15电学实验

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电学实验一、一周内容概述1、掌握电流表、电压表的改装原理,掌握伏安法测电阻的两种解法,并能够分析测量误差。

2、掌握滑动变阻器的两种用法。

3、理解多用电表的原理和读数方法。

二、重点知识讲解(一)电表的改装1、电流表:把表头G改装成电流表,即把表头的量程I g扩大到电流表的量程I,这时应并联一个电阻R,起分流作用。

若电流表的扩大倍数为,由并联电路的特点得:电流表的内阻:2、电压表:把表头G改装成电压表,即把表头的量程U g扩大到量程U,应串联一个电阻起分压作用。

若电压表的扩大倍数为,由串联电路的特点得:=R+R g=nR g电压表的内阻为:RV=I g R V量程:U=nUg例1、有一块满偏电流Ig=1mA、线圈电阻Rg=1kΩ的小量程电流表;(1)把它改装成满偏电压U=10V的电压表;(2)把它改装成满偏电流I=10mA的电流表。

要求画出电路图,算出有关数据。

解析:因电流表的满偏电流I<I,所以并联一个适当的分流电阻,即可改装成量程为10mAg=I g R g=1V<U,故应串联一个适当的分压电阻,即可的电流表,原来电流的满偏电压Ug改装成量程为10V的电压表,其电路图如(a)、(b)所示。

①改装成电压表时,由串联分压即需串联一个阻值为9kΩ的分压电阻.②改装成电流表时,由并联分流:即需并联一个阻值为0.11kΩ的分流电阻.(二)电阻的测量1、伏安法测电阻的两种电路形式(如图所示)2、实验电路(电流表内外接法)的选择测量未知电阻的原理是R=,由于测量所需的电表实际上是非理想的,所以在测量未知电阻两端电压U和通过的电流I时,必然存在误差,即系统误差,要在实际测量中有效地减少这种由于电表测量所引起的系统误差,必须依照以下原则:(1)若>,一般选电流表的内接法。

如图(a)所示。

由于该电路中,电压表的读数U表示被测电阻Rx与电流表A串联后的总电压,电流表的读数I表示通过本身和Rx 的电流,所以使用该电路所测电阻R测==Rx+RA,比真实值Rx大了RA,相对误差a=(2)若<,一般选电流表外接法。

如图(b)所示。

由于该电路中电压表的读数U表示Rx 两端电压,电流表的读数I表示通过Rx与RV并联电路的总电流,所以使用该电流所测电阻R测=也比真实值Rx略小些,相对误差a=.例2、某电流表的内阻在0.1Ω~0.2Ω之间,现要测量其内阻,可选用的器材如下:A.待测电流表A1(量程0.6A);B.电压表V1(量程3V,内阻约2kΩ)C.电压表V2(量程15V,内阻约10kΩ);D.滑动变阻器R1(最大电阻10Ω)E.定值电阻R2(阻值5Ω)F.电源E(电动势4V)G.电键S及导线若干(1)电压表应选用_____________;(2)画出实验电路图;内阻的表达式为:(3)如测得电压表的读数为V,电流表的读数为I,则电流表A1R A=______________。

解:本题利用电压表指电压,电流表指电流的功能,根据欧姆定律R=计算电流表的内阻。

由于电源电动势为4V,在量程为15V的电压表中有的刻度没有利用,测量误差较大,因而不能选;量程为3V的电压表其量程虽然小于电源电动势,但可在电路中。

由于电流表的内阻在0.1Ω~0.2Ω之间,接入滑动变阻器进行保护,故选用电压表V1量程为0.6A ,电流表上允许通过的最大电压为0.12V,因而伏特表不能并联在电流表与电流表串联再接到伏特表上,才满足要的两端,必须将一个阻值为5Ω的定值电阻R2求。

滑动变阻器在本实验中分压与限流的连接方式均符合要求,但考虑限流的连接方式;设计电路图如图节能些,因而滑动变阻器采用限流的连接方式。

故本题电压表选用V11所示;电流表A1内阻的表达式为:R A =-R2。

(三)滑动变阻器的使用1、滑动变阻器的限流接法与分压接法的特点如图所示的两种电路中,滑动变阻器(最大阻值为R 0)对负载R L 的电压、电流强度都起控制调节作用,通常把图(a )电路称为限流接法,图(b )电路称为分压接法.E≤U L ≤E≤I L ≤其中,在限流电路中,通R L 的电流I L =,当R 0>R L 时I L 主要取决于R 0的变化,当R 0<R L 时,I L 主要取决于R L ,特别是当R 0<<R L 时,无论怎样改变R 0的大小,也不会使I L 有较大变化.在分压电路中,不论R 0的大小如何,调节滑动触头P 的位置,都可以使I L 有明显的变化.2、滑动变阻器的限流接法与分压接法的选择方法滑动变阻器以何种接法接入电路,应遵循安全性、精确性、节能性、方便性原则综合考虑,灵活择取.(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R L 远大于滑动变阻器的最大值R 0,且实验要求的电压变化范围较大(或要求测量多组数据)时,必须采用分压接法.因为按图(b )连接时,因R L >>R 0>R ap ,所以R L 与R ap 的并联值R 并≈R ap ,而整个电路的总阻约为R 0,那么R L 两端电压U L =IR 并=·R ap ,显然U L ∝R ap ,且R ap 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测量时电路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R L 与R 0接近或R L 略小于R 0,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采用限流式接法.例3、用伏安法测量某一电阻R x 阻值,现有实验器材如下:待测电阻R x (阻值约5 Ω,额定功率为1 W );电流表A 1(量程0~0.6 A ,内阻0.2 Ω);电流表A 2(量程0~3 A ,内阻0.05 Ω);电压表V 1(量程0~3 V ,内阻3 kΩ);电压表V 2(量程0~15 V ,内阻15 kΩ);滑动变阻器R 0(0~50 Ω),蓄电池(电动势为6 V )、开关、导线. 为了较准确测量R x 阻值,电压表、电流表应选________,并画出实验电路图. 错解分析:没能据安全性、准确性原则选择A 1和V 1,忽视了节能、方便的原则,采用了变阻器的分压接法.解题方法与技巧:由待测电阻R x 额定功率和阻值的大约值,可以计算待测电阻R x 的额定电压、额定电流的值约为U=≈2.2 V ,I==0.45 A.则电流表应选A 1,电压表应选V 1.又因=24.5 Ω>R x ,则电流表必须外接.因为滑动变阻器的全阻值大于被测电阻R x ,故首先考虑滑动变阻器的限流接法,若用限流接法,则被测电阻R x 上的最小电流为I min ==0.11 A <I 额,故可用限流电路.电路如图所示.(四)万用电表的使用1、使用步骤及注意事项:(1)使用前应看一下指针是否指在刻度盘左端的零刻线处。

如果不在,就应该进行机械调零:用小螺丝刀轻旋表头正下方中央处的调零螺丝,使指针指左端零刻线。

(2)根据被测物理量及其数量级将选择开关旋到相应的位置。

读数时还要注意选用刻度盘上对应的量程刻度。

(如测量20mA 左右的直流电流,应将选择开关对准左边100mA 量程处,在刻度盘上,应该看最下方的刻度,即满偏刻度为10的刻度线,从刻度盘读出数据后还应再乘10,得测量结果。

)(3)使用欧姆挡时,在选好倍率后,还必须进行欧姆调零。

方法是:将红、黑表笔短接,调节欧姆调零旋钮,使指针指右端零刻线处。

因此用多用电表的欧姆挡测电阻的操作步骤是:①选挡。

一般比被测电阻的估计值低一个数量级,如估计值为200Ω就应该选×10的倍率。

②进行欧姆调零。

③将红黑表笔接被测电阻两端进行测量。

④将指针示数乘以倍率,得测量值。

⑤将选择开关扳到OFF 或交流电压最高挡。

用欧姆挡测电阻,如果指针偏转角度太小(即指针所指的刻度值太大),应该增大倍率重新调零后再测;如果指针偏转角度太大(即指针所指的刻度值太小),应该减小倍率重新调零后再测。

(4)使用多用电表时,两只手只能握住表笔的绝缘棒部分,不能接触表笔上的金属部分。

2、欧姆表测电阻(1)原理是闭合电路欧姆定律.(2)当红、黑表笔之间接入某一电阻R x 时,通过欧姆表的电流为.若I=0,则R x =∞;I=I g 时,R x =0。

欧姆表刻度具有反向性和非线性特点,表盘刻度不均匀. 当,表盘中值电阻,中值电阻一定,表盘刻度就唯一确定.欧姆表中的电池用久了,电动势和内阻都要发生变化,只能用来粗略测量电阻.例4、如图,电流表满偏电流Ig =500μA,线圈电阻Rg=200Ω,电动势E=1.5V,电流表盘刻有欧姆表刻度线,指针指在满刻度时共转过90°.(1)指针半偏时所对应的阻值是多少?(2)指针转过30°时所对应的阻值是多少?(3)若电池使用久了,电动势变为1.4V,这种情况下测电阻时若指针指在中间阻值处,求被测电阻真实值。

解析:(1)设电源内阻为r,指针满偏时,指针指在表盘正中央时,(2)指针转过30°时对应阻值为Rx,则:(3)电动势E′=1.4V时对应的中值电阻指针半偏处仍刻着3000Ω,而实际电阻只有2800Ω,可见用欧姆表测电阻时,由于电动势变小,电阻的测量值偏大,电阻的测量将产生系统误差。

(五)测定电池的电动势和内阻1、实验原理如图(1)所示电路,改变电阻R,从电压表和电流表可测出几组U、I值,利用闭合电路欧姆定律可以求出E、r.2、数据处理①测出两组U、I值,列方程组可解出E、r.②图象法处理数据,测出多组(不少于6组)、I值,在—I直角坐标系中标出各点,画出—I图象,如图(2)所示,图象的纵截距为E,横截距为短路电流,.图象法比较好地利用各组测量数据,并能排除奇异点,能够减小偶然误差.3、误差分析:由于电流表和电压表不是理想电表,就会带来一定的系统误差,下面分别分析电流表内接和外接两种情况下的系统误差.(1)如图(3)所示,电流表接在了外边,电压表所测为电源的外电压,而电流表读数比流过电源的电流值要小,测量存在系统误差.电压表的读数越大,越大,电流表的测量误差也越大,如图(4)所示,短路时,=0,测量值与真实值相同.由图象可知,定量分析:=-此函数式的纵截距为:斜率的绝对值为:当r时,.(2)如图(5)所示,电流表接在了里边,电流表所测的电流为流过电源的电流,电压表所测电压比路端电压小.当电路中电流增加时,,电压表读数的误差随着增加,U—I图象如图(6)所示,测量值图线比较陡,=E,>r.由等效电路可知,.一般安培表的内阻与r接近,所以这种方法测出的内阻误差较大.(六)简单的逻辑电路例5、如图为包含某逻辑电路的一个简单电路图,L为小灯泡.光照射电阻R′时,其阻值将变得远小于R.该逻辑电路是____门电路(填“与”、“或”或“非”).当电阻R′受到光照时,小灯泡L将______(填“发光”或“不发光”).解析:逻辑电路分为或门电路、与门电路和非门电路,由图示符号可知,该逻辑电路是非门电路;当光照射电阻R′时,其阻值将变得远小于R,则R′两端电压很小,由非门电路的特点可知,其输出电压较大,小灯泡L将发光。