電學實驗知識盤點與解讀

■湖南省汨羅市第一中學 蔣 緯

一、電學實驗原理

1.電路設計原則：選擇儀器和設計電路有一定的靈活性,需要在掌握和遵循“正確性”“安全性”“方便性”“精確性”等基本原則的基礎上,兼顧“誤差小”“儀器少”“耗電少”等各方面因素綜合考慮。

(1)正確性：實驗原理所依據的原理應當符合物理學的基本原理。

(2)安全性：實驗方案的實施要安全可靠,實施過程中不應對儀器及人身造成危害。要注意到各種電表均有量程、電阻均有最大允許電流和最大功率,電源也有最大允許電流等,不能燒壞儀器。

(3)方便性：實驗應當便于操作,便于讀數,便于進行數據處理。

(4)精確性：在實驗方案、儀器、儀器量程的選擇上,應使實驗誤差盡可能的小。

2.電學實驗儀器的選擇：

(1)根據不使電表受損和盡量減小誤差的原則選擇電表。首先保證流過電流表的電流和加在電壓表上的電壓均不超過其量程,然后合理選擇所需量程,保證使指針有較大偏轉(一般要大于滿偏值的),以減小讀數誤差。

(2)根據電路中可能出現的電流或電壓范圍選擇滑動變阻器,注意流過滑動變阻器的電流不超過它的額定值,選擇大阻值的變阻器時,若滑動頭稍有移動,便使電流、電壓有很大變化的,則不宜采用。

(3)根據實驗的基本要求選擇儀器,只有熟悉實驗原理,才能做出恰當的選擇。最優選擇的原則是：實驗誤差盡可能小；間接測量值盡可能有較多的有效數字位數,直接測量值的測量使讀數誤差盡可能小,且不超過儀表的量程；實現較大范圍的靈敏調節；在大功率裝置(電路)中盡可能節省能量,在小功率電路里,在不超過用電器額定值的前提下,適當提高電流、電壓值,以提高測量的準確度。

3.實驗設計的基本思路：

二、電學實驗中用到的基本知識

1.實驗原理公式：在近幾年的電學實驗中,電阻的測量(包括變形,如電表內阻的測量)、測電源的電動勢與內阻是考查頻率較高的實驗。此類實驗用到的原理公式為R=,E=U+I r。由此可見,對電路中電壓U及電流I的測量是實驗的關鍵所在,這兩個物理量的直接測量和間接測量的方法多種多樣,因此成為歷年來高考試題的著力點。同學們在高三階段的實驗復習中應熟練掌握基本實驗知識及方法,做到以不變應萬變。

2.伏安法測電阻時測量電路的選擇。

(1)電流表內、外接法的選擇：電流表外接法,如圖1甲所示,待測電阻為小電阻時,用電流表外接法；電流表內接法,如圖1乙所示,待測電阻為大電阻時,用電流表內接法。

圖1

圖2

方法二：在RV、RA均不知的情況下,可采用試觸法。如圖2所示,分別將電壓表的a端與b、c接觸,如果前后兩次電流表示數變化比電壓表示數變化明顯,說明電壓表的分流作用大,應采用電流表內接法；如果前后兩次電壓表示數變化比電流表示數變化明顯,說明電流表的分壓作用大,應采用電流表外接法。

(2)滑動變阻器限流、分壓接法的選擇：滑動變阻器是電學實驗中常用的儀器,近幾年高考電學設計性實驗命題多次直接或滲透考查對滑動變阻器限流、分壓接法的選擇。

滑動變阻器的限流接法與分壓接法的特點：在如圖3所示的兩種電路中,滑動變阻器(最大阻值為R0)對負載Rx的電壓、電流都起到了控制調節作用,通常把圖甲電路稱為限流接法,把圖乙電路稱為分壓接法。

圖3

①滑動變阻器限流接法：如圖3甲所示,待測電阻上電壓的調節范圍為顯然,當R0?Rx時,在移動滑動觸頭P的過程中,電流的變化范圍很小,總電流幾乎不變,Ux也幾乎不變,無法讀取數據；當R0?Rx時,滑動觸頭P在從b端向a端滑動的過程中,先是電流表、電壓表的示數變化不大,后來在很小的電阻變化范圍內,電流表、電壓表的讀數變化很快,也不方便讀數；只有當Rx與R0差不多大小時,才能對電流、電壓有明顯的調控作用。在同樣能夠達到實驗目的的前提下,限流接法的優點是較為省電,電路連接也較為簡單。

②滑動變阻器分壓接法：如圖3乙所示,待測電阻上電壓的調節范圍為0～E,且R0相對于Rx越小,Rx分擔的電壓變化的線性就越好。當R0?Rx時,盡管Ux的變化范圍仍是0～E,但是數據幾乎沒有可記錄性,因為在這種情況下,滑動觸頭P從a端滑起,要一直滑到快到b端時,電壓表的示數一直幾乎為零,然后突然上升到E。因此,選用滑動變阻器分壓接法的前提是要用全阻值較小的滑動變阻器。

小結：滑動變阻器的限流接法與分壓接法均可調節負載電阻電壓和電流的大小,但在不同條件下,調節效果大不一樣,滑動變阻器以何種接法接入電路,應遵循安全性、精確性、節能性、方便性等原則綜合考慮。

3.半值法(半偏法)實驗電路的解讀。

測電流表內阻和測電壓表內阻時都可以用到半值法,實驗電路如圖4所示。

圖4

選用甲圖進行實驗時,先斷開開關S',閉合開關S,調整滑動變阻器R01(限流法連接),使電流表A滿偏(指針指到最大刻度線處)；再閉合開關S',調整電阻箱R1,使電流表A的指針恰好指到半滿刻度線處,讀出此時電阻箱的阻值R,則電流表A的內阻rA=R。(測量結果較實際值偏小)

選用乙圖進行實驗時,先閉合開關S'及S,調整滑動變阻器R02(分壓法連接),使電壓表V滿偏；再斷開開關S',調整電阻箱R2,使電壓表V的指針恰好指到半滿刻度線處,讀出此時電阻箱的阻值R,則電壓表V的內阻rV=R。(測量結果較實際值偏大)

三、實物圖連接的基本方法和注意事項

1.基本方法：

(1)畫出實驗電路圖。

(2)分析各元件的連接方式,明確電流表與電壓表的量程。

(3)畫線連接各元件(用鉛筆畫線,以便改錯),連線方式應是單線連接,連線順序應先畫串聯電路,再畫并聯電路。具體步驟一般先從電源正極開始,再到開關,然后到滑動變阻器等；先將干路中要串聯的元件依次串聯起來,再連接支路,然后將要并聯的元件并聯到電路中去。

(4)連接完畢,應進行檢查,檢查電路也應按照連線的方法和順序逐步進行。

2.注意事項：

(1)連接電表應注意量程選用正確,正、負接線柱不要接錯。

(2)各導線都應接在接線柱上,不應在導線中間出現分叉。

(3)對于滑動變阻器的連接,要搞清楚接入電路的是哪部分電阻,在接線時要特別注意不能將導線接到滑動觸頭上。

四、高頻考題解析

例1如圖5所示,游標卡尺的讀數為____mm；螺旋測微器的讀數為____mm。

圖5

解析：游標卡尺的主尺讀數為12mm,游標尺上第8個刻度和主尺上某一刻度對齊,則游標尺讀數為8×0.05mm=0.40mm,所以游標卡尺的最終讀數為12mm+0.40mm=12.40mm。螺旋測微器的固定刻度為1.5mm,可動刻度為18.3×0.01 mm=0.183mm,則螺旋測微器的最終讀數為1.5mm+0.183mm=1.683mm,又因為需要估讀,所以所填數值可以為1.683±0.002。

對于基本測量儀器(如游標卡尺、螺旋測微器等)要了解其原理,要能正確使用這些基本儀器進行有關測量。

例2現要測量某一電壓表的內阻,給定的器材有：

待測電壓表V(量程2V,內阻約4kΩ)；

電流表 mA(量程1.2mA,內阻約500Ω)；

直流電源E(電動勢約2.4V,內阻不計)；

定值電阻3個,R1=4000Ω,R2=10000Ω,R3=15000Ω；

開關S及導線若干。

要求測量時兩電表指針偏轉均超過其量程的一半。

(1)試從3個定值電阻中選用1個,與其他器材一起組成測量電路,并畫出測量電路的原理圖。(要求電路中各器材用題中給定的符號標出)

(2)電路接通后,若電壓表讀數為U,電流表讀數為I,則電壓表內阻RV=____。

解析：(1)實驗電路如圖6所示。若選用電阻R1與待測電壓表并聯,則并聯電阻約為R并=2000Ω,電壓表讀數電流表讀數0.00096A=0.96mA＞0.6mA,因此選用定值電阻R1符合要求。同理可以判斷定值電阻R2、R3不符合要求,故選R1。

圖6

(2)電路接通后,通過定值電阻R1的電流則通過電壓表的電流I2=I-所以電壓表的內阻

本題涉及實驗器材選取和電路設計等,對考生的分析綜合能力提出了較高要求。解答此類試題必須根據測量要求和所提供的器材,由儀表的選擇原則和基本規律為分析的入手點。