李樹祥

同學(xué)們在高二上學(xué)期學(xué)習(xí)到的實(shí)驗(yàn)有：測繪小燈泡的伏安特性曲線、測金屬絲的電阻率、練習(xí)使用多用電表、測定電池的電動勢和內(nèi)阻。在這些實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)過程中，我們需要注意哪些問題呢？

一、實(shí)驗(yàn)儀器的使用

同學(xué)們在高二上學(xué)期的學(xué)習(xí)過程中需要掌握的實(shí)驗(yàn)儀器主要是游標(biāo)卡尺、螺旋測微器和多用電表。

使用游標(biāo)卡尺時，應(yīng)先將外測量爪并攏，查看游標(biāo)尺和主尺的零刻度是否對齊，若二者對齊則可以進(jìn)行測量。測量時，右手拿住尺身，大拇指移動游標(biāo)尺，左手拿待測外徑（內(nèi)徑）的物體。測量工件外徑時，先將外測量爪向外移動，使兩外測量爪間距大于工件外徑，再慢慢地移動游標(biāo)尺，使兩外測量爪內(nèi)側(cè)的兩個刃與工件相貼;測量工件內(nèi)徑時，先將內(nèi)測量爪向內(nèi)移動，使兩內(nèi)測量爪間距小于工件內(nèi)徑，再緩慢地向外移動游標(biāo)尺，使兩內(nèi)測量爪外側(cè)的兩個刃與工件相貼。讀數(shù)時，先看游標(biāo)尺的總刻度確定精確度（IO分度、20分度、50分度的精確度分別為0.1 mm、0.05 mm、0.02 mm），再讀出游標(biāo)尺零刻度左側(cè)的主尺整毫米數(shù)（x），找出游標(biāo)尺與主尺刻度線“正對”的位置，并在游標(biāo)尺上讀出對齊線到零刻度的小格數(shù)（n）（不要估讀），最后根據(jù)測量值（L）=主尺讀數(shù)（x）+游標(biāo)尺讀數(shù)（n）×精確度得出測量值。

使用螺旋測微器時，使用前應(yīng)緩緩轉(zhuǎn)動微調(diào)旋鈕，使測微螺桿和測砧接觸，到棘輪發(fā)出“喀喀”的聲音為止，此時可動刻度（活動套筒）上的零刻度應(yīng)當(dāng)和固定刻度（固定套筒）上的基準(zhǔn)線對正，否則有誤差。測量時，左手持尺架，右手轉(zhuǎn)動旋鈕，使測微螺桿與測砧間距稍大于被測物體，放人被測物體后，轉(zhuǎn)動微調(diào)旋鈕到夾住被測物體，直到棘輪發(fā)出“喀喀”的聲音為止，撥動旋鈕使測微螺桿固定后讀數(shù)。讀數(shù)時，先從固定刻度上讀取整、半毫米數(shù)，再從可動刻度上讀取剩余部分（因?yàn)槭?0分度，所以在最小刻度后應(yīng)再估讀一位），然后把兩部分讀數(shù)相加，得到測量值。

使用多用電表時，不管測量的是什么物理量，都必須保證電流從電表的“+”插孔（紅表筆）流人，從“- ”插孔（黑表筆）流出，因此使用歐姆擋時，多用電表內(nèi)部電池的正極接的是黑表筆，負(fù)極接的是紅表筆。使用多用電表前，需要先根據(jù)被測物理量將選擇開關(guān)旋到相應(yīng)的位置，并進(jìn)行機(jī)械調(diào)零，即用小螺絲刀輕旋指針定位螺絲，使指針指左端零刻度處。測量電壓或電流時，應(yīng)先將量程旋至最大量程擋位，根據(jù)指示值的大約數(shù)，再選擇適當(dāng)量程，使得指針有較大的偏轉(zhuǎn)（一般要大于滿偏的1/3），以減少測量誤差。讀數(shù)時，若最小分度為1、0.1、0.01等，則需要估讀到最小分度的下一位;若最小分度不是l、0.1、0. 01等，則只需讀到最小分度位即可。使用歐姆擋測電阻時應(yīng)注意：（l）選擋，一般選比被測電阻的估計值低一個數(shù)量級的擋位，比如估計值為200 Ω，則應(yīng)該選“×10”倍率的擋位。（2）歐姆調(diào)零，把紅、黑表筆短接，調(diào)整歐姆調(diào)零旋鈕使指針指右端零刻度處。（3）將紅、黑表筆接被測電阻兩端進(jìn)行測量，應(yīng)該使指針指在刻度盤中央附近（滿偏的1/3～2/3之間），這樣讀數(shù)最準(zhǔn)確;若指針偏角過小，則應(yīng)換倍率較大的擋位進(jìn)行測量;若指針偏角過大，則應(yīng)換倍率較小的擋位進(jìn)行測量。改變倍率后要重新進(jìn)行歐姆調(diào)零。（4）讀取指針示數(shù)，將指針示數(shù)乘以倍率，得到測量值。（5）測量完成后，應(yīng)將選擇開關(guān)扳到“OFF”或交流電壓最高擋，收起多用電表。

例1 某同學(xué)利用游標(biāo)卡尺和螺旋測微器分別測量一圓柱體工件的直徑和高度，測量結(jié)果如圖1甲、乙所示。該工件的直徑

解析：游標(biāo)卡尺的主尺讀數(shù)為4.2 cm，游標(biāo)尺是20分度，精確度為0.05 mm，游標(biāo)尺上第8個刻度線和主尺上刻度線對齊，因此該工件的直徑為4.2 cm+8×0.05 mm =4. 240 cm。螺旋測微器的固定刻度為1.5 mm，可動刻度為34.5×0.01 mm =0. 345 mm，因此該工件的高度為1.5 mm+0. 345 mm=1.845 mm。

例2 一多用電表的電阻擋有三個倍率，分別是“×1”“×10”“×100”。用“×10”擋測量某電阻時，操作步驟正確，但指針偏轉(zhuǎn)角度很小，為了較準(zhǔn)確地進(jìn)行測量，應(yīng)換到____擋。如果換擋后立即用表筆連接待測電阻進(jìn)行讀數(shù)，那么缺少的步驟是___ ，若補(bǔ)上該步驟后測量，表盤的示數(shù)如圖2所示，則該電阻的阻值是___Ω。

解析：剛開始指針的偏轉(zhuǎn)角度較小，說明選用的倍率偏小，應(yīng)換用大倍率，即換到“×100"擋。使用多用電表測電阻時，每次換擋后都需要重新進(jìn)行歐姆調(diào)零，故缺少的步驟是歐姆調(diào)零。從表盤上可讀出示數(shù)為22，因使用的擋位為“×100”，故該電阻的阻值是22×100Ω=2 200 Ω。

二、實(shí)驗(yàn)儀器及儀器接法的選擇

1.實(shí)驗(yàn)儀器的選擇。

（l）電源的選擇：根據(jù)待測元件的額定電流或額定電壓選擇符合要求的電源。

（2）電表的選擇：根據(jù)電源的電動勢或待測元件的額定電壓選擇電壓表，根據(jù)待測電流的最大值選擇電流表。為確保電表不受損，需保證流過電流表的電流和加在電壓表上的電壓不超過其量程;為減少測量誤差，需使指針偏轉(zhuǎn)角度大于滿偏的1/3。

（3）滑動變阻器的選擇：根據(jù)電路中可能的電流或電壓范圍選擇滑動變阻器，且確保流過滑動變阻器的電流不超過其額定電流。對于大阻值的變阻器，若滑動觸頭稍有移動，電流、電壓就出現(xiàn)很大變化，則不宜采用。

注意：若考慮電表內(nèi)阻的影響，則電壓表和電流表在電路中就既是電表，又是電阻。已知內(nèi)阻的電壓表可當(dāng)電流表使用，已知內(nèi)阻的電流表可當(dāng)電壓表使用，已知電流的定值電阻可當(dāng)電壓表使用，已知電壓的定值電阻可當(dāng)電流表使用。

2.電流表內(nèi)、外接法的選擇。

（1）兩種接法的比較如表1。

（2）兩種接法的判斷方法：

3.滑動變阻器限流、分壓接法的選擇。

（l）兩種接法的對比如表2。

（2）兩種接法的選擇原則：

①要求待測電阻Rx上電壓或電流的變化范圍大，且從零開始連續(xù)可調(diào)時，須用分壓接法。

②當(dāng)待測電阻Rx遠(yuǎn)大于滑動變阻器的總電阻R0時，須用分壓接法，因?yàn)槿舨捎孟蘖鹘臃▌t對電路基本上起不到調(diào)節(jié)作用。

③若采用限流接法時，電路中的最小電流（電壓）仍超過電流表的量程或超過元件的額定電流（電壓）時，則應(yīng)采用分壓接法。

④當(dāng)待測電阻Rx小于滑動變阻器的總電阻R0或二者相差不大，且電壓表或電流表示數(shù)的變化不要求從零開始調(diào)節(jié)時，可以采用限流接法。

⑤當(dāng)兩種接法均可使用時，應(yīng)優(yōu)先選用限流接法，因?yàn)橄蘖鹘臃ǖ碾娐方Y(jié)構(gòu)簡單，總功率較小。

例3 為了測定一根長20.00cm、直徑為0.022 mm的鎳鉻絲的電阻率（電阻率約為1×10^-6Ω.m），實(shí)驗(yàn)室提供下列器材：A.電動勢為15 V的直流電源一只;B.量程為0-200 vA，內(nèi)阻約為3.7 k，0的電流表一只;C.量程為0～20 mA，內(nèi)阻約為40 Ω的電流表一只;D.量程為0-2A，內(nèi)阻約為0.4 Ω的電流表一只;E.量程為0-12 V，內(nèi)阻約為40 kΩ的電壓表一只;F.量程為O-15 V，內(nèi)阻約為50 kΩ的電壓表一只;G.阻值范圍為0-10Ω，額定電流為lA的滑動變阻器一只;H.阻值范圍為0-1 kΩ，額定電流為0.1 A的滑動變阻器一只;I.開關(guān)一個，導(dǎo)線若干。現(xiàn)采用如圖3所示的電路進(jìn)行測量，請按實(shí)驗(yàn)需要，選出適當(dāng)?shù)钠鞑摹３烫?，故電流表?yīng)選C，且需要控制電路中的電流不超過20 mA。因?yàn)殡娫措妱觿轂?5 V，考慮到電流表的量程和滑動變阻器等元件的分壓作用，鎳鉻絲上的電壓可被控制在12 V內(nèi)，所以電壓表應(yīng)選E。因?yàn)樵撾娐分谢瑒幼冏杵鞑捎玫氖窍蘖鹘臃?，阻值范圍?-10 Ω的滑動變阻器接人電路的阻值最大時，電路中的電流仍超過所選電流表C的量程，所以滑動變阻器只能選H。另外，I是必選的。

例4 現(xiàn)要測繪一個額定電壓U=4V、額定功率P=l.6 W的小燈泡的伏安特性曲線。要求所測電壓范圍為0.1 V-4 V?，F(xiàn)有器材：直流電源（電動勢4.5 V，內(nèi)阻不計），電壓表（量程為0-4.5 V，內(nèi)阻約為4×10⁴Ω），電流表A1（量程為0-250 mA，內(nèi)阻約為2 Ω），電流表A2（量程為0-500 mA，內(nèi)阻約為1 Ω），滑動變阻器（最大阻值約為30 Ω），開關(guān)S，導(dǎo)線若干。若既要滿足測量要求，又要測量誤差較小，則應(yīng)選用的電流表是___ ，如圖4所示兩個電路應(yīng)選用的是___ 。

三、實(shí)驗(yàn)步驟

電學(xué)實(shí)驗(yàn)的操作步驟主要包括根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理選取實(shí)驗(yàn)器材，連接線路，改變電路電阻進(jìn)行多次測量，整理并分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論，整理器材等。

例5 如圖5所示為“測繪小燈泡的伏安特性曲線”實(shí)驗(yàn)的實(shí)物圖，已知小燈泡的額定電壓為2.5 V。

（1）完成下列實(shí)驗(yàn)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，逐漸移動滑動變阻器的滑片，____ ;③斷開開關(guān)，拆除電路，整理器材。根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(shí)物電路相對應(yīng)的電路圖。

解析：（1）由實(shí)物圖可知，滑動變阻器采用的是分壓接法。閉合開關(guān)前，應(yīng)使測量電路部分處于短路狀態(tài)，這樣閉合開關(guān)時，電壓表、電流表示數(shù)為零，起到保護(hù)作用。因此閉合開關(guān)前，滑動變阻器的滑片應(yīng)靠近滑動變阻器左端的接線柱。描繪小燈泡燈絲的伏安特性曲線，必須測量多組數(shù)據(jù)，即閉合開關(guān)后，逐漸移動滑動變阻器的滑片，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)，直至小燈泡兩端的電壓達(dá)到額定電壓。

（2）由實(shí)物圖可知，從電源正極出發(fā)，先經(jīng)過開關(guān)，再經(jīng)滑動變阻器分為兩條支路，一路從滑動變阻器左下方接線柱直接回到電源負(fù)極，另一路從滑片經(jīng)電流表、小燈泡回到電源負(fù)極（電壓表與小燈泡并聯(lián)），電路圖如圖6所示。

四、數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理常用多次測量的算術(shù)平均值法、根據(jù)測定的兩組或多組數(shù)據(jù)代入公式求解的公式法、將數(shù)據(jù)記錄在表格中進(jìn)行分析的列表法、根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過描點(diǎn)作圖確定對應(yīng)量的函數(shù)關(guān)系的圖解法等。如在測定電池的電動勢和內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)中，要測出不少于6組的I、U數(shù)據(jù)，且變化范圍要大些，可以采用平均值法求解;也可以采用圖解法，只是需要注意在畫U-I圖像時，要使較多的點(diǎn)落在一條直線上或使各點(diǎn)均勻分布在直線的兩側(cè)，個別偏離直線太遠(yuǎn)的點(diǎn)可舍去不予考慮。另外，當(dāng)電池的內(nèi)阻較小時，路端電壓U的變化也較小，即不會比電動勢小很多，因此在畫U-I圖像時，縱軸U的刻度可以不從零開始，而是根據(jù)測得的數(shù)據(jù)從某一恰當(dāng)值開始（橫軸I必須從零開始），這時圖像和橫軸的交點(diǎn)不再是短路電流，而直線斜率的絕對值還是電池的內(nèi)阻。

側(cè)6 表3中所列數(shù)據(jù)是測量小燈泡U-I關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（l）分析表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，應(yīng)選用的實(shí)驗(yàn)電路是圖7中的

（選填“甲”或“乙”）。

（2）在如圖8所示的方格紙內(nèi)畫出小燈泡的U-I圖像。分析圖像可知，小燈泡的電阻隨I變大而

（選填“變大”“變小”或“不變”）。

解析：（l）由小燈泡U-I關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，小燈泡兩端的電壓可調(diào)為0，只有甲電路能夠?qū)崿F(xiàn)。

（2）小燈泡的U-I圖像如圖9所示，由作出的U-I圖像可知，曲線上各點(diǎn)與原點(diǎn)連線的斜率越來越大，說明小燈泡的電阻隨I變大而變大。

例7 在一次實(shí)驗(yàn)技能比賽中，一同學(xué)設(shè)計了如圖10甲所示的電路來測定電池的電動勢和內(nèi)阻。該同學(xué)選好器材后，用導(dǎo)線將各器材連接成如圖10乙所示的實(shí)物電路，其中R0是保護(hù)電阻。

（l）該同學(xué)在閉合開關(guān)后，發(fā)現(xiàn)電壓表無示數(shù)，電流表有示數(shù)，在選用器材時，除導(dǎo)線外，其他器材經(jīng)檢測都是完好的，則出現(xiàn)故障的原因是 。