电学实验的基本原理和基本方法

1 电学实验的基本原理和基本方法电学实验的基本原理和基本方法 实验考点 1 实验原理和测量方法 2 实验器材和原理电路 3 实验操作和条件控制 4 数据分析和数据处理 5 误差分析和实验评价 知识要点知识要点 测定金属的电阻率测定金属的电阻率 一 原理方法 1 原理 由电阻定律可得 金属的电阻率 因此测出金属导线的长 l R S RS l 度 l 横截面积 S 和导线的电阻 R 便可算出金属导线的电阻率 2 方法 用毫米刻度尺测量金属导线的长度 l 用螺旋测微器测量金属导线的直径 d 用伏安法测量金属导线的电阻 R 则测定金属的电阻率的原理式为 2 4 U d Il 二 实验电路 A V Rx R P A B E S 甲 A V Rx R P AB E S 丁 Rx A V R P AB E S 丙乙 A Rx R P A B E S V 1 选择 可供选用的实验电路有甲 乙 丙 丁四种 本实验待测金属导线的电阻较 小 应采用电流表外接法 2 控制 滑动变阻器的全电阻不宜太大 采用分压 限流两种控制电路均可 如图甲 或丙所示 图甲中用限流式控制电路时 实验前滑片 P 应位于 B 处 使接入电路的电阻最 大 图丙中用分压式控制电路时 实验前滑片 P 应位于 A 处 使分出的电压为零 三 误差分析 1 系统误差 由于电表有内阻 电表的接入不可避免地带来系统误差 1 如图甲 丙所示 电流表外接时 电流表读数偏大 V V x x R RU RR IRR 测真 2 如图乙 丁所示 电流表内接时 电压表读数偏大 xA U RRRR I 测真 四 数据处理 1 平均值法 12n RRR R n 2 图象法 调节滑片位置 测出多组数据 描点画出 U I 图 根据图线求出斜率 U R I 3 几点说明 2 1 平均值法和图象法能有效减少数据测量引起的偶然误差 2 测量多组数据时应使数据变化尽可能大些 3 采用图象法处理数据时 描点 合理选择坐标标度 使所描点尽可能分布在较 大的范围 连线 应观察数据点的走向用平滑曲线 或直线 连接数据点 作图时应尽 可能使更多的点在图线上 不在图线上的点应尽可能分布在图线的两侧 分析 a 探究 规律 图线可确定横纵坐标所代表的物理量间的关系 b 求相关物理量 根据原理式由图 线截距 斜率 面积求相关物理量 典例剖析典例剖析 例1 电表选取和电路选择 电表选取和电路选择 某电压表的内阻在20k 50k 之间 现要测量其内阻 实验室提供下列可选用的器 材 待测电压表V 量程3V 电流表A1 量程200 A 电流表A2 量程5mA 电流表A3 量程0 6A 滑动变阻器R 最大阻值1k 电源E 电动势4V 电键K 1 所提供的电流表中 应选用 填写字母代号 2 为了尽量减小误差 要求测多组数据 试在方框中画出符合要求的实验电路图 其中电源和电键及其连线已画出 解析 1 原理方法 伏安法 2 测量电路 3 电表选择 通过电压表的最大电流 3 3 A150 A 20 10 m U I R 故选用电流表 A1 4 控制电路设计 滑动变阻器在电路中起控制和调节作用 由于 1k 远小于待测电压表的内阻 2k 50k 故应采用分压电路控制 实验电路图如图所示 例 2 电表选取和电路选择 电表选取和电路选择 用伏安法测量一个定值电阻的阻值 备用器材如下 待测电阻 Rx 阻值约为 25k 电流表 A1 量程 100A 内阻 2k 电流表 A2 量程 500A 内阻 300 电压表 V1 量程 10V 内阻 100k 电流表 V2 量程 50V 内阻 500k 电源 E 电动势 15V 允许最大电流 1A 滑动变阻器 R 最大阻值 1k 电键 S 导线若干 为了尽量减小实验误差 要求测多组数据 1 电流表应选 电压表应选 2 画出实验电路图 解析 1 器材选择 测量电路 VA VA1 R S 3 从减小电表读数引起的偶然误差的角度考虑 两电表及电表与电源间的配置要合 理 注意到电源电动势远小于电压表 V2的量程 而跟电压表 V1的量程较接近 若选用电 压表 V2来测量电压 其最大偏转量达不到量程的 读数时偶然误差太大 所以选用 V1 1 3 较恰当 而此时通过电流表的最大电流 因此 电流表 A2 4 10 A400 A 2 5 10 m m x U I R 与 V1配置较好 2 电路选择 控制电路 电路选择主要从滑动变阻器对电路的控制和调节的角度考虑 若采用限流电路控制 注意到测量部分的总电阻约为 20k 远大于滑动变阻器的总电阻 1k 要保证电表安 全 变阻器分得的电压至少为 5V 阻值应调到 10k 显然 限流不能起到保证电表安全 的作用 更不能进行有效调节 所以 只能采用分压电路控制 实验电路如图所示 例 3 器材选择和电路选择 器材选择和电路选择 某同学测量阻值约为 25k 的电阻 Rx 现备有下列器材 A 电流表 量程 100 A 内阻约 2k B 电流表 量程 500 A 内阻约 300 C 电压表 量程 15V 内阻约 100k D 电压表 量程 50V 内阻约 500k E 直流电源 20V 允许最大电流 1A F 滑动变阻器 最大阻值 1k 额定功率 1W G 电键和导线若干 电流表应选 电压表应 填字母代号 该同学正确选择仪器后连接了以下电路 为保证实验顺利进行 并使测量误差尽量减 小 实验前请你检查该电路 指出电路在接 线上存在的问题 答案 B C 电流表应内接 滑动变阻器 应采用分压式接法 例 4 实验原理方法 实验原理方法 在 测定金属的电阻率 的实验中 需要用刻度尺测出被测金属丝的长度 l 用螺旋测微 器测出金属丝的直径 d 用电流表和电压表测出金属丝的电阻 Rx 1 请写出测金属丝电阻率的表达式 用上述测量量的字母表 示 2 若实验中测量 金属丝的长度和直径时 刻度尺和螺旋测微器的示数分别如图所 示 则金属丝长度的测量值为 l cm 金属丝直径的测量值为 d mm 3 用电流表和电压表测金属丝的电阻时 由于电压表 电流表内阻的影响 不论使 用电流表内接法还是电流表外接法都会产生系统误差 按如图所示的电路进行测量 可以 4 消除由于电表内阻造成的系统误差 利用该电路进行实验的主要操作过程是 第一步 先将 R2的滑动头调到最左端 单刀双掷开关 S2向 1 闭 合 闭合电键 S1 调节变阻器 R1和 R2 使电压表和电流表的示数尽 量大些 不超过量程 读出此时电压表和电流表的示数 U1 I1 第二步 保持两滑动变阻器的滑动头位置不变 将单刀双掷开关 S2向 2 闭合 读出此时电压表和电流表的示数 U2 I2 请写出由以上记录数据计算被测电阻的表达式 Rx 解析 1 由电阻定律可得 金属的电阻率 又 则 l R S RS l 2 2 d S 2 4 x d R l 2 金属丝长度的测量值为 36 50cm 金属丝直径的测量值为 0 5mm 29 7 0 01mm 0 797mm 3 单刀双掷开关 S2向 1 闭合时 1 1 1 Ax U RRR I 单刀双掷开关 S2向 2 闭合时 所以 2 1 2 A U RR I 12 12 x UU R II 例 5 数据分析和数据处理 数据分析和数据处理 在 探究导体电阻与其影响因素的定量关系 实验中 为了探 究 3 根材料未知 横截面积均为 S 0 20mm2的金属丝 a b c 的 电阻率 采用如图所示的实验电路 M 为金属丝 c 的左端点 O 为金属丝 a 的右端点 P 是金属丝上可移动的接触点 在实验过 程中 电流表读数始终为 1 25A 电压表读数 U 随 OP 间距离 x 的变化如下表 1 绘出电压表读数 U 随 OP 间距离 x 变化的图线 2 求出金属丝的电阻率 并进行比较 答案 1 如图所示 U V x mm 8006001000 120014001600 1800 20002200 2400 3 5 4 0 5 5 7 5 7 0 6 5 6 0 5 0 4 5 8 0 8 5 9 0 9 5 10 0 10 5 x mm600700 8009001000120014001600180020002100220023002400 U V3 954 505 105 906 506 656 826 937 027 157 858 509 059 75 R S V A MOP abc 5 2 由于 I S 一定 则 US Il SU