電學實驗全攻略

張 巧 李樹祥(特級教師)

電學實驗是歷年高考的必考內容,同時也是高考的一個難點,為了提高電學實驗得分率,我們在學習它的過程中應掌握哪些要點呢?

1 基本儀器的使用

電學實驗涉及的儀器主要有電流表、電壓表、滑動變阻器、電阻箱、多用電表及測量金屬電阻率所用的刻度尺和游標卡尺或螺旋測微器．對這些儀器，要了解它們的構造、原理、用途,掌握儀器的量程、使用方法和使用規則,達到熟練操作、正確讀數．在讀數時要做好以下幾點:1)注意儀器的量程;2)注意每小格表示的數值和單位;3)掌握需要估讀的實驗儀器的讀數基本規則,即最小刻度是“1”的儀器,要求讀到最小刻度后再往下估讀一位;凡儀器最小刻度是“2”和“5”的,只要求讀到最小刻度所在的這一位,不再往下估讀．最小刻度是“2”的儀器需進行二分之一估讀,最小刻度是“5”的儀器需進行五分之一估讀．4)游標卡尺和歐姆表不估讀．

圖1

(1)根據圖1畫出實驗電路圖.

(2)調節滑動變阻器得到了兩組電流表與電壓表的示數如圖2中的①、②、③、④所示,電流表量程為0.6A,電壓表量程為3V．

圖2

所示讀數為:①____, ②______, ③______, ④______．兩組數據得到的電阻分別為________和________．

圖3

(2)電流表的量程為0.6A,所以每小格表示的分度值為0.02A,故①的讀數為0.10A, ②的讀數為0.24A.電壓表的量程為3V,則每一小格表示0.1V,所以③的示數為2.00V, ④的示數為0.27V．

2 實驗器材的選擇

選擇電學實驗儀器主要是選擇電表、滑動變阻器、電源等器件,選擇時應考慮以下幾點:1)首先確定實驗條件,然后按電源—電壓表—電流表—變阻器順序依次選擇．2)電源的選擇:在不超過待測器材所允許的最大電壓值的情況下,選擇電動勢較大的電源(以獲得更多的測量數據)．在相同電動勢情況下,通常選擇內電阻較小的電源(以獲得較穩定的路端電壓)．3)電壓表和電流表的量程選擇:首先,保證流過電流表的電流和加在電壓表兩端的電壓均不超過量程．然后合理選擇量程,量程越接近測量值越好,使指針有較大偏轉(一般取滿偏的2/3 左右),以減少測量和讀數的誤差．4)變阻器的選擇:所選用的變阻器的額定電流應大于電路中通過變阻器的最大電流,以確保變阻器的安全;為滿足實驗中電流變化的需要和調節的方便,在分壓式接法中,應選用電阻較小而額定電流較大的變阻器,而在限流式接法中,變阻器的阻值不能太小．

A. 電壓表 (量程0～1 V,內阻約為10 kΩ)

B. 電壓表(量程0～10 V,內阻約100 kΩ)

C. 電流表(量程0～1 mA，內阻約為30 Ω)

D. 電流表(量程0～0.6 A,內阻約為0.05 Ω)

E. 電源(電動勢1.5 V,額定電流0.5 A,內阻不計)

F. 電源(電動勢12 V,額定電流2 A,內阻不計)

G. 滑動變阻器R(阻值范圍0～10 Ω,額定電流2 A)

(1) 為使測量盡量準確,電壓表選用________,電流表選用________,電源選用________(均填器材的字母代號)．

(2) 畫出測量Rx阻值的實驗電路圖．

(3) 該同學選擇器材、連接電路和操作均正確,從實驗原理上看,待測電阻測量值會________其真實值(填“大于”“小于”或“等于”),原因是________．

圖4

3 電路設計

電路設計需要注意的是限流式電路、分壓式電路和電流表內接法與外接法的選擇．兩種電路的選取原則是:

1) 要求負載上電壓或電流變化范圍大,且從零開始連續可調,須用分壓式接法．

2) 負載電阻Rx遠大于滑動變阻器總電阻R時,須用分壓式接法,此時若采用限流式接法對電路基本起不到調節作用．

3) 采用限流電路時,電路中的最小電流(電壓)仍超過電流表的量程或超過用電器的額定電流(電壓)時,應采用變阻器的分壓式接法．

4) 負載電阻的阻值Rx小于滑動變阻器的總電阻R或相差不大,并且電壓表、電流表示數變化不要求從零開始起調,可用限流式接法．兩種電路均可使用時應優先選用限流式接法,因為限流電路結構簡單,總功率較小．

小明采用伏安法測量電線電阻,正確連接電路后,調節滑動變阻器,電流表的示數從0開始增加,當示數為0.5A時,電壓表示數如圖5所示,讀數為________V,根據小明測量的信息,圖6中P點應該________(填“接a”“接b” “接c”或“不接”) ，Q點應該________(填“接a”“接b”“接c”或“不接”),小明測得的電線長度為________m．

圖5 圖6

4 實驗步驟

電學實驗步驟一般如下：根據實驗原理選取實驗器材,設計電路,實物連線,開關合上前調節可變電阻使電路中電流最小,改變電路電阻進行測量(一般是多次測量),記錄數據,整理并分析數據得出結論,整理器材．當然,不同實驗的步驟也有所不同,這就要求我們要到實驗室去,認認真真地做一次實驗,提升自己的動手能力．

圖7

(1)完成下列實驗步驟:

① 閉合開關前,調節滑動變阻器的滑片,______;

② 閉合開關后,逐漸移動變阻器的滑片,______;

③ 斷開開關……根據實驗數據在方格紙上作出小燈泡燈絲的伏安特性曲線．

(2) 畫出與實物電路相對應的電路圖．

圖8

② 因為是描繪伏安特性曲線,需要電壓從0開始,并要有適當多的測量數據,這樣才能使描繪較為準確,故答案為“增加小燈泡兩端的電壓,記錄電流表和電壓表的多組讀數,直至電壓達到額定電壓”．

(2)電路圖如圖8所示.

5 實物連接

連接實物電路時要依據電路圖進行連接,一般原則是從頭到尾,順藤摸瓜,先串后并,電壓表最后畫．具體如下:

1)先畫實驗電路原理圖,再按原理圖連接實物圖．

2)由題給條件進行估算,確定電表在電路中使用的量程．

3)根據題給條件判斷電流表是內接還是外接．

4)根據題給條件確定變阻器的接法(是限流接法還是分壓接法),目的是調節滑動變阻器時電流表和電壓表示數變化明顯．

5)遵循先串后并的原則．一般先從電源正極出發,到開關,再到滑動變阻器等,按順序依單線連接方式將主電路中要串聯的元件串聯起來,再將要并聯的元件并聯到電路中去,最后回到電源的負極．變阻器限流接法開始時阻值最大,分壓接法開始時變阻器輸出端的阻值最小,同時注意分清電表的正負極．

6)各線頭必須接在接線柱上．

7)連接完畢,應進行檢查.檢查電路也應該按照連線的方法和順序.

供選擇的儀器如下:

③ 定值電阻R1(300Ω),

④ 定值電阻R2(10Ω),

⑤ 滑動變阻器R3(0～1 000Ω),

⑥ 滑動變阻器R4(0～20Ω),

⑦ 干電池(1.5V),

⑧ 開關S及導線若干．

(1) 定值電阻應選________,滑動變阻器應選________(在空格內填寫序號)．

(2) 把圖10實物用連線連接．

圖9 圖10

(3) 補全實驗步驟:

① 按電路圖連接電路,________;

③ ____________________________;

圖11

④ 以I2為縱坐標,I1為橫坐標,作出相應圖線,如圖11所示．

(4) 根據I2-I1圖線的斜率k及定值電阻,寫出待測電流表內阻的表達式________．

圖12

(2) 直接根據電路圖連接實物圖,先將電源的負極連接到滑動變阻器的繞線右下角的接線柱上,然后將左下角的接線柱與開關左端相連,將開關右端與電源正極相連,這樣形成主干路,然后再連接支路,注意電表的正負極．實物連線圖如圖12.

6 數據處理

電學實驗涉及的數據處理主要方法是圖象法和結合實驗原理列表達式進行計算,即公式法．應用圖象法處理實驗數據應看清圖象坐標軸表示的物理量,弄清橫、縱截距和圖象斜率的物理意義．應用公式法處理實驗數據時,應先理順實驗原理，結合試題提供的條件進行推理,分析運算得出物理表達式．

圖13

(2) 保持S1閉合,斷開S2,多次改變R1的阻值,并記錄電流表的相應示數．若某次R1的示數如圖14所示,則此次R1的阻值為________Ω;

圖14 圖15

(2) 電阻箱R1的讀數為148.2 Ω.

7 誤差分析

誤差有系統誤差和偶然誤差．涉及電表的系統誤差主要有電流表內接時,電流表的分壓會使測量值偏大;電流表外接時,電壓表的分流會使測量值偏小．系統誤差是可以通過改進實驗方法來消除的．如電流表的內阻確定,用電流表的內接法,就可以消除電流表的分壓帶來的系統誤差;如電壓表的內阻確定,用電流表的外接法,可以消除電壓表分流所帶來的系統誤差．偶然誤差主要是讀數時估讀所帶來的誤差,這類誤差只能通過多次測量取平均值來減小,不能消除．

② 根據圖16,用筆畫線代替導線將圖17連接成完整電路.

圖16 圖17

③ 某次實驗的數據如表1所示.

表1

該小組借鑒“研究勻變速直線運動”實驗中計算加速度的方法(逐差法),計算出電池組的內阻r=________Ω(保留兩位小數);為減小偶然誤差,逐差法在數據處理方面體現出的主要優點是________．

④ 該小組在前面實驗的基礎上,為探究圖16電路中各元器件的實際阻值對測量結果的影響,用一已知電動勢和內阻的標準電池組,通過上述方法多次測量后發現:電動勢的測量值與已知值幾乎相同,但內阻的測量值總是偏大．若測量過程無誤,則內阻測量值總是偏大的原因是________．(填選項前的字母)

A. 電壓表內阻的影響

B. 滑動變阻器的最大阻值偏小

C. R1的實際阻值比計算值偏小

D. R0的實際阻值比標稱值偏大

圖18

② 連線圖如圖18.

采用第1與第5次數據時

采用第2與第6次數據時

采用第3與第7次數據時

采用第4與第8次數據時

逐差法在數據處理方面體現出的主要優點是充分利用取得的數據．

④ 由閉合電路歐姆定律E=U+I(R0+r)可知,由于電壓表內阻的影響,導致通過電源的電流比測量值偏大,故內阻測量值總是偏小,選項A錯誤;滑動變阻器的阻值不會影響內阻r的測量結果,選項B錯誤;電表改裝時,R1的實際阻值比計算值偏小,可導致通過表頭的電流偏小,電流表讀數偏小,故內阻測量值總是偏大,故選項C正確;由E=U+I(R0+r)知,R的實際阻值比標稱值偏大,可導致內阻測量值總是偏大,故選項D正確．

8 故障分析

常見的電路故障如下:

1)閉合開關時燈泡不亮,電流表和電壓表無示數,可能原因是滑動變阻器損壞或者接線柱接觸不良,或出現了斷路．

2)電流表與電壓表的指針偏轉角度很小,可能原因是電流表與電壓表的量程選擇過大或者電源電壓過低．

3)電表的指針超過最大刻度,可能原因是電表量程選擇過小或電路中出現短路．

4)滑動變阻器的滑動觸頭滑動時,電表示數及燈泡的亮度不變,可能是滑動變阻器連接錯誤,沒有遵循“一上一下”的接線原則,同時接在了上面或者下面兩個接線柱上．

圖19 圖20

(1) 斷開開關,紅表筆接a點時多用表指示如圖20所示,讀數為________V,說明________正常(填“蓄電池”“保險絲”“開關”“小燈”)．

(2) 紅表筆接b點,斷開開關時,表針不偏轉,閉合開關后,多用表指示仍然和圖20相同,可判斷發生故障的器件是________．(填“蓄電池”“保險絲”“開關”“小燈”)

(2) 兩表筆接b、c之間,并閉合開關,測試電壓相同,說明a、b之間是通路,b、c之間是斷路,所以故障器件是小燈．

9 注意事項

為了實驗的順利進行,避免實驗出現差錯并盡量減少實驗中的誤差,每個實驗都有應該注意的事項,如使用彈簧測力計、電流表、電壓表、歐姆表等儀器時要先調零;電磁打點計時器使用4～6 V的交流電,電火花打點計時器使用220 V的交流電;使用多用電表的歐姆擋測電阻時,待測電阻不能與別的元件或電源相連,兩手不能接觸表筆的金屬部分,更換量程后要重新調零;用電流表和電壓表測定電池的電動勢和內電阻時,不能將電流調得過大,且讀電表要快;在“測定金屬的電阻率”實驗中,測電阻時電流不能過大,通電時間不能過長，等等．

(1)(多選題)用多用電表測電流或電阻的過程中________.

A. 在測量電阻時,更換倍率后必須重新進行調零

B. 在測量電流時,更換量程后必須重新進行調零

C. 在測量未知電阻時,必須先選擇倍率最大擋進行試測

D. 在測量未知電流時,必須先選擇電流最大量程進行試測

(2) 測量時多用電表指針指在如圖21所示位置．若選擇開關處于“10V”擋,其讀數為________V;若選擇開關處于“×10”擋,其讀數________200Ω(填“大于”“等于”或“小于”)．

圖21

(2)若選擇開關處于“10V”擋,則電表的最小刻度為0.2V,此時讀數為5.4V;若選擇開關處于“×10”擋, 此時指針指示位置約指在“10”和“30”的中間位置,因為歐姆表的刻度特點是右邊稀左邊密,所以讀數應該小于200Ω．