電學(xué)實驗全攻略

張 巧 李樹祥(特級教師)

電學(xué)實驗是歷年高考的必考內(nèi)容,同時也是高考的一個難點,為了提高電學(xué)實驗得分率,我們在學(xué)習(xí)它的過程中應(yīng)掌握哪些要點呢?

1 基本儀器的使用

電學(xué)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(gòu)造、原理、用途,掌握儀器的量程、使用方法和使用規(guī)則,達到熟練操作、正確讀數(shù)．在讀數(shù)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(shù)值和單位;3)掌握需要估讀的實驗儀器的讀數(shù)基本規(guī)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(jù)圖1畫出實驗電路圖.

(2)調(diào)節(jié)滑動變阻器得到了兩組電流表與電壓表的示數(shù)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(shù)為:①____, ②______, ③______, ④______．兩組數(shù)據(jù)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(shù)為0.10A, ②的讀數(shù)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(shù)為2.00V, ④的示數(shù)為0.27V．

2 實驗器材的選擇

選擇電學(xué)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(yīng)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(shù)據(jù))．在相同電動勢情況下,通常選擇內(nèi)電阻較小的電源(以獲得較穩(wěn)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(zhuǎn)(一般取滿偏的2/3 左右),以減少測量和讀數(shù)的誤差．4)變阻器的選擇:所選用的變阻器的額定電流應(yīng)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(diào)節(jié)的方便,在分壓式接法中,應(yīng)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(nèi)阻約為10 kΩ)

B. 電壓表(量程0～10 V,內(nèi)阻約100 kΩ)

C. 電流表(量程0～1 mA，內(nèi)阻約為30 Ω)

D. 電流表(量程0～0.6 A,內(nèi)阻約為0.05 Ω)

E. 電源(電動勢1.5 V,額定電流0.5 A,內(nèi)阻不計)

F. 電源(電動勢12 V,額定電流2 A,內(nèi)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(xué)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(shè)計

電路設(shè)計需要注意的是限流式電路、分壓式電路和電流表內(nèi)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(xù)可調(diào),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(diào)節(jié)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(yīng)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(shù)變化不要求從零開始起調(diào),可用限流式接法．兩種電路均可使用時應(yīng)優(yōu)先選用限流式接法,因為限流電路結(jié)構(gòu)簡單,總功率較?。?/p>

小明采用伏安法測量電線電阻,正確連接電路后,調(diào)節(jié)滑動變阻器,電流表的示數(shù)從0開始增加,當(dāng)示數(shù)為0.5A時,電壓表示數(shù)如圖5所示,讀數(shù)為________V,根據(jù)小明測量的信息,圖6中P點應(yīng)該________(填“接a”“接b” “接c”或“不接”) ，Q點應(yīng)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(xué)實驗步驟一般如下：根據(jù)實驗原理選取實驗器材,設(shè)計電路,實物連線,開關(guān)合上前調(diào)節(jié)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(shù)據(jù),整理并分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論,整理器材．當(dāng)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(guān)前,調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片,______;

② 閉合開關(guān)后,逐漸移動變阻器的滑片,______;

③ 斷開開關(guān)……根據(jù)實驗數(shù)據(jù)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(yīng)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(dāng)多的測量數(shù)據(jù),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(shù),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(jù)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(jù)題給條件判斷電流表是內(nèi)接還是外接．

4)根據(jù)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(diào)節(jié)滑動變阻器時電流表和電壓表示數(shù)變化明顯．

5)遵循先串后并的原則．一般先從電源正極出發(fā),到開關(guān),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(lián)的元件串聯(lián)起來,再將要并聯(lián)的元件并聯(lián)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(yīng)進行檢查.檢查電路也應(yīng)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(guān)S及導(dǎo)線若干．

(1) 定值電阻應(yīng)選________,滑動變阻器應(yīng)選________(在空格內(nèi)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(yīng)圖線,如圖11所示．

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

圖12

(2) 直接根據(jù)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(guān)左端相連,將開關(guān)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(shù)據(jù)處理

電學(xué)實驗涉及的數(shù)據(jù)處理主要方法是圖象法和結(jié)合實驗原理列表達式進行計算,即公式法．應(yīng)用圖象法處理實驗數(shù)據(jù)應(yīng)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(yīng)用公式法處理實驗數(shù)據(jù)時,應(yīng)先理順實驗原理，結(jié)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(yīng)示數(shù)．若某次R1的示數(shù)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(shù)為148.2 Ω.

7 誤差分析

誤差有系統(tǒng)誤差和偶然誤差．涉及電表的系統(tǒng)誤差主要有電流表內(nèi)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?。到y(tǒng)誤差是可以通過改進實驗方法來消除的．如電流表的內(nèi)阻確定,用電流表的內(nèi)接法,就可以消除電流表的分壓帶來的系統(tǒng)誤差;如電壓表的內(nèi)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(tǒng)誤差．偶然誤差主要是讀數(shù)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(jù)圖16,用筆畫線代替導(dǎo)線將圖17連接成完整電路.

圖16 圖17

③ 某次實驗的數(shù)據(jù)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(nèi)阻r=________Ω(保留兩位小數(shù));為減小偶然誤差,逐差法在數(shù)據(jù)處理方面體現(xiàn)出的主要優(yōu)點是________．

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

A. 電壓表內(nèi)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(shù)據(jù)時

采用第2與第6次數(shù)據(jù)時

采用第3與第7次數(shù)據(jù)時

采用第4與第8次數(shù)據(jù)時

逐差法在數(shù)據(jù)處理方面體現(xiàn)出的主要優(yōu)點是充分利用取得的數(shù)據(jù)．

④ 由閉合電路歐姆定律E=U+I(R0+r)可知,由于電壓表內(nèi)阻的影響,導(dǎo)致通過電源的電流比測量值偏大,故內(nèi)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(nèi)阻r的測量結(jié)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(dǎo)致通過表頭的電流偏小,電流表讀數(shù)偏小,故內(nèi)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(dǎo)致內(nèi)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(guān)時燈泡不亮,電流表和電壓表無示數(shù),可能原因是滑動變阻器損壞或者接線柱接觸不良,或出現(xiàn)了斷路．

2)電流表與電壓表的指針偏轉(zhuǎn)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(xiàn)短路．

4)滑動變阻器的滑動觸頭滑動時,電表示數(shù)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(guān),紅表筆接a點時多用表指示如圖20所示,讀數(shù)為________V,說明________正常(填“蓄電池”“保險絲”“開關(guān)”“小燈”)．

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

(2) 兩表筆接b、c之間,并閉合開關(guān),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(xiàn)差錯并盡量減少實驗中的誤差,每個實驗都有應(yīng)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(diào)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(diào)零;用電流表和電壓表測定電池的電動勢和內(nèi)電阻時,不能將電流調(diào)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(diào)零

B. 在測量電流時,更換量程后必須重新進行調(diào)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(guān)處于“10V”擋,其讀數(shù)為________V;若選擇開關(guān)處于“×10”擋,其讀數(shù)________200Ω(填“大于”“等于”或“小于”)．

圖21

(2)若選擇開關(guān)處于“10V”擋,則電表的最小刻度為0.2V,此時讀數(shù)為5.4V;若選擇開關(guān)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(shù)應(yīng)該小于200Ω．