時要求描繪小燈泡的伏安特性曲線，電壓和電流的取值范圍應該盡可能大，所以滑動變阻器要用分壓式。

(2)測量金屬絲的電阻率。因為金屬絲的電阻都不大，所以應該采用電流表外接法；因為要求電壓和電流的取值范圍越大越好，所以滑動變阻器應該采用分壓式。

(3)測定電源的電動勢和內阻。電流表采用內接法比采用外接法造成的誤差更小；為了減小電能損耗，滑動變阻器應該采用限流式。

圖7

例4 小燈泡燈絲的電阻會隨溫度的升高而增大。某同學為研究這一現象，所用的實驗器材有：電壓表V、電流表A、滑動變阻器(0～10 Ω)、電源、小燈泡、開關，以及導線若干。利用這些器材設計實驗電路并進行實驗，將得到的實驗數據通過描點的方式記錄在如圖7所示的I-U坐標系中(I和U分別表示小燈泡上的電流和電壓)。

(1)請畫出實驗電路圖。

(2)讀出圖8中的電壓表和電流表的示數，并將該組數據標注在圖7的I-U坐標系中，然后畫出小燈泡的I-U曲線。

解析：(1)在描繪小燈泡的伏安特性曲線的實驗中，滑動變阻器采用分壓式，電流表采用外接法，因此實驗電路圖如圖9所示。

圖8 圖9

圖10

(2)電壓表的讀數是0.80 V,電流表的讀數是0.360 A。把這個點描在坐標紙上，然后根據圖中的點，描出平滑的曲線，如圖10所示。

2．歐姆表的工作原理。

圖11

3．歐姆表換擋必須重新調零的道理。

圖12

例5 歐姆表的刻度盤如圖12所示，因表頭損壞，需要換一個新表頭，現有甲、乙兩個新表頭。甲表頭的滿偏電流為原表頭的2倍，內阻與原表頭相同；乙表頭的滿偏電流與原表頭相同，內阻為原表頭的2倍。則換用甲表頭和乙表頭后，刻度盤的中值電阻分別為( )。

A．100 Ω，100 Ω B．200 Ω，100 Ω

C．50 Ω，100 Ω D．100 Ω，200 Ω

(責任編輯 張 巧)