电学实验一、常见电路1．测电阻电路（或描绘伏安特性曲线电路，或测量功率电路，或测量电阻率电路）（1）图1为分压式，外接法（2）图2为限流式，外接法（3）将图1改为分压式，内接法（4）将图2改为限流式，内接法伏安法测电阻电路，共有四种电路2．测电动势和内阻电路（1）测量电路如图（2）测量方法第一、计算方法测两组端电压U和电流I值，然后通过以下式子求解。E＝U1＋I1rE＝U2＋I2r第二、作U——I图象方法通过调节滑动变阻器，取得多组（U，I）值，然后在坐标中描点，连成直线用图象处理问题，须注意以下几点：①连直线的方法：让尽可能多的点在直线上，直线两则分布的点的个数大致均匀偏离直线较远的点舍去。②纵轴截距的含义：电动势E③横轴截距的含义：短路电流I0④斜率的含义：电阻。求解方法：r=或用直线上任意两点求解斜率的绝对值。3．电流表、电压表改装电路（1）把电流表改装电压表电路①用半偏法测电流表的内阻rg。先将R调到最左端，闭合S1，断开S2，调节R使电流表满偏，然后使R不变，闭合S２调节R’使电流表指到满刻度的一半，此时电阻箱R’的读数即为电流表的内阻rg。注：此处R’只能用电阻箱，而不能用滑动变阻器，其阻值只需比灵敏电流表的电阻大一点就可以了，R一般使用滑动变阻器，其阻值要求较大，以减小因闭合S2而引起总电流的变化，从而减小误差。②改装电路Rx＝U/Ig－rg其中U为改装后的满偏电压③核对电路调节R，改变电压，比较改装表和标准表V的读数，并计算百分误差×100%其中U是改装表的读数，U０是标准表的读数注：改装电压表和标准电压表并联进行核对④表流表内阻误差分析在半偏法测内阻电路中，当闭合S２时，引起总电阻减小，总电流增大，大于原电流表的满偏电流，而此时电流表半偏，所以流经R’的电流比电流表电流多，R’的电阻比电流表的电阻小，但我们就把R’的读数当成电流表的内阻，故测得的电流表的内阻偏小。（2）电压表改装电流表电路①用半偏法测电压表的内阻先将R调到最左端，闭合S1和S2，调节R使电压表满偏，然后使R不变，断开S２调节R’使电压表指到满刻度的一半，此时电阻箱R’的读数即为电流表的内阻rg。注：此处R’只能用电阻箱，而不能用滑动变阻器，其阻值只需比电压表的电阻大一点就可以了，R一般使用滑动变阻器，其阻值要求较小，以减小因闭合S2而引起总电压的变化，从而减小误差。②改装电路-6-
若改装电压表量程为U，内阻为Rv，改装后的电流表的量程为I，则并联电阻Rx＝____________③核对电路要求标准表A和改装表串联才能进行核对，其百分误差的计算方法为×100%注意：将改装电流表和标准电流表串联进行核对④电压表内阻误差分析在半偏法测电压表内阻电路中，在断开S２时，引起总电阻增大，滑动变阻器两端分得电压将超过原电压表的满偏电压，调节R’使电压表半偏时，R’上的电压将比电压表半偏电压大，故R’的电阻比电压表的内阻大，所以测得电压表内阻偏大。二、器材选取原则1．准确性原则：选用电表量程应可能减小测量值的相对误差，电压表、电流表在使用时尽可能使指针接近满量程，若指针偏转不到满偏角度的１/3，读数误差较大。2．安全性原则：通过电源，电表，滑动变阻器，用电器的电流不能超过其允许的最大电流。3．便于操作原则：选择控制电路时，既要考虑供电电压的变化范围是否满足实验要求，又要注意便于操作。三、电路选取1．电流表内外接法选取（１）基本电路（２）电路的对比连接方式误差来源测量值与真实值关系适用范围外接法电压表分流电流表的读数大于流过待测的电流，故：R测<R真测小电阻内接法电流表分压电压表读数大于待测电阻两端的电压，故：R测<R真测大电阻（３）判断方法①直接比较法：当待测电阻Rx较小且远小于电压表内阻Rv时，应选用外接法；当待测电阻Rx较大且远大于电流表内阻RA时，应选用内接法。②临界值法：当待测电阻Rx<时，视Rx为小电阻，应选用外接法；当Rx>时，视Rx为大电阻，应选用内接法；当Rx＝时，两种接法均可。2．滑动变阻器分压式、限流于接法选取（１）基本电路（２）电路的对比调节范围限流式电路分压式电路电压调节范围０→U电流调节范围０→说明：U为电源端电压，R为滑动变阻器最大电阻，Rx为待测电阻阻值。（３）判断方法-6-
①负载电阻Rx远大于滑动变阻器总电阻R，须用分压式接法，此时若采用限流式接法对电路基本起不到调节作用。②要求负载上电压或电流变化范围大，且从零开始连续可调，须用分压式接法。③采用限流电路时，电路中的最小电流（电压）仍超过电流表的量程或超过用电器的额定电流（电压）时，应采用变阻器的分压式接法。④负载电阻的阻值Rx小于滑动变阻器的总电阻R或相差不大，并且电压表、电流表示数变化不要求从零开始起调，可用限流式接法。⑤两种电路均可使用时应优先用限流式接法，因为限流式接法总功率较小。例1．有一小灯泡上标有“６v，０.6W”的字样，现在要用伏安法测量这个灯泡的I—U图像，已知所用器材有：A．电流表：0—0.3A，内阻1ΩB．电压表：0—15V，内阻20kΩC．滑动变阻器：0—30Ω，额定电流2AD．学生电源（直流9V）E．开关一只，导线若干为使实验误差尽量减小，试画出合理的实验电路图例2．在“测定金属的电阻率”实验中，若粗估金属丝的电阻Rx约为3Ω，为减小误差，要求金属丝发热功率P<0.75W，备有的部分器材有：A．6V的电池组B、电流表（0—0.6A，内阻0.5Ω）C．电流表（0—3A，内阻0.01Ω）D、电压表（0—3V，内阻1kΩ）E．电压表（0—15V，内阻5kΩ）F、滑动变阻器（0—100Ω，额定电流1A）G．滑动变阻器（0—20Ω，额定电流1A）（1）上述器材应选用的是________________________。（用字母代替）（2）画出实验电路图例3．一个未知电阻Rx，阻值大约为10kW—20kW.为了较为准确的测定其电阻值，实验室中有如下器材： 电压表V （量程3V、内阻约为3kW)(量程15V、内阻约为15kW)电流表A1(量程200mA、内阻约为100W)电流表A2(量程5mA、内阻约为10W)电流表A3(量程0.6A、内阻约为1W)电源电动势为３V滑动变阻器R的最大阻值为200W开关Sa.在实验中电压表量程应选 ，电流表应选 。b.为了尽可能减少误差，请你在虚线框中画出本实验的电路图。c、根据实验的需要用笔滑线代替导线，将图7所需的实物连接起来。+-A2V+-A1图7+-A3-6-
四、伏安法测电阻及电路的延伸设计1、伏安法如：例22、比例法受一些特殊的实验条件限制，比如：电流（或电压表）表面上虽有刻度，但无刻度值（或刻度值模糊），这时我们不能直接读出电流或电压，但可根据电流或电压表刻度均匀的特点，通过测量其指针偏转格数用比例法完成测量。例4：现有一阻值为10.0Ω的定值电阻，一个开关、若干根导线和一个电压表，该电压表表面上有刻度但无刻度值。要求设计一个能测定某电源内阻的实验方案，（已知电压表内阻很大，电压表量程大于电源电动势，电源内阻约为几欧），要求：（1）画出实验电路图（2）简要写出完成接线后的实验步骤（3）写出用测得的量计算电源内阻的表达式r=_____________。3、替换法用“伏安法”测电阻一般有电流表外接与电流表内接两种线路，因为电流表及电压表本身并非理想电表，这两种线路都存在误差；另一种情况是实验只提供一只电流表或电流表本身读数不准，这时我们可以考虑在保证电表读数不变的前提下，用一定值电阻（电阻箱）替换待测电阻，完成实验并提高测量准确性：例5：在某校开展的科技活动中，为了要测出一个未知电阻的阻值R，现有如下器材：读数不准的电流表A、定值电R0、电阻箱R1、滑动变阻器R2、单刀单掷开关S1、单刀双掷开关S2、电源和导线。（1）画出实验电路图，并在图上标出你所选用器材的代码。（2）写出主要的实验操作步骤例7．从下表中选出适当的实验器材，设计一电路来测量电流表A1的内阻r1。要求方法简捷，有尽可能高的测量精度，并能测得多组数据。器材代号规格电流表（A1）量程100mA，内阻r1待测（约40Ω）电流表（A2）量程500uA，内阻r2＝750Ω电压表（V）量程10V，内阻r3=10kΩ电阻（R1）阻值约100Ω，作保护电阻用滑动变阻器（R2）总阻值约50Ω电池（E）电动势1.5V，内阻很小开关（K）导线若干（1）画出电路图，标明利用器材的代号。（2）若选测量数据中的一组来计算r1，则所用的表达式r1＝________________，式中各符号的意义是____________________________________。-6-
练习1．有一根细长而均匀的金属材料样品，截面为外方（正方形）内圆，如图所示。此金属材料质量约为0.1～0.2kg，长约30cm，电阻约为10Ω。已知这种金属的电阻率为，密度为。因管线内径太小，无法直接测量，请根据以下器材，设计一个实验方案测量其内径。A．毫米刻度尺B．螺旋测微器C．电流表（600mA，10Ω）D．电流表（3A，0.1Ω）E．电压表（3V，6kΩ）F．滑动变阻器（2kΩ，0.5A）G．滑动变阻器（10Ω，2A）H．直流稳压电源（6V，0.05Ω）I．开关一个，带夹子的导线若干（1）除待测金属材料外，应选用的实验器材有。（只填代号字母）（2）画出你设计方案的实验电路图，并把所选仪器连成实际测量电路。（3）用已知的物理常量和所测得的物理量，推导出计算金属管线内径的表达式。2．（1）有一游标卡尺，主尺的最小分度是1mm，游标上有20个小的等分刻度。用它测量一小球的直径，如图1所示的读数是mm。如图2，用螺旋测微器测量一根金属丝的直径，如图所示的读数是mm。（2）为了测量两节串联干电池的电动势，某同学设计了如图3所示的实验电路。其中：E是待测电池组，内阻不能忽略；V1、V2是两只量程都合适的电压表，内阻不是很大，且未知；S1、S2是单刀单掷开关；导线若干。①请根据电路图3，在图4中连线，将器材连成实验电路。②实验中需要测量的物理量是。③用测出的物理量作为已知量，导出计算串联电池电动势的表达式。（写出推导过程）。3．⑴用一主尺最小分度为1mm，游标上有20个分度的卡尺测量一个工件的长度，如图所示。由此读出工件的长度为__________mm。101112012345678910010111201020-6-
⑵有一块小量程的电流表G，满偏电流为100μA，内阻为500Ω。若把它改装成3V和15V两量程的电压表，电流表G应与适当的电阻值连接。经计算，改装后与电流表连接的电阻值在3V挡时R1=_____kΩ，15V挡时R2=____kΩ。把改装的电压表和标准表校核，发现标准表的满刻度读数为15V时，改装表的读数为14.7V。则改装成的电压表相对于满刻度的百分误差为______。现有标准电压表V、R1、R2、滑动变阻器R（最大阻值为20Ω）、电动势为20V的电源E、单刀单掷和单刀双掷开关S1、S2。请你在方框图中画出改装后的电压表与标准电压表进行核对的实验电路图（在图中标出3V、15V的接线柱）。参考答案1．：（1）ABCEGHI（说明螺旋测微器的作用是测量正方形的边长）（2）电路原理图：注意电流表外接和变阻器分压）（3）设长度为，截面外边长为，电压为，电流强度为，电阻，截面积，故有，解得。2（1）13.55mm0.680mm或0.681mm（8分）（2）①图略。（2分）②闭合S1，V1的读数U1，V2的读数U2。（2分）再闭合S2，V1的读数U1′。（2分）③设电源内阻为r，电压表V1的内阻为Rv1导出3．(1)104.05(2)29.5；120或149.5；2％校准电路如图a或b所示-6-
