电学实验高三物理.ppt

第三节带电粒子在复合场中的运动 主讲人 秦瑛 审核人 张丙全 日期 2012年2月28日 教学目标 教学难点 教学重点 1 知道复合场的构成 2 掌握带电粒子在复合场中的运动分析的基本方法和思路 3 了解带电粒子在复合场中运动的一些典型应用 粒子在复合场中的运动分析的基本方法和思路 三种场复合时粒子运动问题的求解 讲授新课 复合场 特点 由于洛伦兹力是变力 我们一般都不能将各场力合成一个场去看待 特殊情况除外 除非满足某种巧合 粒子在复合场中的运动轨迹既不是抛物线 也不是圆 而是旋轮线 复合场是指磁场 电场和重力场并存 或其中两种并存 或分区域存在 因为情形比较复杂 我们按照不同场的不同组合 将运动分为三大类 例2 已知电流表的内阻约为0 1 电压表内阻约为10k 若待测电阻约为5 用伏安法测其电阻 应采用电流表 接法若待测电阻约为500 用伏安法测其电阻时 应采用电流表 法 例3 如图所示 用伏安法测电阻Rx时 MN接在恒定电压上 当S接a点时电压表示数为10V 电流表示数为0 2A 当S接b点时 电压表示数为12V 电流表示数为0 15A 求 1 为了较准确地测定Rx S应接在哪一点 2 求Rx的真实值 2 控制电路的选择 限流式与分压式 a 负载电阻的阻值Rx远大于变阻器的总电阻R 须用分压式接法 b 要求负载上电压或电流变化范围较大 或从零开始连续可调 须用分压式接法c 若要求多测几组数据用作图法处理实验数据 须用分压式接法e 负载电阻的阻值Rx小于变阻器总电阻R或相差不多 且电压电流变化不要求从零调起时 可采取限流式接法 d 两种电路均可使用的情况下 应优先采用限流式接法 因为限流接法总功率较小 限流式能耗小 分压式电压变化范围大 可以从零起调 思考 限流式与分压式分别有什么优点 限流式接法 分压式接法 选择条件 Rx R 选择条件 Rx R或相差不大 结论 以大控小 结论 以小控大 第二部分 仪器的选择 1 电表的选用要求电表的安全性能好 读数误差小 量程合适 不能偏转太大 超量程 不能偏转太小变化明显 2 选好与电表搭配的电路元件 选择电源 根据电路所需电压选电动势合适的电源 选择变阻器 变阻器在电路中是起调节电压或限制电流以保护电表的作用 其选择原则是 安全性能好 调节灵敏 不能超过额定电流 便于调节 要用到大部分的电阻线变阻器不能替换变阻箱 选择的原则 安全 误差小 方便操作 例1 现有一根长约为20cm的柱状金属丝 其横截面为边长约1mm的正方形 金属丝的电阻率为5 10 5 m 一位同学用伏安法测量该金属丝的电阻 测量时使用电动势为4 5V的电源 另有如下器材供选择 A 量程为0 0 6A 内阻约为1 的电流表B 量程为0 1A 内阻约为10 的电流表C 量程为0 6V 内阻约为4k 的电压表D 量程为0 10V 内阻约为50k 的电压表E 阻值为0 10 额定电流为1A的滑动变阻器F 阻值为0 1k 额定电流为0 1A的滑动变阻器 1 以上器材应选用 填写器材前的字母 2 为了减小误差 应采用电流表的 选填 内接法 或 外接法 3 滑动变阻器应该 选填 限流式 或 分压式 答案 1 ACE 2 外接法 3 限流式 例2 有一个电阻Rx 其阻值大约为20 现要更精确地测量其电阻 手边现有器材如下 A 电源E 电动势12 0V 内阻为0 5 B 电压表 0 3 15V 内阻大于3k C 电流表 0 0 6 3A 内阻小于1 D 滑动变阻器R1 0 10 2 0A E 滑动变阻器R2 0 1700 0 3A F 开关S和导线若干 1 滑动变阻器应选用 填写器材代号 连接电路时 电压表的量程应选V 电流表的量程应选A 2 请在右边方框中画出实验电路图 答案 1 R1 0 15 0 0 6 2 如图 第三部分 电阻的测量 一 用欧姆表测电阻二 用伏安法测电阻三 用半偏法测电阻四 替代法测电阻五 电桥法测电阻六 伏伏法测电阻七 安安法测电阻 一 用欧姆表测电阻 二 实验误差 因为刻度不均匀 只能粗测电阻 在1 3偏到2 3偏较准确 1 欧姆表的刻度为什么是不均匀的 2 中值电阻有什么含义 3 为什么换量程以后 要重新欧姆调零 4 为什么电源的正极连接黑表笔 思考 例4 某人用多用表按正确步骤测量一电阻阻值 1 选择开关指在 100 欧姆档 指针指示位置如图所示 则这电阻是 2 如果要用这多用表测量一个约200 的电阻 为了使测量比较精确 应选的欧姆档是 填 10 100 或 1K 3 若此人用此电表测量一电阻阻值 选择开关指在 100 欧姆档 指针偏转的很小 那么因为改为 填 10 或 1K 填需要或不需要 重新欧姆调零 二 伏安法测电阻 一 安培表的内接法与外接法 1 原理 欧姆定律R U I 2 误差分析 内接法 由于电流表的分压作用 导致电压表的示数比未知电阻的电压要大 所以测量值大于真实值 外接法 由于电压表的分流作用 导致电流表的示数比未知电阻的电流要大 所以测量值小于真实值 结论 外小内大 例1 某兴趣小组为了测量一待测电阻Rx的阻值 准备先用多用电表粗测出它的阻值 然后再用伏安法精确地测量 实验室里准备了以下器材 A 多用电表B 电压表Vl 量程3V 内阻约5k C 电压表V2 量程15V 内阻约25k D 电流表Al 量程0 6A 内阻约0 2 E 电流表A2 量程3A 内阻约0 04 F 电源 电动势E 4 5VG 滑动变阻器Rl 最大阻值5 最大电流为3AH 滑动变阻器R2 最大阻值200 最大电流为1 5AI 电键S 导线若干 在用多用电表粗测电阻时 该兴趣小组首先选用 10 欧姆挡 其阻值如图12 甲 中指针所示 为了减小多用电表的读数误差 多用电表的选择开关应换用 欧姆挡 按正确的操作程序再一次用多用电表测量该待测电阻的阻值时 其阻值如图12 乙 中指针所示 则Rx的阻值大约是 在用伏安法测量该电阻的阻值时 要求尽可能准确 并且待测电阻的电压从零开始可以连续调节 则在上述提供的器材中电压表应选 电流表应选 滑动变阻器应选 填器材前面的字母代号 在虚线框内画出用伏安法测量该电阻的阻值时的实验电路图 答案 1 2分 9 2分 BDG 6分 如图所示 2分 三 半偏法测电压表和电流表的内阻 一 实验步骤 1 闭合S2 闭合S1 调节R1 使伏特表满偏 2 再断开S2 保持R1不变 调节R2使伏特表半偏 3 Rv R2 二 实验条件 R1很小 电压U取决于Rx 闭合S2后 Rx保持恒定 所以U不变 第1步骤中 U Uv第2步骤中 U Uv 2 Uv 2所以Rv R2 四 误差分析 Rv R2 五 思考 1 为什么第二步骤要保持R1不变 2 可不可以1 3偏 三 实验原理 Rv R1 一 半偏法测电压表内阻 一 实验步骤 1 断开S2闭合S1 调节R 使G满偏 2 再闭合S2 调节R 使G半偏 3 Rg R 二 实验条件 四 误差分析 Rg R 五 思考 1 为什么第2步骤 要保持R恒定 二 半偏法测电流表内阻 三 实验原理 R很大 I总 E R总 S2闭合后 I总不变 第1步骤中 I总 Ig 第二步骤中 I总 Ig 2 Ig 2所以Rg R Rg R 2 可不可以2 3偏 二 半偏法测电流表内阻 一 半偏法测电压表内阻 1 实验条件 Rv R1 2 误差分析 测量值大于真实值 1 实验条件 2 误差分析 测量值小于真实值 Rg R 四 替代法测电阻 五 电桥法测电阻六 伏伏法测电阻七 安安法测电阻 例5 现有器材 电压表V1 量程3V 内阻约几千欧 电压表V2 量程15V 内阻约几十千欧 定值电阻R1 3 0k 滑动变阻器R 0 1750 直流电源 约6V 内阻不计 开关 导线若干 要求利用这些器材测量电压表V1的内阻值 1 画出实验电路图 2 实物连图 1 要测量电压表V1的内阻RV 其量程为2V 内阻约2K 实验室提供的器材有 电流表A 量程0 6A 内阻约0 1 电压表V2 量程5V 内阻为5K 定值电阻R1 阻值30 定值电阻R2 阻值为3K 滑动变阻器R3 最大阻值100 额定电流1 5A 电源E 电动势6V 内阻约0 5 开关S一个 导线若干 1 有人拟将待测电压表V1和电流表A串联接入电压合适的测量电路中 测出V1的电压和电流 再计算出RV 该方案实际上不可行 其最主要的原因是 2 请从上述器材中选择必要的器材 设计一个测量电压表V1内阻RV的实验电路 要求测量尽量准确 实验必须在同一电路中 且在不增减元件的条件下完成 试画出符合要求的实验电路图 图中电源与开关已连接好 并标出所选元件的相应字母代号 3 由上问写出V1内阻RV的表达方式 说明式中各测量量的物理意义 答案 1 电流表A不能准确测量出流过电压表V1的电流 2 测量电压表V1内阻的实验电路如图所示 3 其中表示的电压 表示和串联的总电压 例6 用以下器材测量一待测电阻Rx的阻值 900 1000 电源E 具有一定内阻 电动势约为9 0V 电压表V1 量程为1 5V 内阻r1 750 电压表V2 量程为5V 内阻r2 2500 滑动变阻器R 最大阻值约为100 单刀单掷开关K 导线若干 1 测量中要求电压表的读数不小于其量程的1 3画出测量电阻Rx的一种实验电路原理图 原理图中的元件要用题图中相应的英文字母标注 2 根据你所画的电路原理图在题给的实物图上画出连线 例7 某同学为了测电流表A1的内阻r1的精确值 有如下器材 1 要求电流表A1的示数从零开始变化 且能多测几组数据 尽可能减少误差 在图虚线方框中画出测量用的电路图 并在图中标出所用器材的代号 2 若选测量数据中的一组来计算电流表A1的内阻r1 则所用电流表A1的内阻r1表达式为r1 现仅有以下器材 A1表 量程0 2AA2表 量程0 02AV1表 量程3VV2表 量程100V滑线变阻器R 0 10 电阻箱R0 0 9999 9 0 1A蓄电池组E 6V r 0 1 电键S及导线若干为较准确地测定一电阻值Rx约1 2 的电阻丝的阻值 已有甲 乙两位同学分别设计了甲 乙二个电路图来测量Rx 但甲 乙两电路设计均有不合理之处 请指出存在的问题 各图分别指出两处即得满分 甲图不合理之处 2分 乙图不合理之处 2分 请设计一个实用的较合理的电路图 画在规定方框内 并写出Rx的计算公式 说明公式中各物理量的意义 Rx 2分 各量的意义是 2分 答案 对于甲图不合理之处 不能多次测量 超过电流表量程不安全 电压表量程太大 读数误差较大 对于乙图不合理之处 电流表量程太小 电压表量程太大 变阻器调节作用太小 较为合理的电路图如图所示 2分 Rx的计算公式 Rx Uv IA R0 2分 其中UV是电压表V1表示 IA是电流表A1示数 R0是电阻箱示数 说明 指出每处错误得1分 甲 乙两图各指出两处好得满分 共4分 第四部分 测量电源的电动势和内阻 一 测量方法 1 伏安 法 2 流阻 法 3 压阻 法 二 实验原理 1 伏安 法 E U Ir 2 流阻 法 E I R r 3 压阻 法 三 伏安法电路误差分析对比与电路选择 1 1 电路选择及误差分析 甲图 误差来源于电压表的分流作用 1 电流表内接法的误差分析 1 2 电流表内接法的误差分析U I图象 2 1 电路选择及误差分析 2 电流表外接法的误差分析 乙图 误差来源于电流表的分压作用 2 2 电流表外接法的误差分析U I图象 伏安法测电源的电动势和内阻电流表内外接法的对比 甲图 乙图 实验时采用甲图所示电路误差较小 误差来源于电压表的分流作用 误差来源于电流表的分压作用 方法二 流阻 法 实验误差分析 用图象法处理实验数据 找I和R的有关线性关系 最终作1 I R图象 E I R r 1 I R 0 方法三 压阻 法 实验误差分析 用图象法处理实验数据 找U和R的有关线性关系 最终作1 U 1 R图象 1 U 1 R 0 某研究性学习小组利用左图所示电路测量电池的电动势E和内阻r 由于该电池的内阻r较小 因此在测量电路中接入了一个阻值为2 00 的定值电阻R0 1 请根据实验原理图 将右图实物连接成能够完成实验的电路 2 实验时 闭合开关K 调整电阻箱R的阻值 读出电压表相应的示数 得到了如下数据 为了比较准确地得出实验结果 该小组的同学准备用图象来处理实验数据 图象的纵坐标表示电压表读数U 则图象的横坐标表示的物理量应该是 计算出与各组数据对应的该物理量并填在表格中 在右图所示的图象中作图 R 40 0020 0012 008 006 005 00U V1 891 781 661 571 431 35 3 根据作出的图象求得E V r 1 如下图所示 2 电压U与电阻R的比值 或电流I 表格中各电流值分别为 0 05 0 09 0 14 0 20 0 24 0 27 图象如下图所示 3 2 00 1 98 2 02 0 45 0 40 0 50 提示 根据全电路欧姆定律 得E r R0 U 整理得U r R0 E 结合图象可知 纵截距代表电源电动势E 斜率的绝对值代表r R0 即E 2 00V r R0 2 50 所以r 0 50 例1 用右图所示的电路 测定一节干电池的电动势和内阻 电池的内阻较小 为了防止在调节滑动变阻器时造成短路 电路中用一个定值电阻R0起保护作用 除电池 开关和导线外 可供使用的实验器材还有 电流表 量程0 6A 3A 电压表 量程3V 15V 定值电阻 阻值1 额定功率5W 定值电阻 阻值10 额定功率10W 滑动变阻器 阻值范围0 10 额定电流2A 滑动变阻器 阻值范围0 100 额定电流1A 1 要正确完成实验 电压表的量程应选择V 电流表的量程应选择A R0应选择 的定值电阻 R应选择阻值范围是 的滑动变阻器 2 引起该实验系统误差的主要原因是 1 3 0 6 1 0 10 2 由于电压表的分流作用造成电流表读数总是比电池实际输出电流小 提示 1 由于电源是一节干电池 1 5V 所以选取量程为3V的电压表 允许通过干电池的电流一般不超过0 6A 所以选取量程为0 6A的电流表 保护电阻R0不宜太大 否则会使得电流表 电压表取值范围小 造成的误差大 若选取阻值为10 的定值电阻 电路中的最大电流还不到0 15A 这样会使电流表 电压表取值范围小 电表的读数也不准确 造成的误差大 所以R0应选取1 的定值电阻 考虑到干电池的电动势和电流表的量程 本实验电路中的最大电阻不超过10 所以R应选取0 10 的滑动变阻器 若选取0 100 的滑动变阻器 因为实验中只用到其中的很少一部分线圈 所以调节不方便 2 本实验中由于电压表的分流作用造成电流表读数总是比测量值小 造成E测 E真 r测 r真 第五部分 电表的改装 各种电表的原理 1 电流计 检流表或检流计 通电的导体在磁场中受到力的作用2 电流表 电阻与电流计并联3 电压表 电阻与电流计串联4 欧姆表 闭合电路的欧姆定律 1 电流计 表头 2 三个主要参数 内阻 电流计内阻Rg 量程 满偏电流Ig 满偏电压Ug 3 电路图符号 1 电流计 1 作用 测量微小电流和电压 2 电流表 例2 有一个电流表G 内阻Rg 25 满偏电流Ig 3mA 要把把它改装为量程为0 0 6A的电流表 要并联多大的电阻 改装后的电流表内阻多大 2 电流计改成电流表 在表头上并联一个阻值较小的电阻 R并 0 126 RA 0 125 改装方法 保证满偏电压不变 并联一个阻值为R Rg n 1 的电阻 3 电压表 例1 有一个电流表G 内阻Rg 10 满偏电流Ig 3mA 要把它改装为量程为0 3V的电压表 要串联多大的电阻 改装后的电压表内阻多大 在表头串联一个阻值较大的电阻 R串 990 Rv 1000 改装方法 在保证满偏电流不变的前提下 和电流计串联一个阻值为R n 1 Rg 3 电流计改成电压表 1 若要将电流表G改装成一个量程为Ug的n倍的电压表V 需要串联电阻的阻值为 2 若要将电流表G改装成一个量程为Ig的n倍的电流表A 需要并联的电阻的阻值为 小结 例8 将满偏电流Ig 300 A 内阻未知的电流表G改装成电压表并进行核对 1 利用如图所示的电路测量电流表G的内阻 图中电源的电动势E 4V 先闭合S1 调节R 使电流表指针偏转到满刻度 再闭合S2 保持R不变 调节R 使电流表指针偏转到满刻度的2 3 读出此时R 的阻值为200 则电流表内阻的测量值Rg 2 将该表改装成量程为3V的电压表 需 填 串联 或 并联 阻值为R0 的电阻 3 把改装好的电压表与标准电压表进行核对 试在答题卡上画出实验电路图和实物连接图 100 串联 9900 例9 自己修理过的一个量程为5V的电压表按下述方法校验 先按图8接好电路 V0为标准电压表 V为待校准的电压表 移动变阻器R上的滑动触头 到V满刻度值是5V时 V0示数为4 5V 再按图9电路将待校电压表串联一个标准电阻R0 R0的大小为2 7k 重新移动变阻器R的滑动触头 当待校表V的指针仍偏转到满刻度值时 V0示数为9V 问应采取什么措施来调准这个刚修好的电压表 例10 要测量一块多用电表直流10mA档的内阻RA 约为40 除此多用电表外 还有下列器材 直流电源一个 电动势E约为1 5V 内阻可忽略不计 电阻一个 阻值R约为150 电键一个 导线若干 要求 写出实验步骤 给出RA的表达式 解 实验步骤 1 用多用电表的直流电压档测量电源电动势E 2 用多用电表的 档测量电阻阻值R 3 将多用电表置于直流10mA档 与电阻R及电键串联后接在电源两端 合上电键 记下多用电表读数I R RA E I RA E I R 分析 电流表是一个能指示自身电流的电阻 多用表能够测量电流 电压和电阻 特别注意题目中的三个 约 字 E R都要用多用表测量其值 然后再用伏安法测量RA 例11 一个伏特表 量程是3V 当它串联一个6k 的电阻去测一个3V电源时 示数为1 0V 那么 这个伏特表内阻为 用这个伏特表接入图所示电路中测R1两端电压 读数为1 5V 此时毫安表读数为2mA 那么R1电阻大小为 3000 1000 要将量程为10mA的电流表改装为量程为10V的电压表 电流表内阻Rg约为200 除此电流表外 还有下列器材 A 电动势E约为1 5V 内阻可忽略不计的干电池一节B 量程为15V的标准电压表C 学生电源D 标准电阻 150 E 电阻箱0 9999 9 F 滑动变阻器0 100 1AG 电键 导线若干 1 在下面的方框中画出实验电路图 2 写出改装和校对电表的主要步骤 3 计算电流表内阻的表达式为Rg 将电流表改装成电压表 串联电阻箱所取阻值的计算式为R 答案 2 按照图甲所示连接电路 闭合S1和S2 读出电流表读数I1 断开S2 读出电流表读数I2 计算出电流表电阻Rg 根据改装电压表的量程计算串联电阻R的大小 在电阻箱上取R大小的阻值 将电阻箱与电流表串联得到改装电压表 按照图乙所示连好电路 通过移动滑动变阻器滑动触头改变电压 将改装表逐格与标准表比较校对 3 根据E I1Rg E I2 Rg R 得Rg I2R I1 I2 设改装后量程为U 则U Ig Rg R R U Ig Rg 4 欧姆表 1 原理 闭合电路欧姆定律 改变Rx 电流Ix随之改变 Rx与Ix一一对应 2 中值电阻 例12 如图电源的电动势E 1 5V 内阻r 0 5 电流表满偏电流Ig 10mA 电流表电阻7 5 A B为接线柱 1 用导线把A B直接连起来 此时应把可变电阻R1调节为多少才能使电流表恰好达到满偏电流 2 调到满偏后保持R1的值不变 在A B间接一个150 的电阻R2 电流表指针指着多少刻度的位置 3 如果把任意电阻R接在A B间 电流表读数I与R的值有什么关系 142 5mA 其中R内即为满偏时的内阻 且指针指在表头的中间位置时 所测的电阻值最准 多用电表欧姆档的原理 I 0 多用电表欧姆档换档的原理 注意 1 欧姆表的刻度与其他表刻度相反且刻度不均匀 2 欧姆表每次换档测电阻前都要调零 不能带电测量 3 欧姆表中电池用久了 电动势和内阻要改变 测出的电阻值有较大的误差 所以欧姆表常用来粗测电阻 中值电阻等于欧姆表的内阻 4 欧姆表 1 内部电路 2 表头 问题 相对于其他电表欧姆表的表头有什么特点 1 零刻度在右边 左边为无限大 2 刻度不均匀 左边密 右边稀疏 3 读数 问题1 图示中各次的电阻分别为多少 问题2 实际使用的欧姆表具有多个量程可以选择 有 10档 100档 1000档等 如果实验中选择的是 100档 图示中各次的电阻分别为多少 问题3 实际使用中怎样确定欧姆表选择哪一档 怎样才能使测得电阻的阻值更精确 指针指在中间刻度附近 答案写成1 2 103欧或1200 也给分 不写单位不给分 例13 某人用多用表 100 档按正确步骤测量一电阻阻值 指针指示位置如图4 则这电阻值是 如果要用这多用表测量一个约200 的电阻 为了使测量比较精确 选择开关应选的欧姆档是 1 20 103 10 例14 如图