电学实验背记内容.docx
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电学实验背记内容
附:
电学实验背记内容
一、螺旋测微器的构造原理及读数
1.螺旋测微器的构造:
如图1所示是常用的螺旋测微器.它的测砧A和固定刻度B固定在尺架C上.旋钮D、微调旋钮D′和可动刻度E、测微螺杆F连在一起,通过精密螺纹套在B上.
图1
2.螺旋测微器的原理:
测微螺杆F与固定刻度B之间的精密螺纹的螺距为0.5mm,即旋钮D每旋转一周,F前进或后退0.5mm,而可动刻度E上的刻度为50等份,每转动一小格,F前进或后退0.01mm.即螺旋测微器的精确度为0.01mm.读数时估读到毫米的千分位上,因此,螺旋测微器又叫千分尺.
3.读数:
测量时被测物体长度的整数毫米数由固定刻度读出,小数部分由可动刻度读出.测量值(毫米)=固定刻度数(毫米)(注意半毫米刻度线是否露出)+可动刻度数(估读一位)×0.01(毫米)
二、游标卡尺
1.构造:
主尺、游标尺(主尺和游标尺上各有一个内外测量爪)、游标尺上还有一个深度尺,尺身上还有一个紧固螺钉.(如图2所示)
图2
2.用途:
测量厚度、长度、深度、内径、外径.
3.原理:
利用主尺的最小分度与游标尺的最小分度的差值制成.
不管游标尺上有多少个小等分刻度,它的刻度部分的总长度比主尺上的同样多的小等分刻度少1mm.常见的游标卡尺的游标尺上小等分刻度有10个的、20个的、50个的,其读数见下表:
游标尺
精度
(mm)
测量长度L=N+k
(mm)(游标尺上第k格与主尺上的刻度线对齐时)
总刻度
格数n
刻度总长度(mm)
每小格与主尺1格(1mm)相差
10
9
0.1
0.1
N(主尺上读的整毫米数)+
k
20
19
0.05
0.05
N(主尺上读的整毫米数)+
k
50
49
0.02
0.02
N(主尺上读的整毫米数)+
k
三、伏安法测电阻
1.电流表、电压表的应用
电流表内接法
电流表外接法
电路图
误差
原因
电流表分压
U测=Ux+UA
电压表分流
I测=Ix+IV
电阻
测量值
R测=
=Rx+RA>Rx
测量值大于真实值
R测=
=
测量值小于真实值 适用条件 RA≪Rx RV≫Rx 口诀 大内偏大(大电阻用内接法测量,测量值偏大) 小外偏小(小电阻用外接法测量,测量值偏小) 2.伏安法测电阻的电路选择 (1)阻值比较法: 先将待测电阻的估计值与电压表、电流表内阻进行比较,若Rx较小,宜采用电流表外接法;若Rx较大,宜采用电流表内接法. (2)临界值计算法 Rx< 时,用电流表外接法;Rx> 时,用电流表内接法. (3)实验试探法: 按图3接好电路,让电压表一根接线柱P先后与a、b处接触一下,如果电压表的示数有较大的变化,而电流表的示数变化不大,则可采用电流表外接法;如果电流表的示数图3有较大的变化,而电压表的示数变化不大,则可采用电流表内接法. 四、滑动变阻器的限流接法和分压接法 1.两种接法比较 方式 内容 限流式接法 分压式接法 对比说明 两种接法电路图 串、并联关系不同 负载R上电压调节范围 ≤U≤E 0≤U≤E 分压电路调节范围大 负载R上电流调节范围 ≤I≤ 0≤I≤ 分压电路调节范围大 闭合S前触头位置 b端 a端 都是为了保护电路元件 由上表可以看出: 滑动变阻器的分压式接法中,电压和电流的调节范围大,限流式接法较节能. (2)两种接法的适用条件 ①限流式接法适合测量阻值小的电阻(跟滑动变阻器的总电阻相比相差不多或比滑动变阻器的总电阻还小). ②分压式接法适合测量阻值较大的电阻(一般比滑动变阻器的总电阻要大). ③如果R很小,限流式接法中滑动变阻器分得电压较大,调节范围也比较大.R很大时,分压式接法中R几乎不影响电压的分配,滑片移动时,电压变化接近线性关系,便于调节. a.若采用限流式接法不能控制电流满足实验要求,即若滑动变阻器阻值调到最大时,待测电阻上的电流(或电压)仍超过电流表(或电压表)的量程,或超过待测电阻的额定电流(或电压),则必须选用分压式接法. b.若待测电阻的阻值比滑动变阻器总电阻大得多,以致在限流电路中,滑动变阻器的滑片从一端滑到另一端时,待测电阻上的电流或电压变化不明显,此时,应改用分压电路. c.若实验中要求电压从零开始调节,则必须采用分压式接法. d.两种电路均可使用的情况下,应优先采用限流式接法,因为限流式接法电路简单、耗能低. 1.下列三种情况必须选用分压式接法 (1)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. (2)当用电器的电阻RL远大于滑动变阻器的最大值R0时,必须采用分压接法.因为按图(b)连接时,因RL>>R0>Rap,所以RL与Rap的并联值R并≈Rap,而整个电路的总阻值约为R0,那么RL两端电压UL=IR并= ·Rap,显然UL∝Rap,且Rap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. (3)若采用限流接法,电路中实际电压(或电流)的最小值仍超过RL的额定值时,只能采用分压接法. 2.下列情况可选用限流式接法 (1)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RL与R0相差不大或RL略小于R0,采用限流式接法. (2)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. (3)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. 五、电阻测量的方法归类 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: (1)欧姆表测量: (2)替代法: 如图10-13所示。 先把双刀双掷开关S2扳到1,闭合S1,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I(最好为一整数)。 再把开关S2扳到2,调整电阻箱R0,使得电流表指针仍指到示数I。 读出此时电阻箱的阻值r,则未知电阻Rx的阻值等于r。 (3)伏安法: (4)比例法: 例如,测电流表和电压表的内阻,如果有可以作为标准的已知电阻的电表,都可以使用比例法。 采用比例法测电阻的依据是: 串联电路电压与电阻成正比,并联电路电流与电阻成反比。 电压表可显示电阻两端的电压值,电流表可显示电阻中通过的电流,所以测电流表内阻应把两电流表并联,测电压表内阻应把两电压表串联,电路图分别如图10-14(甲)、(乙)所示。 (5)半值法(半偏法)。 半值法是上面比例法的一个特例,测电流表内阻和测电压表内阻都可以用半值法,电路图如图10-15所示。 甲图实验时先断开开关S’,闭合S,调整滑动变阻器R01(限流法连接),使电流表A满度(即指针指满刻度处);再闭合S’,调整电阻箱R1,使电流表A的指针恰好指到半满度处,读出此时电阻箱的阻值R,则电流表A的电阻rA=R。 (测量结果偏小) 乙图实验时先闭合开关S’及S,调整滑动变阻器R02(分压法连接),使电压表V满度;再断开S’,调整电阻箱R2,使电压表V的指针恰好指到半满度处,读出此时电阻箱的阻值R,则电压表V的电阻rV=R。 (测量结果偏大) 六、测量金属的电阻率 【实验原理】由R=ρ 得ρ= ,因此,只要测出金属丝的长度l,横截面积S和金属丝的电阻R,即可求出金属丝的电阻率ρ. (1)把金属丝接入电路中,用伏安法测金属丝的电阻R(R= ).电路原理图如图所示. (2)用毫米刻度尺测量金属丝的长度l,用螺旋测微器量得金属丝的直径,算出横截面积S.(3)将测量的数据代入公式ρ= 求金属丝的电阻率. 【实验器材】毫米刻度尺、螺旋测微器、直流电流表和直流电压表、滑动变阻器(阻值范围0~50Ω)、电池组、开关、被测金属丝、导线若干. 【实验步骤】 1.直径测定: 用螺旋测微器在被测金属导线上的三个不同位置各测一次直径,求出其平均值d,计算出导线的横截面积S= . 2.电路连接: 连接好用伏安法测电阻的实验电路. 3.长度测量: 用毫米刻度尺测量接入电路中的被测金属导线的有效长度,反复测量3次,求其平均值l. 4.U、I测量: 把滑动变阻器的滑动片调节到使接入电路中的电阻值最大的位置,电路经检查确认无误后,闭合开关S,改变滑动变阻器滑动片的位置,读出几组相应的电流表、电压表的示数I和U的值,填入记录表格内,断开开关S,求出金属导线电阻R的平均值.5.拆除电路,整理好实验器材. 【数据处理】1.在求R的平均值时可用两种方法 (1)用R= 分别算出各次的数值,再取平均值. (2)用U-I图线的斜率求出. 2.计算电阻率: 将记录的数据R、l、d的值代入电阻率计算式ρ=R = . 【误差分析】 1.金属丝的横截面积是利用直径计算而得,直径的测量是产生误差的主要来源之一. 2.采用伏安法测量金属丝的电阻时,由于采用的是电流表外接法,测量值小于真实值,使电阻率的测量值偏小. 3.金属丝的长度测量、电流表和电压表的读数等也会带来偶然误差. 4.由于金属丝通电后发热升温,会使金属丝的电阻率变大,造成测量误差. 七、描绘小电珠的伏安特性曲线 【实验原理】 1.用电流表测出流过小电珠的电流,用电压表测出小电珠两端的电压,测出多组(U,I)值,在U-I坐标系中描出各对应点,用一条平滑的曲线将这些点连起来. 2.电流表外接: 因为小电珠的电阻很小,如果电流表内接,误差明显较大;滑动变阻器采用分压式接法,使电压能从零开始连续变化. 【实验器材】 小电珠(3.8V,0.3A)或(2.5V,0.6A)一个、电压表(0~3V~15V)与电流表(0~0.6A~3A)各一个、滑动变阻器(最大阻值20Ω)一个、学生低压直流电源(或电池组)、开关一个、导线若干、坐标纸、铅笔. 【实验步骤】 1.确定电流表、电压表的量程,采用电流表外接法,滑动变阻器采用分压式接法,按图的原理图连接好实验电路 2.把滑动变阻器的滑片调节到图中最左端,接线经检查无误后闭合开关S. 3.移动滑动变阻器滑片位置,测出多组不同的电压值U和电流值I,并将测量数据填入表格中,断开开关S. U(V) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 I(A) U(V) 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 3.8 I(A) 4.拆除电路,整理仪器. 【数据处理】 1.在坐标纸上以U为横轴,I为纵轴,建立直角坐标系. 2.在坐标纸上描出各组数据所对应的点.(坐标系纵轴和横轴的标度要适中,以使所描图线充分占据整个坐标纸为宜) 3.将描出的点用平滑的曲线连结起来,就得到小灯泡的伏安特性曲线. 【误差分析】 1.由于电压表、电流表不是理想电表,电表内阻对电路的影响会带来误差. 2.电流表、电压表的读数带来误差,要严格按照读数规则读数. 3.在坐标纸上描点、作图带来操作误差. 【注意事项】 1.电路的连接方式 (1)电流表应采用外接法,因为小电珠(3.8V,0.3A)的电阻很小,与0~0.6A的电流表串联时,电流表的分压影响很大. (2)滑动变阻器应采用分压式接法,目的是使小电珠两端的电压能从零开始连续变化. 2.闭合开关S前,滑动变阻器的触头应移到使小电珠分得电压为零的一端,使开关闭合时小电珠的电压从零开始变化,同时也是为了防止开关刚闭合时因小电珠两端电压过大而烧坏灯丝. 3.I-U图线在U0=1.0V左右将发生明显弯曲,故在U0=1.0V左右描点要密,以防出现较大误差. 4.电流表选择0.6A量程,电压表量程的选择视小电珠的额定电压而定,即若使用“3.8V,0.3A”的小电珠,选用电压表的15V量程;若使用“2.5V,0.6A”的小电珠,则选用电压表的3V量程. 5.当小电珠的电压接近额定值时要缓慢增加,到额定值记录后马上断开开关.6.误差较大的点要舍去,I-U图线应是平滑曲线而非折线. 八、仪器选择的基本思路 (1)优先考虑安全因素: 各电表的实际读数不能超过其量程,电阻类元件中的实际电流(或电压)不能超过其允许的最大电流(或电压).实际处理过程中,需要估算回路中的最大电流(一般应假设变阻器采用限流接法时进行估算).如: 用伏安法作出标有“6V,0.6W”字样的小灯泡的U-I图线,则实际加在灯泡两端的电压的最大值不能超过6V. (2)考虑读数误差因素: 一般要求各电表的实际读数不小于其量程的 ,以减小读数误差. (3)仪器选择的一般步骤: ①首先选择唯一性的器材;②粗画电路图(暂不接电流表和电压表);③估算回路中电流和电压的最大值,在电表的指针有较大幅度的偏转但不超过其量程的情况下,结合已知器材的规格,确定实验电路和实验器材. 九、实验电路设计的思路方法 电路设计也是高考实验题中常考题型之一.首先应明确题目的要求,看清题目要求测定什么物理量,验证、探究什么物理规律,或要求设计达到何种标准的电路等.其设计原则是: 安全、方便、经济.任何实验电路都由测量电路和控制电路构成,测量电路又由电表和被测元件构成,而控制电路由变阻器、开关、电源构成.在测量电路中,一般由电流表内接和外接两种方式,对于给定电表内阻的情况,应先比较R0与待测电阻Rx的关系,其中R0= ,若Rx>R0,则设计为内接;若Rx ①数据要求从0开始;②变阻器阻值太小、限流限不住;③变阻器调节时,不能获取有区分度的多组数据. 十测定电源的电动势和内阻 【实验原理】 1.实验依据: 闭合电路的欧姆定律 2.实验电路: 如图所示 3.E和r的求解: 由U=E-Ir 得 ,解得 4.作图法数据处理,如图所示. (1)图线与纵轴交点为E. (2)图线与横轴交点为I短= . (3)图线的斜率表示r= . 特别提醒 图线斜率的绝对值为电源内阻r的大小;当I=0时,U=E,即图线与纵轴的交点坐标值;当U=0时,I为短路时的电流,即图线与横轴的交点坐标值.但要注意,有时纵轴起点不是零,这时图线与横轴的交点不是短路电流,图线斜率的绝对值仍是内阻值,与纵轴的交点坐标值仍为电源的电动势值. 【实验器材】 电池(被测电源)、电压表、电流表、滑动变阻器、开关、导线、坐标纸. 【实验步骤】 1.连接电路: 电流表用0.6A量程,电压表用3V量程,按图连接好电路. 2.测量与记录 (1)把变阻器的滑片移动到使用阻值最大的一端. (2)闭合开关,调节变阻器,使电流表有明显示数并记录一组数据(I1、U1).用同样方法测量多组I、U值.填入表格中. 第1组 第2组 第3组 第4组 第5组 第6组 I/A U/V (3)断开开关,拆除电路整理好器材. 【数据处理】 本实验中数据的处理方法,一是联立方程求解的公式法,二是描点画图法. 方法一 取六组对应的U、I数据,数据满足的关系式U1=E-I1r、U2=E-I2r、U3=E-I3r…让第1式和第4式联立方程,第2式和第5式联立方程,第3式和第6式联立方程,这样解得三组E、r,取其平均值作为电池的电动势E和内阻r的大小. 方法二 在坐标纸上以路端电压U为纵轴、干路电流I为横轴建立U—I坐标系,在坐标平面内描出各组(U,I)值所对应的点,然后尽量多地通过这些点作一条直线,不在直线上的点大致均匀分布在直线两侧,则直线与纵轴交点的纵坐标值即是电池电动势的大小(一次函数的纵轴截距),直线斜率的绝对值即为电池的内阻r.即r=| |. 【误差分析】 1.偶然误差 (1)由读数不准和电表线性不良引起误差. (2)用图象法求E和r时,由于作图不准确造成的误差. (3)测量过程中通电时间过长或电流过大,都会引起E、r变化. 2.系统误差: 由于电压表和电流表内阻影响而导致的误差. (1)如图甲所示,在理论上E=U+(IV+IA)r,其中电压表示数U是准确的电源两端电压,而实验中忽略了通过电压表的电流IV而形成误差,而且电压表示数越大,IV越大. 结论: ①当电压表示数为零时,IV=0,IA=I短,短路电流测量值=真实值. ②E测 ,所以r测 (2)若采用如下图甲所示的电路,IA为电源电流真实值,理论上有E=U+UA+IAr,其中UA不可知,而造成误差,而且电流表示数越大,UA越大,当电流为零时,UA=0,电压为准确值,等于E,如图乙所示. 甲 乙 结论: ①E为真实值.②I短测 ,所以r测>r真,r测为r真和RA的串联值,由于通常情况下电池的内阻较小,所以这时r测的测量误差非常大. 【注意事项】 1.为了使电池的路端电压变化明显,电池的内阻宜大些(选用已使用过一段时间的干电池). 2.要测出不少于6组的(I,U)数据,且变化范围要大些,然后用方程组求解,并求平均值. 3.画U-I图线时,由于读数的偶然误差,描出的点不在一条直线上,在作图时应使图线通过尽可能多的点,并使不在直线上的点均匀分布在直线的两侧,个别偏离直线太远的点可舍去.这样就可使偶然误差得到部分抵消,从而提高精确度. 4.由于干电池的内阻较小,路端电压U的变化也较小,这时画U-I图线时,纵轴的刻度可以不从零开始,而是根据测得的数据从某一恰当值开始(横坐标I必须从零开始).但这时图线和横轴的交点不再是短路电流,而图线与纵轴的截距仍为电源的电动势,图线斜率的绝对值仍为内电阻. 【实验改进】 测电源的电动势和内电阻的其他几种方法 1.用一个电流表和电阻箱测量,电路如图所示,测量原理为: E=I1(R1+r),E=I2(R2+r),由此可求出E和r,此种方法使测得的电动势无偏差,但内阻偏大. 2.用一个电压表和电阻箱测量,电路如图所示,测量原理为: E=U1+ r,E=U2+ r.由此可求出r和E,此种方法测得的电动势和内阻均偏小. 3.用一只电压表粗测电动势,直接将电压表接在电源两端,所测值近似认为是电源的电动势,此时U= ≈E,需满足RV≫r. 4.用两个电压表可测得电源的电动势,电路如图所示.测量方法为: 断开S,测得V1、V2的示数分别为U1、U2,此时,E=U1+U2+ r,RV为V1的内阻;再闭合S,V1的示数为U1′,此时E=U1′+ r,解方程组可求得E. 十、实物图连接的技巧: 实物图连接是一类考查学生实验技能和操作能力较为有效的题型,连线前一定要画出实验电路图,然后按图连线,且必须注意以下几点: (1)连线不能交叉; (2)必须把线接在接线柱上;(3)电流应从电表正接线柱流入,从负接线柱流出;(4)变阻器应处在有效控制状态.(5)在实际操作中,画电路图时,各元件的相对位置应尽量与实物图相吻合;(6)连实物图时,应先串后并,先连控制电路后连测量电路.要特别注意变阻器的分压连接,把变阻器的全电阻、开电源连成干路,取变阻器的部分电阻与测量电路并联即可. 十一、欧姆表原理(多用电表测电阻原理) 1.构造: 如图所示,欧姆表由电流表G、电池、调零电阻R和红黑表笔组成. 欧姆表内部: 电流表、电池、调零电阻串联. 外部: 接被测电阻Rx. 全电路电阻R总=Rg+R+r+Rx 2.工作原理: 闭合电路的欧姆定律I= . 3.刻度的标定: 红黑表笔短接(被测电阻Rx=0)时,调节调零电阻R,使I=Ig,电流表的指针达到满偏,这一过程叫欧姆表调零. (1)当I=Ig时,Rx=0,在满偏电流Ig处标为“0”.(图甲) (2)当I=0时,Rx→∞,在I=0处标为“∞”.(图乙) (3)当I= 时,Rx=Rg+R+r,此电阻是欧姆表的内阻,也叫中值电阻. 十二、多用电表 1.表盘: 多用电表可以用来测量电流、电压、电阻等,并且每一种测量都有几个量程.外形如图所示: 上半部为表盘,表盘上有电流、电压、电阻等多种量程的刻度;下半部为选择开关,它的四周刻有各种测量项目和量程.另外,还有欧姆表的调零旋钮、指针定位螺丝和测试笔的插孔. 由于多用电表的测量项目和量程比较多,而表盘的空间有限,所以并不是每个项目的量程都有专门的标度,有些标度就属于共用标度,如图中的第二行就是交、直流电流和直流电压共用的标度. 2.挡位: 如图所示,其中1、2为电流测量端,3、4为电压测量端,5为电阻测量端,测量时,黑表笔插入“-”插孔,红表笔插入“+”插孔,并通过选择开关接入与待测量相对应的测量端. 十四、二极管的单向导电性 1.晶体二极管是由半导体材料制成的,它有两个极,即正极和负极,它的符号如图甲所示. 2.晶体二极管具有单向导电性(符号上的箭头表示允许电流通过的方向).当给二极管加正向电压时,它的电阻很小,电路导通,如图乙所示;当给二极管加反向电压时,它的电阻很大,电路截止,如图丙所示. 3.将多用电表的选择开关拨到欧姆挡,红、黑表笔接到二极管的两极上,当黑表笔接“正”极,红表笔接“负”极时,电阻示数较小,反之电阻示数很大,由此可判断出二极管的正、负极. 十五、练习使用多用电表测电阻的步骤 (1)调整定位螺丝,使指针指向电流的零刻度. (2)估计待测电阻大小选择适当的档位,短接红、黑表笔,调节欧姆调零旋钮,进行欧姆调零。 (3)将两表笔分别接触标定值,读出指示的电阻值,然后断开表笔, (4)测量完毕,将选择开关置于交流电压最高挡或“OFF”挡. 练习使用多用电表注意事项 1.表内电源正极接黑表笔,负极接红表笔,但是红表笔插入“+”孔,黑表笔插入“-”孔,注意电流的实际方向应为“红入”,“黑出”. 2.区分“机械零点”与“欧姆零点”.机械零点是表盘刻度左侧的“0”位置,调整的是表盘下边中间的定位螺丝;欧姆零点是指刻度盘右侧的“0”位置,调整的是欧姆挡的调零旋钮. 3.测电压时,多用电表应与被测元件并联;测电流时,多用电表应与被测元件串联. 4.刻度线有三条: 上为电阻专用,中间为电流、电压、交流直流共用,下为交流2.5V专用. 5.由于欧姆表盘难于估读,测量结果只需取两位有效数字,读数时注意乘以相应量程的倍率. 6.使用多用电表时,手不能接触测试笔的金属杆,特别是在测电阻时,更应注意不要用手接触测试笔的金属杆. 7.测量电阻时待测电阻要与其他元件和电源断开,否则不但影响测量结果,甚至可能损坏电表. 8.测电阻时每换一挡必须重新欧姆调零. 9.在研究二极管的单向导电性时,切记在二极管正向导通的情况下电路中必须连有灯泡或其他用电器,不能只连接一个二极管,否则极易烧坏二极管. 10.使用完毕,选择开关要置于OFF挡.长期不用,应把表内电池取出. 11、用
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