1、第14讲 电 学 实 验 一、电学测量仪器的使用与读数 1.电流表、电压表、欧姆表的比较:仪器极性量程选择读 数电流表有正、负极的电表,电流由电表的正极流入,负极流出使指针指示超过满 偏刻度的 的位置3V和3A量程估读到最小分度的 ;15V量程估读到最小分度的 ;0.6A量程估读到最小分度的电压表欧姆表使指针尽量指在表盘的中间位置左右表盘读数乘以相应挡位的倍率1311015122.多用电表使用“四注意”:(1)极性：从电表外部看，电流应从红表笔(“+”极)流入电表，从黑表笔(“-”极)流出电表。(2)功能：利用多用电表测电压和电流时，选择开关对应的是电表的量程；而测电阻时，选择开关对应的是倍率
2、。(3)调零：测量电阻时，要进行两次调零：机械调零和欧姆调零。“机械零点”在表盘刻度左侧“0”位置。调整的是表盘下边中间的定位螺丝；“欧姆零点”在表盘刻度的右侧电阻刻度“0”位置，调整的是欧姆调零旋钮。(4)保护：测电阻时，应把被测电阻从电路中拆下测量；多用电表长期不用时，必须取出表内的电池。3.电学仪器的选择:(1)电源的选择:一般可以根据待测电路的额定电流或额定电压选择符合需要的直流电源。(2)电表的选择:一般根据电源的电动势或待测用电器的额定电压选择电压表；根据待测电流的最大电流选择电流表；选择的电表的量程应使电表的指针偏转的幅度较大，一般应使指针能达到半偏以上，以减小读数的偶然误差，提
3、高精确度。4.选取实验器材的步骤:(1)找出唯一且必需的器材。(2)画出基本的电路图(可以暂时不接入电表)。(3)估算最大值(在限流电路中对应滑动变阻器的电阻值最小)或估算最小值(在限流电路中对应滑动变阻器的电阻值最大)。(4)考虑能否使电压表、电流表都达到满偏的 以上，并且不 能超出电压表和电流表的量程。13二、电流表内外接法的比较与选择 比较项目电流表内接法电流表外接法电 路误差来源电流表的分压电压表的分流测量结果 偏大 偏小适用条件RxRA(测大电阻)RVRx(测小电阻)xURRI测，xURRI测，三、控制电路(滑动变阻器的接法)的比较与选择 1.控制电路的比较:比较项目限流式接法分压式
4、接法电 路电压调节的范围 EE0E电能损耗节能耗能0RRR2.控制电路的选择:优先选用限流式。以下情况考虑分压式：(1)要求待测电路的U、I从0变化。(2)R滑 Rx。(3)选用限流式时，Ux、Ix过大(指超过电表量程，烧坏电表、电源或用电器等)或Ux、Ix过小(最大值不超过电表满量程的 读数误差大)。13，四、实验的思想方法 1.等效替代法:在保证某种效果(特性和关系)相同的前提下，将实际的、复杂的物理问题和物理过程转化为等效的、简单的、易于研究的物理问题和物理过程来进行研究和处理。2.控制变量法:对于多个变量的问题，常常采用控制变量的方法，把多个变量的问题变成单个变量的问题，从而研究这一个
5、变量对事物的影响，分别对各个变量加以研究，最后综合解决。3.累积法：把某些难以用常规仪器直接准确测量的物理量用累积的方法，将微小量变为较大的量，不仅便于测量，还可以提高测量的准确程度，从而减小误差。热点考向1 多用电表的认识及使用【典例1】(2013新课标全国卷)某学生实验小组利用图甲所示电路，测量多用电表内电池的电动势和电阻“1 k”挡内部电路的总电阻。使用的器材有：多用电表；电压表：量程5 V，内阻十几千欧；滑动变阻器：最大阻值5 k；导线若干。回答下列问题：(1)将多用电表挡位调到电阻“1 k”挡，再将红表笔和黑表笔_，调零点。(2)将图甲中多用电表的红表笔和_(选填“1”或“2”)端相
6、连，黑表笔连接另一端。(3)将滑动变阻器的滑片调到适当位置，使多用电表的示数如图乙所示，这时电压表的示数如图丙所示。多用电表和电压表的读数分别为_ k 和_ V。(4)调节滑动变阻器的滑片，使其接入电路的阻值为零。此时多用电表和电压表的读数分别为12.0 k 和4.00 V。从测量数据可知，电压表的内阻为_ k。(5)多用电表电阻挡内部电路可等效为由一 个无内阻的电池、一个理想电流表和一个电 阻串联而成的电路，如图丁所示。根据前面 的实验数据计算可得，此多用电表内电池的 电动势为_ V，电阻“1 k”挡内 部电路的总电阻为_ k。【解题探究】(1)多用电表欧姆调零时,应将红、黑表笔_。(2)电
7、流从_表笔流出电表,应与电压表的“_”极相连接。(3)当滑动变阻器阻值为零时,多用电表测量的阻值为_ _。(4)多用电表测电阻的原理是_。短接 黑+电压表 的内阻 闭合电路欧姆定律【解析】(1)欧姆表调零：将红表笔和黑表笔短接，使指针指电阻0刻度。(2)多用电表欧姆挡测电压表的内阻应使电流从电压表的“”接线柱流入、“”接线柱流出，而黑表笔连接多用电表内电池的正极，所以多用电表的红表笔和“”端相连，黑表笔连接“”端。(3)多用电表和电压表的读数分别为15.0 k和3.60 V。(4)由图甲可知多用电表欧姆“1 k”挡直接测量电压表的内 阻RV，所以RV=12.0 k。(5)设多用电表内电池的电动
8、势为E，多用电表电阻“1 k”挡内部电路的总电阻为Rg，依题给条件由欧姆定律得：又RV=12.0 k，解之得：E=9.00 V，Rg=15.0 k。答案：(1)短接 (2)1 (3)15.0 3.60 (4)12.0(5)9.00 15.0 ggVV3.64E15RE12RRR，【总结提升】多用电表使用“五步”法(1)选倍率，一般要选择比被测电阻的估计值低一个数量级的倍率，如估计值为200 就应该选10的倍率；(2)进行欧姆调零；(3)将红、黑表笔接被测电阻两端进行测量；(4)将指针示数乘以倍率，得测量值；(5)测量结束后，将选择开关扳到OFF或交流电压最高挡。特别注意：用欧姆挡测电阻时，如果
9、指针偏转角度太小(即指针所指的欧姆刻度值太大)，应该适当增大倍率重新调零后再测量；如果指针偏转角度太大(即指针所指的欧姆刻度值太小)，应该适当减小倍率重新调零后再测量。热点考向2 实验器材的选择和电路设计问题【典例2】(2012山东高考)在测量金属丝电阻率的实验中，可供选用的器材如下：待测电阻丝：Rx(阻值约4 ，额定电流约0.5 A)；电压表：V(量程3 V，内阻约3 k)；电流表：A1(量程0.6 A，内阻约0.2 )；A2(量程3 A，内阻约0.05 )；电源：E1(电动势3 V，内阻不计)；E2(电动势12 V，内阻不计)；滑动变阻器：R(最大阻值约20 )；螺旋测微器；毫米刻度尺；开
10、关S；导线。(1)用螺旋测微器测量金属丝的直径，示数如图所示，读数为_mm。(2)若滑动变阻器采用限流接法，为使测量尽量精确，电流表应选_、电源应选_(均填器材代号)，在虚线框内完成电路原理图。【解题探究】(1)由于Rx的额定电流为0.5 A，电流表应选_。(2)根据Rx的额定电压约为U=IRx=2 V，可判断电源应选_。(3)因为 故电流表应选择_。VxxARR75020RR，A1 E1 外接【解析】(1)螺旋测微器的固定刻度上显示为1.5 mm，小数 部分由可动刻度读得为0.273 mm，二者相加就是测量值，1.5 mm+0.273 mm=1.773 mm。(2)待测电阻丝的额定电流约为0
11、.5 A,为了减小实验误差，应 选量程为0.6 A的电流表A1；待测电阻丝的电阻约为4，额 定电流约为0.5 A，故由欧姆定律得额定电压约为2 V，所以 电源应选E1。由于待测电阻丝的电阻较小，故电流表应选外 接法。电路原理图如图所示。答案：(1)1.773(1.7711.775均正确)(2)A1 E1 电路图见解析【总结提升】选择实验仪器的三大原则(1)安全性原则:要能够根据实验要求和客观条件选用合适的仪器，使实验切实可行，能达到预期目标。另外还要注意测量仪器的量程，电阻类器件的电流不能超过允许通过的最大电流等。(2)精确性原则:根据实验的需要，选用精度合适的测量工具，但对某个实验来讲，精确
12、程度达到要求即可，并不是精度越高越好。(3)方便性原则:在不违反前两个原则的前提下，尽量使测量电路简单好接，测量中的调节控制操作方便。用分压式接法时，滑动变阻器应该选用阻值较小的，而额定电流较大的。用限流式接法时，滑动变阻器应该选用阻值和被测电阻接近的，额定电流应大于被测电阻的额定电流。热点考向3 实物连接、数据处理及误差分析问题【典例3】(2012北京高考)在“测定金属的电阻率”实验中，所用测量仪器均已校准。待测金属丝接入电路部分的长度约为50 cm。(1)用螺旋测微器测量金属丝的直径，其中某一次测量结果如图所示，其读数应为_mm(该值接近多次测量的平均值)。(2)用伏安法测金属丝的电阻Rx
13、。实验所用器材为：电池组(电动势3 V，内阻约1 )、电流表(内阻约0.1 )、电压表(内阻约3 k)、滑动变阻器R(020 ,额定电流2 A)、开关、导线若干。某小组同学利用以上器材正确连接好电路，进行实验测量，记录数据如下：次数 1 2 3 4 5 6 7 U/V 0.10 0.30 0.70 1.00 1.50 1.70 2.30 I/A 0.020 0.060 0.160 0.220 0.340 0.460 0.520 由以上实验数据可知，他们测量Rx采用的是_(选填“甲”或“乙”)图。(3)图丙是测量Rx的实验器材实物图，图中已连接了部分导线，滑动变阻器的滑片P置于变阻器的一端。请根
14、据(2)所选的电路图，补充完成图丙中实物间的连线，并使闭合开关的瞬间，电压表或电流表不至于被烧坏。(4)这个小组的同学在坐标纸上建立U、I坐标系，如图丁所示，图中已标出了与测量数据对应的4个坐标点。请在图丁中标出第2、4、6次测量数据的坐标点，并描绘出U-I图线。由图线得到金属丝的阻值Rx=_(保留两位有效数字)。(5)根据以上数据可以估算出金属丝电阻率约为_(填选项前的符号)。A.110-2 m B.110-3 m C.110-6 m D.110-8 m(6)任何实验测量都存在误差。本实验所用测量仪器均已校准，下列关于误差的说法中正确的选项是_(有多个正确选项)。A.用螺旋测微器测量金属丝直
15、径时，由于读数引起的误差属于系统误差 B.由于电流表和电压表内阻引起的误差属于偶然误差 C.若将电流表和电压表的内阻计算在内，可以消除由测量仪表引起的系统误差 D.用U-I图像处理数据求金属丝电阻可以减小偶然误差【解题探究】(1)本实验中，被测金属丝的阻值约为_，如果用限流接 法，被测金属丝上的最小电压约为_V，故滑动变阻器应采 用_式接法。(2)U-I图像的斜率表示_。5 0.6 分压 电阻(3)试分析实验中系统误差和偶然误差产生的原因及减小误差的方法。提示：系统误差是由于实验原理不严密、实验仪器不精密造成的。可以通过改进实验原理、更新实验仪器来消除或减小系统误差。偶然误差是测量产生的。可以
16、通过多次测量取平均值或作图来减小偶然误差。【解析】(1)螺旋测微器读数为 39.60.01 mm=0.396 mm。(2)从表格数据可以估计出被测金属丝阻值大约是5。因为 滑动变阻器最大电阻为20，电源电动势为3 V，若采用限流 式接法，被测金属丝获得的最小电压为 但表 格第一组数据电压只有0.10 V。可见，在实验中，滑动变阻器 不是限流式接法，所以选甲。(3)分压式接法中滑动变阻器的三个接线端都要接入电路，其 中两个固定端与电源相连。35 V0.6 V205，(4)求出U-I图像斜率即表示电阻值。(5)根据公式 电阻率 代入数据即可求出电阻率。(6)偶然误差是随机产生的，是不可预计的；系统
17、误差是由一 些固有的因素(如测量方法的缺陷)产生的，理论上说系统误差 总是可以通过一定的手段来消除。因此，读数造成的误差属于 偶然误差，A错误；电表的内阻造成的误差属于系统误差，是 可以消除的，所以B错误，C正确。用U-I图像处理数据，所作 的图线对测量数据起到取平均值的作用，从而减小偶然误差的 影响，D正确。LRS，RSL，答案：(1)0.3950.399均可 (2)甲(3)如图(4)如图 4.34.7均可(5)C (6)C、D 1.(2013南通二模)某同学利用一段长电阻丝测定一节干电池的电动势和内阻。接好如图所示的实验装置后,将导线的接头O分别连接在电阻丝的a、b、c、d四个位置并闭合电
18、路测量。(1)实验中选择从电阻丝的左端a开始而不是从电阻丝的最右端开始的理由是:_。(2)实验中得到两电表读数如表:经检查,电阻丝某处发生断路,则根据表格,发生断路的位置在_(填写字母)两点之间。接线柱 a b c d 电压/V 1.50 1.50 1.25 1.20 电流/A 0.00 0.00 0.25 0.30(3)由(2)中的数据,可求得E=_V,r=_(结果保留3位有效数字)。【解析】(1)实验中从电阻丝的左端a开始时,接入电路的电阻丝较长,电路中电阻大,电流小,可以保护电源。(2)由于接a、b时,电压表示数均为1.50 V,接c时,电压表示数为1.25 V,小于1.50 V,故断路
19、故障发生在b、c之间。(3)接c、d时,由闭合电路欧姆定律得:E=1.25+0.25r,E=1.20+0.30r,解得E=1.50 V,r=1.00。答案:(1)防止短路,保护电源 (2)b、c (3)1.50 1.00 2.(2013新课标全国卷)某同学用量程为1 mA、内阻为 120 的表头按图甲所示电路改装成量程分别为1 V和1 A的 多用电表。图中R1和R2为定值电阻，S为开关。回答下列问题:(1)根据图甲所示的电路，在图乙所示的实物图上连线。(2)开关S闭合时，多用电表用于测量_(选填“电流”“电压”或“电阻”)；开关S断开时，多用电表用于测量_(选填“电流”“电压”或“电阻”)。(
20、3)表笔A应为_色(选填“红”或“黑”)。(4)定值电阻的阻值R_，_。(结果取位有效数字)【解析】(1)实物图上连线要根据先串后并的原则，连线如图所示。(2)开关S闭合时，并联了一个支路，多用电表用于测量较大的 电流，开关S断开时，串联电阻R2起分压作用，多用电表用于 测量较大的电压。(3)电流应从红表笔流入电表,再流经表头，从黑表笔流出，所 以表笔A为黑色，表笔B为红色。(4)开关S断开时，成为电压表，AB两端电压为电压表量程U=1 V,此时表头满偏,电流为Ig=1 mA,由欧姆定律有U=Ig(Rg+R2)，解得R2=880。开关S闭合时，成为一个电流表，流入表笔B 的电流恰好为量程I=1
21、 A，此时表头满偏Ig=1 mA,则有Ig(Rg+R2)=(I-Ig)R1，解得R1=1.00。答案：(1)连线见解析图 (2)电流 电压 (3)黑(4)1.00 880 3.(2012海南高考)图示电路可用来 测量电阻的阻值。其中E为电源，R为 已知电阻，Rx为待测电阻，可视为 理想电压表，S0为单刀单掷开关，S1、S2为单刀双掷开关。(1)当S0闭合时，若S1、S2均向左闭合，电压表读数为U1；若S1、S2均向右闭合，电压表读数为U2。由此可求出Rx=_。(2)若电源电动势E=1.5 V，内阻可忽略；电压表量程为1 V，R=100 。此电路可测量的Rx的最大值为_ 。【解析】(1)由于是理
22、想电压表，该表接入电路后不会影响电 路的电流。S1、S2向左闭合，电压表读数是Rx两端电压，由欧 姆定律得U1=IRx；S1、S2向右闭合，电压表读数是R两端电压，U2=IR，由以上两式得 1x2URRU。(2)当S1、S2向左闭合，且电压表的读数为1 V，即Rx两端电压 U1=1 V时，此时的Rx阻值为最大，R两端电压为U2=E-U1=0.5 V，电路中电流 答案：(1)(2)200 32U0.5I A5 10 AR100，1x max3U1R 200 I5 10。12U RU4.(2013滨州一模)(1)某同学用螺旋测微器测量一段粗细均匀的金属丝的直径，如图所示，直径d为_mm。(2)该同
23、学用多用电表测量其电阻阻值约为5 ，现用伏安法进一步精确测量其电阻，备有以下器材：直流电源E：电动势约4.5 V，内阻很小；直流电流表A1：量程03 A，内阻约0.025 ；直流电流表A2：量程00.6 A，内阻约0.125 ；直流电压表V：量程03 V，内阻约3 k；滑动变阻器R1：最大阻值为50 ；开关、导线若干。在可选择的器材中应选用的电流表是_。(选填“A1”或“A2”)仅从实验原理上看实验电路电阻的测量值_真实值。(选填“大于”“小于”或“等于”)如图所示实物连接图，还有两根导线没有连接，请补充完整。【解析】(1)读数为4 mm+48.70.01 mm=4.487 mm。(2)流过电
24、流表的最大电流为 Imax=故电流表选A2。因为被测电阻较小，电流表应外接，由于电压表的分流，电 阻的测量值小于真实值。电路可采用限流式，电流表外接。3 A0.6 A5答案：(1)4.487(0.002)(2)A2 小于 如图所示 5.(2013潍坊模拟)为测定一节干电池(电动势约1.5 V，内阻 约1.0 )的电动势和内阻，实验室备有电流计G(满偏电流为 3 mA，内阻为25 )、定值电阻R0=0.126 、开关和若干导 线及以下器材：A.量程03 V，内阻约1 000 的电压表 B.量程015 V，内阻约1 500 的电压表 C.总阻值为10 、额定电流为2 A的滑动变阻器 D.总阻值为1
25、00 、额定电流为1 A的滑动变阻器(1)因电流表量程太小，需将R0与电流计_以扩大量程。(2)电压表应选择_；滑动变阻器应选择_。(填代号)(3)请在虚线框内完成实验电路图。(4)根据所画出的电路图，分析引起该实验系统误差的主要原因是_。【解析】本题中给出了电压表，虽没有电流表，但给了电流 计，且内阻已知，同时还给出了定值电阻，因此需考虑将电流 计改装成电流表，即将电流计与定值电阻并联，然后用伏安法 测量电源电动势和内阻，根据实验可画出电路图；根据电源电 动势的大约值，可选择使用量程为3 V的电压表;又因为电源内 阻很小，若滑动变阻器的总阻值远大于电源内阻，则在减小滑 动变阻器阻值时，开始电压表示数几乎不变，最后电压表和电 流表会突然变化，造成读数误差很大，故应选用总阻值为10 的滑动变阻器；本实验中由于电压表的分流作用，使得改装后 的电流表测得的电流偏小(读数只是通过滑动变阻器的电流)，造成测得的电动势和内阻均偏小。答案：(1)并联 (2)A C(3)如图所示 (4)由于电压表的分流作用造成改装后电流表读数总是比电池实际输出电流小