1、第16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3 V和3 A量程估读到最小分度的；15 V量程估读到最小分度的；0.6 A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2.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。(3)调零:测量电阻时,要
2、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,提高精确度。二、电流表内外接法
3、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Rx,偏大Rx,偏小适用条件RxRA(测大电阻)RVRx(测小电阻)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接法电 路电压调节的范围 E0E电能损耗节能耗能2.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)。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
4、)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5V,内阻十几千欧;滑动变阻器:最大阻值5k;导线若干。回答下列问题:(1)将多用电表挡位调到电阻“1k”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12.0k和4.00V。从测量数据可
5、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“1k”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、“-
6、”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15.0k和3.60V。(4)由图甲可知多用电表欧姆“1k”挡直接测量电压表的内阻RV,所以RV=12.0k。(5)设多用电表内电池的电动势为E,多用电表电阻“1k”挡内部电路的总电阻为Rg,依题给条件由欧姆定律得:又RV=12.0k,解之得:E=9.00V,Rg=15.0k。答案:(1)短接(2)1(3)15.03.60(4)12.0(5)9.0015.0【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
7、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0.5A);电压表:V(量程3V,内阻约3k);电流表:A1(
8、量程0.6A,内阻约0.2);A2(量程3A,内阻约0.05);电源:E1(电动势3V,内阻不计);E2(电动势12V,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】本题的分析思路:(1)由于Rx的额定电流为0.5A,电流表应选_。(2)根据Rx的额定电压约为U=IRx=2V,可判断电源应选_。(3)因为=750=20,故电流表应选择_。A1E1外接【解析】(1)螺旋测微
9、器的固定刻度上显示为1.5mm,小数部分由可动刻度读得为0.273mm,二者相加就是测量值,1.5mm+0.273mm=1.773mm。(2)待测电阻丝的额定电流约为0.5A,为了减小实验误差,应选量程为0.6A的电流表A1;待测电阻丝的电阻约为4,额定电流约为0.5A,故由欧姆定律得额定电压约为2V,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)A1E1 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
10、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50c
11、m。(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。实验所用器材为:电池组(电动势3V,内阻约1)、电流表(内阻约0.1)、电压表(内阻约3k)、滑动变阻器R(020,额定电流2A)、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1234567U/V0.100.300.701.001.501.702.30I/A0.020 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)
12、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.110-2mB.110-3mC.110-6m D.110-8m(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
13、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_。50.6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、
14、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39.60.01mm=0.396mm。(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3V,若采用限流式接法,被测金属丝获得的最小电压为5V=0.6V,但表格第一组数据电压只有0.10V。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。(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
15、生的,是不可预计的;系统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。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、D1.(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四个位置并闭合电路测量。(1
16、)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。(3)由(2)中的数据,可求得E=V,r=(结果保留3位有效数字)。接线柱abcd电压/V1.501.501.251.20电流/A0.000.000.250.30【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1.50V,接c时,电压表示数为1.25V,小于1.50V,故断路故障发生在b、c之间。(3)接c、d时,由闭合电路欧姆
17、定律得:E=1.25+0.25r,E=1.20+0.30r,解得E=1.50V,r=1.00。答案:(1)防止短路,保护电源(2)b、c(3)1.501.002.(2013安徽高考)(1)在测定一根粗细均匀合金丝电阻率的实验中,利用螺旋测微器测定合金丝直径的过程如图所示,校零时的读数为mm,合金丝的直径为mm。(2)为了精确测量合金丝的电阻Rx,设计出如图甲所示的实验电路图,按照该电路图完成图乙中的实物电路连接。【解析】(1)校零时的读数为(0+0.70.01)mm=0.007mm,测量时的读数为(0+0.5+14.50.01)mm=0.645mm,故合金丝的直径为(0.645-0.007)m
18、m=0.638mm。(2)先从电源正极出发,经过电键,再经过滑动变阻器的下边两个接线柱,回到电源负极;再由滑动变阻器的右上接线柱经过电流表的正、负接线柱,连接并联的合金丝与电压表到电源的负极,如图所示:答案:(1)0.0070.638(2)见解析图3.(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4.5V,内阻很小;直流电流表A1:量程03A,内阻约0.025;直流电流表A2:量程00.6A,内阻约0.125;直流电压表V:量程03
19、V,内阻约3k;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4mm+48.70.01mm=4.487mm。(2)流过电流表的最大电流为Imax=A=0.6A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。答案:(1)4.487(0.002)(2)A2小于如图所示4.(2012安徽高考)如图为“测绘小灯泡伏安特性
20、曲线”实验的实物电路图,已知小灯泡额定电压为2.5V。(1)完成下列实验步骤:闭合开关前,调节滑动变阻器的滑片,_。闭合开关后,逐渐移动变阻器的滑片,_。断开开关根据实验数据在方格纸上作出小灯泡灯丝的伏安特性曲线。(2)在虚线框中画出与实物电路相应的电路图。【解析】(1)开关闭合前应使小灯泡两端的电压为0,所以应使滑动变阻器的滑片滑至最左端。实验中要测出多组灯泡两端的电压和电流值,因此闭合开关后,逐渐移动变阻器的滑片,增加小灯泡两端的电压,记录电压表和电流表的多组读数,电压表的读数不应超过2.5V。(2)根据实物图画出电路图如图:答案:(1)使滑动变阻器的滑片滑至最左端 增加小灯泡两端的电压,
21、记录电压表和电流表的多组读数,直至电压表示数达到小灯泡的额定电压(2)见解析5.(2013潍坊模拟)为测定一节干电池(电动势约1.5V,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3mA,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03V,内阻约1 000的电压表B.量程015V,内阻约1 500的电压表C.总阻值为10、额定电流为2A的滑动变阻器D.总阻值为100、额定电流为1A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
22、,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3V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
23、内阻均偏小。答案:(1)并联(2)AC(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6.美国乔治亚理工学院的科瓦伦科和同事已经用纳米硅粉和藻朊酸盐制成电池用的电极,用该种电极制成的电池,其容量是一般电池的8倍。在测定一节该新型电池的电动势和内阻的实验中,所提供的器材有:待测该电池一节(电动势约为2V),电流表G(量程3.0mA,内阻r1=100),电流表A(量程0.6A,内阻r2=1.0),定值电阻R1=100,定值电阻R2=900,滑动变阻器R(050),开关,导线若干。(1)为了更准确地测出该电池的电动势和内阻,采用图甲所示实验电路图,其中定值电阻R应
24、选用(选填“R1”或“R2”)。请根据你选定的定值电阻完成图乙中的实物连接。(2)某同学在实验中测出电流表A和电流表G的示数I和Ig,根据记录数据作出Ig-I图像如图丙所示,根据图像可求得,被测电池的电动势E=V,内阻r=。(计算结果保留两位小数)【解析】(1)由于待测电池的电动势约为2V,因此需将电流表G改造成3V的电压表,因此应选用定值电阻R2,实物连接如图。(2)据Ig-I图像可得被测电池的电动势E=Ig(r1+R2)=1.90V,由Ig-I图像的斜率得出的内阻是r2+r=1.50,因此内阻r=0.50。答案:(1)R2 见解析图(2)1.90(1.890.01)0.50(0.500.05)
