張 巧 李樹(shù)祥(特級(jí)教師)

電學(xué)實(shí)驗(yàn)是歷年高考的必考內(nèi)容,同時(shí)也是高考的一個(gè)難點(diǎn),為了提高電學(xué)實(shí)驗(yàn)得分率,我們?cè)趯W(xué)習(xí)它的過(guò)程中應(yīng)掌握哪些要點(diǎn)呢?

1 基本儀器的使用

電學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及的儀器主要有電流表、電壓表、滑動(dòng)變阻器、電阻箱、多用電表及測(cè)量金屬電阻率所用的刻度尺和游標(biāo)卡尺或螺旋測(cè)微器．對(duì)這些儀器，要了解它們的構(gòu)造、原理、用途,掌握儀器的量程、使用方法和使用規(guī)則,達(dá)到熟練操作、正確讀數(shù)．在讀數(shù)時(shí)要做好以下幾點(diǎn):1)注意儀器的量程;2)注意每小格表示的數(shù)值和單位;3)掌握需要估讀的實(shí)驗(yàn)儀器的讀數(shù)基本規(guī)則,即最小刻度是“1”的儀器,要求讀到最小刻度后再往下估讀一位;凡儀器最小刻度是“2”和“5”的,只要求讀到最小刻度所在的這一位,不再往下估讀．最小刻度是“2”的儀器需進(jìn)行二分之一估讀,最小刻度是“5”的儀器需進(jìn)行五分之一估讀．4)游標(biāo)卡尺和歐姆表不估讀．

圖1

(1)根據(jù)圖1畫出實(shí)驗(yàn)電路圖.

(2)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器得到了兩組電流表與電壓表的示數(shù)如圖2中的①、②、③、④所示,電流表量程為0.6A,電壓表量程為3V．

圖2

所示讀數(shù)為:①____, ②______, ③______, ④______．兩組數(shù)據(jù)得到的電阻分別為_(kāi)_______和________．

圖3

(2)電流表的量程為0.6A,所以每小格表示的分度值為0.02A,故①的讀數(shù)為0.10A, ②的讀數(shù)為0.24A.電壓表的量程為3V,則每一小格表示0.1V,所以③的示數(shù)為2.00V, ④的示數(shù)為0.27V．

2 實(shí)驗(yàn)器材的選擇

選擇電學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器主要是選擇電表、滑動(dòng)變阻器、電源等器件,選擇時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn):1)首先確定實(shí)驗(yàn)條件,然后按電源—電壓表—電流表—變阻器順序依次選擇．2)電源的選擇:在不超過(guò)待測(cè)器材所允許的最大電壓值的情況下,選擇電動(dòng)勢(shì)較大的電源(以獲得更多的測(cè)量數(shù)據(jù))．在相同電動(dòng)勢(shì)情況下,通常選擇內(nèi)電阻較小的電源(以獲得較穩(wěn)定的路端電壓)．3)電壓表和電流表的量程選擇:首先,保證流過(guò)電流表的電流和加在電壓表兩端的電壓均不超過(guò)量程．然后合理選擇量程,量程越接近測(cè)量值越好,使指針有較大偏轉(zhuǎn)(一般取滿偏的2/3 左右),以減少測(cè)量和讀數(shù)的誤差．4)變阻器的選擇:所選用的變阻器的額定電流應(yīng)大于電路中通過(guò)變阻器的最大電流,以確保變阻器的安全;為滿足實(shí)驗(yàn)中電流變化的需要和調(diào)節(jié)的方便,在分壓式接法中,應(yīng)選用電阻較小而額定電流較大的變阻器,而在限流式接法中,變阻器的阻值不能太?。?/p>

A. 電壓表 (量程0～1 V,內(nèi)阻約為10 kΩ)

B. 電壓表(量程0～10 V,內(nèi)阻約100 kΩ)

C. 電流表(量程0～1 mA，內(nèi)阻約為30 Ω)

D. 電流表(量程0～0.6 A,內(nèi)阻約為0.05 Ω)

E. 電源(電動(dòng)勢(shì)1.5 V,額定電流0.5 A,內(nèi)阻不計(jì))

F. 電源(電動(dòng)勢(shì)12 V,額定電流2 A,內(nèi)阻不計(jì))

G. 滑動(dòng)變阻器R(阻值范圍0～10 Ω,額定電流2 A)

(1) 為使測(cè)量盡量準(zhǔn)確,電壓表選用________,電流表選用________,電源選用________(均填器材的字母代號(hào))．

(2) 畫出測(cè)量Rx阻值的實(shí)驗(yàn)電路圖．

(3) 該同學(xué)選擇器材、連接電路和操作均正確,從實(shí)驗(yàn)原理上看,待測(cè)電阻測(cè)量值會(huì)________其真實(shí)值(填“大于”“小于”或“等于”),原因是________．

圖4

3 電路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)需要注意的是限流式電路、分壓式電路和電流表內(nèi)接法與外接法的選擇．兩種電路的選取原則是:

1) 要求負(fù)載上電壓或電流變化范圍大,且從零開(kāi)始連續(xù)可調(diào),須用分壓式接法．

2) 負(fù)載電阻Rx遠(yuǎn)大于滑動(dòng)變阻器總電阻R時(shí),須用分壓式接法,此時(shí)若采用限流式接法對(duì)電路基本起不到調(diào)節(jié)作用．

3) 采用限流電路時(shí),電路中的最小電流(電壓)仍超過(guò)電流表的量程或超過(guò)用電器的額定電流(電壓)時(shí),應(yīng)采用變阻器的分壓式接法．

4) 負(fù)載電阻的阻值Rx小于滑動(dòng)變阻器的總電阻R或相差不大,并且電壓表、電流表示數(shù)變化不要求從零開(kāi)始起調(diào),可用限流式接法．兩種電路均可使用時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用限流式接法,因?yàn)橄蘖麟娐方Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,總功率較?。?/p>

小明采用伏安法測(cè)量電線電阻,正確連接電路后,調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器,電流表的示數(shù)從0開(kāi)始增加,當(dāng)示數(shù)為0.5A時(shí),電壓表示數(shù)如圖5所示,讀數(shù)為_(kāi)_______V,根據(jù)小明測(cè)量的信息,圖6中P點(diǎn)應(yīng)該________(填“接a”“接b” “接c”或“不接”) ，Q點(diǎn)應(yīng)該________(填“接a”“接b”“接c”或“不接”),小明測(cè)得的電線長(zhǎng)度為_(kāi)_______m．

圖5 圖6

4 實(shí)驗(yàn)步驟

電學(xué)實(shí)驗(yàn)步驟一般如下：根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理選取實(shí)驗(yàn)器材,設(shè)計(jì)電路,實(shí)物連線,開(kāi)關(guān)合上前調(diào)節(jié)可變電阻使電路中電流最小,改變電路電阻進(jìn)行測(cè)量(一般是多次測(cè)量),記錄數(shù)據(jù),整理并分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論,整理器材．當(dāng)然,不同實(shí)驗(yàn)的步驟也有所不同,這就要求我們要到實(shí)驗(yàn)室去,認(rèn)認(rèn)真真地做一次實(shí)驗(yàn),提升自己的動(dòng)手能力．

圖7

(1)完成下列實(shí)驗(yàn)步驟:

① 閉合開(kāi)關(guān)前,調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的滑片,______;

② 閉合開(kāi)關(guān)后,逐漸移動(dòng)變阻器的滑片,______;

③ 斷開(kāi)開(kāi)關(guān)……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(duì)應(yīng)的電路圖．

圖8

② 因?yàn)槭敲枥L伏安特性曲線,需要電壓從0開(kāi)始,并要有適當(dāng)多的測(cè)量數(shù)據(jù),這樣才能使描繪較為準(zhǔn)確,故答案為“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),直至電壓達(dá)到額定電壓”．

(2)電路圖如圖8所示.

5 實(shí)物連接

連接實(shí)物電路時(shí)要依據(jù)電路圖進(jìn)行連接,一般原則是從頭到尾,順藤摸瓜,先串后并,電壓表最后畫．具體如下:

1)先畫實(shí)驗(yàn)電路原理圖,再按原理圖連接實(shí)物圖．

2)由題給條件進(jìn)行估算,確定電表在電路中使用的量程．

3)根據(jù)題給條件判斷電流表是內(nèi)接還是外接．

4)根據(jù)題給條件確定變阻器的接法(是限流接法還是分壓接法),目的是調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器時(shí)電流表和電壓表示數(shù)變化明顯．

5)遵循先串后并的原則．一般先從電源正極出發(fā),到開(kāi)關(guān),再到滑動(dòng)變阻器等,按順序依單線連接方式將主電路中要串聯(lián)的元件串聯(lián)起來(lái),再將要并聯(lián)的元件并聯(lián)到電路中去,最后回到電源的負(fù)極．變阻器限流接法開(kāi)始時(shí)阻值最大,分壓接法開(kāi)始時(shí)變阻器輸出端的阻值最小,同時(shí)注意分清電表的正負(fù)極．

6)各線頭必須接在接線柱上．

7)連接完畢,應(yīng)進(jìn)行檢查.檢查電路也應(yīng)該按照連線的方法和順序.

供選擇的儀器如下:

③ 定值電阻R1(300Ω),

④ 定值電阻R2(10Ω),

⑤ 滑動(dòng)變阻器R3(0～1 000Ω),

⑥ 滑動(dòng)變阻器R4(0～20Ω),

⑦ 干電池(1.5V),

⑧ 開(kāi)關(guān)S及導(dǎo)線若干．

(1) 定值電阻應(yīng)選________,滑動(dòng)變阻器應(yīng)選________(在空格內(nèi)填寫序號(hào))．

(2) 把圖10實(shí)物用連線連接．

圖9 圖10

(3) 補(bǔ)全實(shí)驗(yàn)步驟:

① 按電路圖連接電路,________;

③ ____________________________;

圖11

④ 以I2為縱坐標(biāo),I1為橫坐標(biāo),作出相應(yīng)圖線,如圖11所示．

(4) 根據(jù)I2-I1圖線的斜率k及定值電阻,寫出待測(cè)電流表內(nèi)阻的表達(dá)式________．

圖12

(2) 直接根據(jù)電路圖連接實(shí)物圖,先將電源的負(fù)極連接到滑動(dòng)變阻器的繞線右下角的接線柱上,然后將左下角的接線柱與開(kāi)關(guān)左端相連,將開(kāi)關(guān)右端與電源正極相連,這樣形成主干路,然后再連接支路,注意電表的正負(fù)極．實(shí)物連線圖如圖12.

6 數(shù)據(jù)處理

電學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及的數(shù)據(jù)處理主要方法是圖象法和結(jié)合實(shí)驗(yàn)原理列表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算,即公式法．應(yīng)用圖象法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)看清圖象坐標(biāo)軸表示的物理量,弄清橫、縱截距和圖象斜率的物理意義．應(yīng)用公式法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí),應(yīng)先理順實(shí)驗(yàn)原理，結(jié)合試題提供的條件進(jìn)行推理,分析運(yùn)算得出物理表達(dá)式．

圖13

(2) 保持S1閉合,斷開(kāi)S2,多次改變R1的阻值,并記錄電流表的相應(yīng)示數(shù)．若某次R1的示數(shù)如圖14所示,則此次R1的阻值為_(kāi)_______Ω;

圖14 圖15

(2) 電阻箱R1的讀數(shù)為148.2 Ω.

7 誤差分析

誤差有系統(tǒng)誤差和偶然誤差．涉及電表的系統(tǒng)誤差主要有電流表內(nèi)接時(shí),電流表的分壓會(huì)使測(cè)量值偏大;電流表外接時(shí),電壓表的分流會(huì)使測(cè)量值偏?。到y(tǒng)誤差是可以通過(guò)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法來(lái)消除的．如電流表的內(nèi)阻確定,用電流表的內(nèi)接法,就可以消除電流表的分壓帶來(lái)的系統(tǒng)誤差;如電壓表的內(nèi)阻確定,用電流表的外接法,可以消除電壓表分流所帶來(lái)的系統(tǒng)誤差．偶然誤差主要是讀數(shù)時(shí)估讀所帶來(lái)的誤差,這類誤差只能通過(guò)多次測(cè)量取平均值來(lái)減小,不能消除．

② 根據(jù)圖16,用筆畫線代替導(dǎo)線將圖17連接成完整電路.

圖16 圖17

③ 某次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)如表1所示.

表1

該小組借鑒“研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)中計(jì)算加速度的方法(逐差法),計(jì)算出電池組的內(nèi)阻r=________Ω(保留兩位小數(shù));為減小偶然誤差,逐差法在數(shù)據(jù)處理方面體現(xiàn)出的主要優(yōu)點(diǎn)是________．

④ 該小組在前面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,為探究圖16電路中各元器件的實(shí)際阻值對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,用一已知電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的標(biāo)準(zhǔn)電池組,通過(guò)上述方法多次測(cè)量后發(fā)現(xiàn):電動(dòng)勢(shì)的測(cè)量值與已知值幾乎相同,但內(nèi)阻的測(cè)量值總是偏大．若測(cè)量過(guò)程無(wú)誤,則內(nèi)阻測(cè)量值總是偏大的原因是________．(填選項(xiàng)前的字母)

A. 電壓表內(nèi)阻的影響

B. 滑動(dòng)變阻器的最大阻值偏小

C. R1的實(shí)際阻值比計(jì)算值偏小

D. R0的實(shí)際阻值比標(biāo)稱值偏大

圖18

② 連線圖如圖18.

采用第1與第5次數(shù)據(jù)時(shí)

采用第2與第6次數(shù)據(jù)時(shí)

采用第3與第7次數(shù)據(jù)時(shí)

采用第4與第8次數(shù)據(jù)時(shí)

逐差法在數(shù)據(jù)處理方面體現(xiàn)出的主要優(yōu)點(diǎn)是充分利用取得的數(shù)據(jù)．

④ 由閉合電路歐姆定律E=U+I(R0+r)可知,由于電壓表內(nèi)阻的影響,導(dǎo)致通過(guò)電源的電流比測(cè)量值偏大,故內(nèi)阻測(cè)量值總是偏小,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;滑動(dòng)變阻器的阻值不會(huì)影響內(nèi)阻r的測(cè)量結(jié)果,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;電表改裝時(shí),R1的實(shí)際阻值比計(jì)算值偏小,可導(dǎo)致通過(guò)表頭的電流偏小,電流表讀數(shù)偏小,故內(nèi)阻測(cè)量值總是偏大,故選項(xiàng)C正確;由E=U+I(R0+r)知,R的實(shí)際阻值比標(biāo)稱值偏大,可導(dǎo)致內(nèi)阻測(cè)量值總是偏大,故選項(xiàng)D正確．

8 故障分析

常見(jiàn)的電路故障如下:

1)閉合開(kāi)關(guān)時(shí)燈泡不亮,電流表和電壓表無(wú)示數(shù),可能原因是滑動(dòng)變阻器損壞或者接線柱接觸不良,或出現(xiàn)了斷路．

2)電流表與電壓表的指針偏轉(zhuǎn)角度很小,可能原因是電流表與電壓表的量程選擇過(guò)大或者電源電壓過(guò)低．

3)電表的指針超過(guò)最大刻度,可能原因是電表量程選擇過(guò)小或電路中出現(xiàn)短路．

4)滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)觸頭滑動(dòng)時(shí),電表示數(shù)及燈泡的亮度不變,可能是滑動(dòng)變阻器連接錯(cuò)誤,沒(méi)有遵循“一上一下”的接線原則,同時(shí)接在了上面或者下面兩個(gè)接線柱上．

圖19 圖20

(1) 斷開(kāi)開(kāi)關(guān),紅表筆接a點(diǎn)時(shí)多用表指示如圖20所示,讀數(shù)為_(kāi)_______V,說(shuō)明________正常(填“蓄電池”“保險(xiǎn)絲”“開(kāi)關(guān)”“小燈”)．

(2) 紅表筆接b點(diǎn),斷開(kāi)開(kāi)關(guān)時(shí),表針不偏轉(zhuǎn),閉合開(kāi)關(guān)后,多用表指示仍然和圖20相同,可判斷發(fā)生故障的器件是________．(填“蓄電池”“保險(xiǎn)絲”“開(kāi)關(guān)”“小燈”)

(2) 兩表筆接b、c之間,并閉合開(kāi)關(guān),測(cè)試電壓相同,說(shuō)明a、b之間是通路,b、c之間是斷路,所以故障器件是小燈．

9 注意事項(xiàng)

為了實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行,避免實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)差錯(cuò)并盡量減少實(shí)驗(yàn)中的誤差,每個(gè)實(shí)驗(yàn)都有應(yīng)該注意的事項(xiàng),如使用彈簧測(cè)力計(jì)、電流表、電壓表、歐姆表等儀器時(shí)要先調(diào)零;電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用4～6 V的交流電,電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用220 V的交流電;使用多用電表的歐姆擋測(cè)電阻時(shí),待測(cè)電阻不能與別的元件或電源相連,兩手不能接觸表筆的金屬部分,更換量程后要重新調(diào)零;用電流表和電壓表測(cè)定電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻時(shí),不能將電流調(diào)得過(guò)大,且讀電表要快;在“測(cè)定金屬的電阻率”實(shí)驗(yàn)中,測(cè)電阻時(shí)電流不能過(guò)大,通電時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，等等．

(1)(多選題)用多用電表測(cè)電流或電阻的過(guò)程中________.

A. 在測(cè)量電阻時(shí),更換倍率后必須重新進(jìn)行調(diào)零

B. 在測(cè)量電流時(shí),更換量程后必須重新進(jìn)行調(diào)零

C. 在測(cè)量未知電阻時(shí),必須先選擇倍率最大擋進(jìn)行試測(cè)

D. 在測(cè)量未知電流時(shí),必須先選擇電流最大量程進(jìn)行試測(cè)

(2) 測(cè)量時(shí)多用電表指針指在如圖21所示位置．若選擇開(kāi)關(guān)處于“10V”擋,其讀數(shù)為_(kāi)_______V;若選擇開(kāi)關(guān)處于“×10”擋,其讀數(shù)________200Ω(填“大于”“等于”或“小于”)．

圖21

(2)若選擇開(kāi)關(guān)處于“10V”擋,則電表的最小刻度為0.2V,此時(shí)讀數(shù)為5.4V;若選擇開(kāi)關(guān)處于“×10”擋, 此時(shí)指針指示位置約指在“10”和“30”的中間位置,因?yàn)闅W姆表的刻度特點(diǎn)是右邊稀左邊密,所以讀數(shù)應(yīng)該小于200Ω．