高中物理电学实验手册.pdf

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1、 1 电学实验手册高中物理 高中物理高中物理电学电学实验手册实验手册 1.1 电路和仪器的选择电路和仪器的选择 1.1.1 滑动变阻器应用分析（控制电路）滑动变阻器是电学实验中常用的仪器，近几年高考电学实验命题中对其应用进行过多次考查。如何选择滑动变阻器的接法仍是历届考生应考的难点。滑动变阻器的接法有限流接法与分压接法两种。如图所示的两种电路中，滑动变阻器（最大阻值为）对负载的电压、电流强度都起控制调节作用，通常把图电路称为限流接法，图电路称为分压接法。负载上电压调节范围（忽略电源内阻）负载上电流调节范围（忽略电源内阻）相同条件下电路消耗 的总功率 限流接法 分压接法 0ULE 0UL(E/R

2、L)比较 分压电路调节范围较大 分压电路调节范围较大 限流电路能耗较小 限流法：如图所示，待测电阻上电压调节范围为。显然，当时，在移动滑动触头的过程中，电流的变化范围很小，总电流几乎不变，也几乎不变，无法读取数据；当时，滑动触头在从向滑动的过程中，先是电流表、电压表的示数变化不大，后来在很小的电阻变化范围内，电流表、电压表的读数又会变化很快，也不方便读数，只有当与差不多大小时，才能对电流、电压有明显的调控作用。在同样能达到目的的前提下，限流法较为省电，电路连接也较为简单。下列情况可选用限流式接法 测量时对电路中的电流或电压没有要求从零开始连续调节，只是小范围内测量，且与相差不大或略小于，从便于

3、操作的角度来看，滑动变阻器不宜太大。一般取滑动变阻器的阻值是被控电阻的 35 倍即可。电源的放电电流或滑动变阻器的额定电流太小，不能满足分压式接法的要求时，采用限流式接法。0RLRa（）b（）LRLR0LLLER+RUER0LLLERRIE+RLEILapE I+I（）a（）0LLR E ER+R0LRR!LU0LRR!baLR0RLR0RLR0R图12-3 2 电学实验手册高中物理 没有很高的要求，仅从安全性和精确性角度分析两者均可采用时，可考虑安装简便和节能因素优先采用限流式接法。分压法：如图所示，待测电阻上电压调节范围为，且相对于越小，上的电压变化的线性就越好。当时，尽管变化范围仍是，但

4、数据几乎没有可记录性，因为在这种情况下，滑片从左端滑到右端的过程中，电压表上示数一直几乎为零，当滑片快滑到右端时，然后突然上升到，这样对测量几乎没有用处。因此，分压接法要用全阻值较小的滑动变阻器。下列三种情况必须选用分压式接法 要求回路中某部分电路电流或电压实现从零开始可连续调节时（如：测定导体的伏安特性、校对改装后的电表等电路），即大范围内测量时，必须采用分压接法。当滑动变阻器的最大值远小于用电器的电阻时，必须采用分压接法。因为按图连接时，因，所以与的并联值，而整个电路的总阻值约为，那么两端电压，显然，且越小，这种线性关系越好，电表的变化越平稳均匀，越便于观察和操作。若采用限流接法，电路中实

5、际电压（或电流）的最小值仍超过的额定值时，则只能采用分压接法。1.1.2 安培表内、外接电路的选择（实验电路）由于电压表的分流作用和电流表的分压作用，造成表的示数与通过负载的电压或电流真实值之间产生误差，为减小此系统误差，应慎重选择电流表的内外接法，选择方法如下：直接比较法：当待测电阻阻值时，伏特表分流很小，选择安培表外接电路；当待测电阻阻值时，安培表分压很小，选择安培表内接电路。临界值计算比较法：当待测电阻阻值与电压表、电流表的阻值相差不多时，如何确定被测电阻是较大还是较小呢？我们要计算两种接法的相对误差，可用与相比较。当即时，宜采用电流表外接法；当即时，宜采用电流表内接法；而时，电流表内外

6、接法效果是一样的。此时的被测电阻值我们称为临界电阻。b（）0E0RLRR0LRR!LU0EE0RLRb（）0apLRRR!LRapRabRR!并0RLR0LapUIRURR=并LapURapRLRVxRR!AxRR!RVRRARRVARRRRVARR RVARRR RVARR R=R 3 电学实验手册高中物理 测试判断法（试触法）若、的大小关系事先没有给定，可借助试触法确定内、外接法。具体做法是：如图所示组成电路，其中电流表事先已经接好，拿电压表的一个接线柱去分别试触、两点，观察先后两次试触时两电表的示数变化情况。如果电流表的示数变化比电压表示数变化明显（即），说明接点时电压表分流作用引起的误

7、差大于接点时电流表分压作用引起的误差，这时应采用内接法（即电压表接点）。如果电压表的示数变化比电流表示数变化明显（即），说明接点时电流表分压作用引起的误差大于接点时电压表分流作用引起的误差，这时应采用外接法（即电压表接点）。（口诀：“内大外小”，即内接法测大电阻且系统误差偏大，即测量值大于真实值；外接法测小电阻且系统误差偏小，即测量值小于真实值）1.1.3 实验器材和量程的选择 保证安全，误差尽可能小。在不超过电表量程的条件下，选择量程较小的电表（以便测量时示数能在满刻度的 2/3 左右）。实现较大范围的灵敏调节。如要通过变阻器的电阻改变来读取不同的电流、电压值时，要注意避免变阻器滑片稍有移动

8、电流或电压就会有很大变化的出现，也要避免出现滑片从一头滑到另一头，电流或电压几乎没有变化的情况。xRARVRMNIUIUDDMNNIUIUDDNMM 4 电学实验手册高中物理 1.2电阻的测量方法电阻的测量方法 在高中电学实验中，涉及最多的问题就是电阻的测量，电阻的测量方法也比较多，最常用的有：欧姆表测量和伏安法，比较法和半偏法。1.2.1 欧姆表测量：最直接测电阻的仪表。但是一般用欧姆表测量只能进行粗测，为下一步的测量提供一个参考依据。用欧姆表可以测量白炽灯泡的电阻。1.2.2 伏安法：伏安法的测量依据是欧姆定律（包括部分电路欧姆定律和全电路欧姆定律），需要的基本测量仪器是电压表和电流表，当

9、只有一个电表时，可以用标准电阻（电阻箱或给一个定值电阻）代替；当电表的内阻已知时，根据欧姆定律，电压表同时可以当电流表使用，同样根据，电流表也可以当电压表用。电流表外接法 电压表示数：，电流表示数：，测量值偏小，适于测量小阻值电阻。电流表内接法 电压表示数：，电流表示数：，测量值偏大，适于测量大阻值电阻。1.2.3 比较法 比较法的测量思路是等效的思想，可以是利用电流等效、也可以是利用电压等效。比较法测量电阻精度高，不需要计算，方法简单，但必须有可调的标准电阻（一般给定的仪器中要有电阻箱）。如图所示，先把双刀双掷开关扳到，闭合，调整滑动变阻器，使电流表指针指到某一位置，记下此时的示数（最好为一

10、整数）。再把开关扳到，调整电阻箱，使得电流表指针仍指到示数。读出此时电阻箱的阻值，则未知电阻的阻值等于。1.2.4 比例法 根据比较法的原理，在测量电表内阻时，如果有可以作为标准的已知电阻的电表，稍作改动，即为比例法。用比例法测电表内阻时，两个电流表一般是并联（据并联分流原理），两个电压表一般是串联（据串联分压原理），电路图分别如图（甲）、（乙）所示。V/I=URAU=IRVRU U=AVRII+I=VARRUUR=测真2S11SI2S20RIrxRr 5 电学实验手册高中物理 测电流表内阻时，应调节滑动变阻器，使两电流表的指针都有较大偏转，记录下两电表的示数和，根据并联电路分流原理，若已知电

11、流表的内阻为，则电流表的内阻。测电压表内阻时，应调节滑动变阻器，使两电压表的指针都有较大偏转，记录下两电表的示数和，根据串联电路分压原理，若已知电压表的内阻，则电压表的内阻。1.2.5 半值法（半偏法）在高中阶段的电学实验中，主要目的是理解实验原理。为了减少计算量，测电流表内阻和测电压表内阻可以采用半值法。图中为电源，其电动势为，为滑动变阻器，为电阻箱，为电流表，用此电路经以下步骤可近似测得安培表的内阻：闭合，断开，调节，使电流表读数等于量程；（要注意不要使通过电流表的电流超过它的满偏电流值，以免把电表烧坏）保持不变，闭合，调节，使电流表读数等于（半偏），然后读出的值，当比大很多时，接入后干路

12、中电流变化不大，因此可以取。（偏小）（适合测量电流表小电阻，要求）注意事项：注意事项：在闭合前，滑动变阻器的阻值应调至最大。电阻箱不能用滑动变阻器替代。在闭合后,不能再调节,以保持电路中总电流不变。1R1I2I1A1r2A1212IrrI=2R1U2U1V1r2V2211UrrU=EE1R2RAAR1K2K1R0I1R2K2R02I2R1R2R2RA2RR12RRA2R2K1R 6 电学实验手册高中物理 必须确保。尽量大一些（在保证电路正常工作时）图中为电源，其电动势为，为滑动变阻器，为电阻箱，为电压表，用此电路经以下步骤可近似测得伏特表的内阻：断开开关，按图连好电路，把滑动变阻器的触头滑到端

13、，将电阻箱的阻值调到零。闭合开关，调节滑动变阻器的阻值，使电压表的示数达到满偏。调节电阻箱 的阻值使电压表示数达到半偏，读出此时电阻箱的阻值，当远大于时，能保证两端的电压变化不大时，此时的阻值近似为电压表的内电阻。（偏大）（适合测量电压表大电阻，要求）12RR!EEE1R2RVVR1RPbS1R2R2RVR1RPb2RVRV1 RR 7 电学实验手册高中物理 1.3 测定金属的电阻率测定金属的电阻率 1.3.1 实验目的：用伏安法间接测定某种金属导体的电阻率；练习使用螺旋测微器。1.3.2 实验原理：根据电阻定律公式，只要测量出金属导线的长度 和它的直径，计算出导线的横截面积，并用伏安法测出金

14、属导线的电阻，即可计算出金属导线的电阻率。1.3.3 实验电路图：1.3.4 注意事项：测量被测金属导线的有效长度，是指测量待测导线接入电路的两个端点之间的长度，亦即电压表两并入点间的部分待测导线长度，测量时应将导线拉直。本实验中被测金属导线的电阻值较小，因此实验电路必须采用电流表外接法。实验连线时，应先从电源的正极出发，依次将电源、电键、电流表、待测金属导线、滑动变阻器连成主干线路（闭合电路），然后再把电压表并联在待测金属导线的两端。闭合电键之前，一定要使滑动变阻器的滑动片处在有效电阻值最大的位置 在用伏安法测电阻时，通过待测导线的电流强度的值不宜过大（电流表用量程），通电时间不宜过长，以免

15、金属导线的温度明显升高，造成其电阻率在实验过程中逐渐增大。lR=SrldSRSI0 0.6A 8 电学实验手册高中物理 1.4描绘小灯泡的伏安特性曲线描绘小灯泡的伏安特性曲线 1.4.1 实验目的：通过实验来描绘小灯泡的伏安特性曲线，并分析曲线的变化规律 1.4.2 实验原理：金属物质的电阻率随温度升高而增大，从而使得一段金属导体的电阻随温度变化发生相应的变化。对一只灯泡来说，不正常发光和正常发光时灯丝的电阻值可以相差几倍到几十倍。它的伏安特性曲线并不是一条直线，即灯丝的电阻是非线性的。本实验通过描绘伏安特性曲线的方法来研究钨丝灯泡在某一电压变化范围内，其阻值的变化，从而了解它的导电特性。1.

16、4.3 实验电路图：1.4.4 注意事项：由欧姆定律可知，对一纯定值电阻用电器，有。因此，当为定值时，图线应为一过原点的直线。但由于小灯泡的灯丝在其两端电压由 0 增至额定电压过程中，灯丝温度升高，因此灯丝电阻率有明显增大，故小灯泡的伏安特性曲线应为曲线。调节滑动变阻器滑片时应注意不要使电压表的示数超过小灯泡的额定电压。电键闭合前滑动变阻器的滑片应放在最左端（对照上图），使小灯泡两端电压从零开始调节。实验用的小灯泡通常为“，”一类小电珠,其在白炽状态下电阻很小,在室温下电阻更小，因此为减小实验误差,测量电路应采用电流表外接法。为使小灯泡上的电压能从 0 开始连续变化，滑动变阻器应采用分压式连接

17、。画图时，坐标轴上所取的分度比例要适当，连线用平滑的曲线，不能画成折线。1.4.5 误差分析：测量电路存在系统误差，未考虑电压表的分流，造成测得的电流值比真实值偏大。描绘图线时作图不准确造成的偶然误差。I=U/RRI-U3.8V0.3A 9 电学实验手册高中物理 1.5 电流表改装成电压表电流表改装成电压表 1.5.1 实验目的 学会测量电表内阻的方法半偏法 把小量程的电流表改装为电压表，并把改装的电压表跟标准电压表进行校准 学会使用电阻箱 1.5.2 实验原理 电流表（表头），由欧姆定律满偏电压，如图所示。电流表的满偏电流、满偏电压一般都很小，测量较大电压时，要串联一个电阻，即，（至于电表刻

18、度盘，只需要把原来的电流表刻度盘的每一刻度数值扩大为原来的倍，即得到改装后电压表的表盘。）1.5.3 实验方法 半偏法测量电流表的内电阻，按如图所示电路图连接电路。改装电流表为电压表 分压电阻的计算：根据串联电路的分压原理有。解得分压电阻，若表示量程的扩大倍数（即），则。改装后的电压表跟标准电压表校准 i 按下图连接电路 GgggUI R=gIgUgABUI RR=+（）ABUIgRR+gRgggUUURR-=分压gg=1URRU-分压ngUnU=()g=1RnR-分压 10 电学实验手册高中物理 ii 闭合开关，调节滑动变阻器滑片，使改装的电压表的读数分别是、等，看标准电压表的读数是否与它一

19、致。iii 改装的电压表的读数是满刻度时，看标准电压表的读数，计算满刻度时的百分误差为。例如改装的电压表在满刻度时，标准电压表的读数为，则该电压表满刻度时的百分误差。1.5.4 注意事项 注意半偏法测电表内阻时的要求。校对改装的电表时，要从零开始连续校对，则滑动变阻器必须接成分压式。1.5.5 实验误差的来源与分析 本实验存在系统误差。利用半偏法测电阻时，由于闭合电键后，电路的总阻减小，使干路电流大于电流表的满偏电流，故当电流表半偏时，流过电阻箱的电流大于，此时，电阻箱阻值小于，故。由于电流表允许通过的电流太小，也影响了实验测量结果的准确性。电阻箱阻值调节本身就不连续，也是误差来源之一。1.5

20、.6 方法拓展：扩大电流表的量程 小量程的电流表测量范围较小，直接串联在电路中有可能烧坏电流表，因此需要并联一个分流电阻，就可以测量较大的电流，即扩大了电流表的量程。分流电阻的计算：根据并联分流的原理有，解得应并联的分流电阻：S0.5 V1.0 V1.5 V2.0 VmU15.0Wm00100%UUUd-=3 V3.1 V33.1100%3.2%3.1d-=gR2SgIg12IgRggRR测gggIRIIR=-分流 11 电学实验手册高中物理 ，若用表示量程的扩大倍数（即），则。改装成的电流表的内阻为。可见电流表的内阻很小，对于理想的电流表，其内阻可以忽略不计，串联在电路中可以看作短路。ggg

21、=IRRII-分流ngInI=g=1RRn-分流gAggRRRRRRn=+分流分流 12 电学实验手册高中物理 1.6 测定电源电动势和内阻测定电源电动势和内阻 1.6.1 实验目的 进一步熟练电压表、电流表、滑动变阻器的使用。学会用伏安法测电池的电动势和内阻。学会利用图象处理实验数据。1.6.2 实验原理 本实验的原理是闭合电路欧姆定律。公式法 利用实验图所示电路，改变滑动变阻器的阻值，从电流表、电压表中读出几组、值，由，可得：，解之得：。图象法 利用如实验图所示的电路，通过改变的阻值，多测几组、的值(至少测出组)，并且变化范围尽量大些，然后用描点法在图象中描点作图，由图象纵截距找出，由图象

22、斜率找出内电阻，如图所示。应注意当电池内阻较小时，的变化较小，图象中描出的点呈现如图甲所示状态，下面大面积空间得不到利用，所描得的点及做出的图线误差较大。为此，可使纵轴不从零开始，如图乙所示，把纵坐标比例放大，可使结果误差小些。此时，图线与纵轴的交点仍代表电源的电动势，但图线与横轴的交点不再代表短路状态，计算内阻要在直线上选取UIUEIr=-11U=EI r-22UEI r=-1221122112I UI UEIIUUrII-=-=-r真UI6UIEm|tan|UErIIqD=DU 13 电学实验手册高中物理 两个相距较远的点，由它们的坐标值计算出斜率的绝对值，即为内阻。说明：由于电源内阻很小

23、，故电流表对电源而言要外接，不然的话，内阻测量的误差太大。由于偶然误差的存在，公式法的结果可能存在较大的误差，因此在实验中一般采取图象法处理数据。1.6.3 误差分析 偶然误差：主要来源于电压表和电流表的读数以及作图象时描点不很准确。系统误差：系统误差来源于电压表分流，近似地将电流表的示数看作干路电流。实际上电流表的示数比干路电流略小。图象法分析误差 如果由实验得到的数据作出实线（a）所示的图象，那么考虑到电压表的分流后，对应电压表的每一次读数，电流表的示数都略小于干路电流，但是短路电流是准确的，所以得到的图象应是虚线（b），由此可见，按实验图所示的实验电路测出的电源电动势，电源内电阻。等效电

24、源法分析误差 把电压表和电源等效为一新电源，如图虚线框所示，这个等效电源的内阻为和 的并联电阻，也就是测量值，即，。rrgrrR=+测UIUIEE测真rr-14 电学实验手册高中物理 等效电源的电动势为电压表和电源组成回路的路端电压，也就是测量值，即，。由以上分析还可以知道，要减小误差，所选择的电压表内阻应适当大些，使得。1.6.4 实验仪器的选择 本实验的系统误差来源于电压表的分流。为减小该误差，需要减小电压表的分流。减小电压表分流的方法有两方面，一是选取阻值范围小的滑动变阻器，二是在满足量程要求的前提下选取内阻较大的电压表。由于选用了阻值范围小的滑动变阻器，所以电路中电流较大，因而，还需要

25、滑动变阻器的额定电流较大。综上所述，本实验中滑动变阻器的选择原则是：阻值范围较小而额定电流较大；电压表的选择原则是：在满足量程要求的前提下选取内阻较大的；电流表的选择需根据电源电动势和选用的滑动变阻器来确定。VVREErR=+VVrREEER+=VRr!15 电学实验手册高中物理 1.7 练习使用练习使用多用电表多用电表 1.7.1 实验目的 练习使用多用电表测电阻 1.7.2 实验原理 多用电表由表头、选择开关和测量线路三部分组成（如图），表头是一块高灵敏度磁电式电流表，其满度电流约几十到几百，转换开关和测量线路相配合，可测量交流和直流电流、交流和直流电压及直流电阻等。测量直流电阻的部分即欧

26、姆表是依据闭合电路欧姆定律制成的，原理如图所示，当红、黑表笔短接并调节使指针满偏时有 当电笔间接入待测电阻时，有 当时，指针指在表盘刻度中心，故称此时的为欧姆表的中值电阻即，每一个都有一个对应的电流值，如果在刻度盘上直接标出与对应的的值，那么当红、黑表笔分别接触待测电阻的两端，就可以从表盘上直接读出它的阻值。由于电流和电阻的非线性关系，虽然表盘上电流刻度是均匀的，但其对应的电阻刻度是不均匀的，电阻的零刻度在电流满刻度处。1.7.3 注意事项：使用多用表欧姆档时要注意什么?机械调零：使用前先查看指针是否指在左端电阻为无穷大的位置，如不是，则要用螺钉旋具慢慢地调节定位螺钉使指针正确定位。红黑表笔：

27、将红、黑表笔分别插入“”“”插孔，直流电要从红表笔插孔流入，从黑表笔插孔流出。量程选择：扳动选择开关到合适的量程上，尽可能使正式测量时指针停留在中间位置附近，也就是要尽可能利用中这一范围内，以减少测量误差。欧姆调零：短接两表笔，调整欧姆档的调零旋钮，使指针指在零欧姆处，注意每改变一次量程，就要重新调零一次。ARgg0EEIRrRR=+内xRg0 xxxEEIRrRRRR=+内xRR=内g12xII=R内R中1UIIxR 44RR中中 16 电学实验手册高中物理 数据读取：数据读取时，一要注意到欧姆刻度不是均匀的，不要估读；二要注意读得的数据还应乘以量程的倍率；三是测量电路中的某一电阻阻值时，应

28、该先把电源切断，再把待测电阻和其他元件断开，之后再进行测量；四是要注意手不要碰到表笔的金属杆，以免人体电阻与待测电阻并联造成误差。结束工作：测量完毕后，一定要把选择开关切换到交流高压挡或切换到“OFF”挡上，以避免漏电或误操作。测量时怎样正确选择欧姆表的倍率?在实际测量时，可以通过改变倍率使指针指在的范围内，例如，开始时，如发现指针向右偏得过多，说明原倍率选得太大，可改选倍率小一些的再试试，直到指针落在的范围内为止。用欧姆表测量电阻前和换挡后，为什么一定要先进行欧姆调零?欧姆表的表盘刻度是按照标准电动势和内阻进行设计和刻度的，实际应用时，内装电池与标准总有差异，同时，电池用久了，和都可能变化，这就会影响指针的偏转转角，可能指不到指定刻度处而造成误差，所以使用前必须进行欧姆调零。（电池旧了电动势下降，会使电阻测量值偏大）在倍率改变后，欧姆表的内阻电路就发生了相应变化，这时只有通过欧姆调零，才有可能使测量示数与电阻值相符，故每改变一次倍率，都应重新进行调零。44RR中中 44RR中中Er