物理竞赛实验辅导课件(电学).ppt

物理奥赛实验辅导,朱林彦,1实验竞赛的基本知识,物理竞赛考题是“基于教材、高于教材”，“题在书外、理在书中”，要求同学们把所学到的物理知识灵活应用。,1.1物理实验竞赛的基本要求：实验前：明确实验要求，了解仪器性能；设计实验方案，掌握注意事项；想好操作步骤，设计记录表格。,实验中：仔细调节实验装置，正确使用实验仪器；保证满足实验条件，培养良好实验习惯；认真观察实验现象，客观记录实验数据；认真分析实验数据，正确处理实验结果；合理作出实验结论，独立完成实验报告。,1.2仪器读数方法：1、基本规则：测量仪器的误差出现在哪一位，测量数据就读到哪一位。2、数字化仪表和准数字化仪表，不估读，直接记录全部数字。（游标卡尺、秒表、电阻箱等）3、分度式器具，如米尺、天平、模拟电表等，按最小分格的1/2、1/5、1/10估读。,1.3实验报告要求内容：1.实验题目2.实验要求3.实验仪器4.实验原理(基本原理说明，公式推导，仪器原理图、光路图、电路图等),操作要点按实验内容分步骤写出。说明:组装什么仪器；调整什么东西，调整到什么状态；测什么物理量，如何测量。应采取什么安全措施等。,6.数据记录与处理必要的实验条件记录（如室温、气压、湿度等)；观察到什么实验现象；测量数据记录（一般用列表法，应有数据表格）；数据处理应写出具体计算公式、数据代入过程；不确定度估算；最后给出测量结果表达。注意有效数字及单位。7.分析实验过程与误差来源，给出实验结论。,1.4实验类型,实验有两类，一类是常规实验，主要考查实验动手能力，看你能否顺利完成；另一类考察你的创新能力和发散性思维能力，看你能否将平时所学实验知识与实验动手能力有机地结合起来，利用所提供的实验器具，自己设计合理的实验方案，完成给定的测量任务。,2电磁学实验基本知识：2.1基本操作要点：合理布局，正确连线；易于观察，操作方便；认真检查，保证安全；仔细调节，观察现象；测量数据，恢复原状.,2.2基本器具：一、电表：分模拟电表和数字电表。1、模拟电表规格：量程、内阻、准确度。特点：指针式，直观定性，准确度稍差。,面板标识。用法：正确放置，零位校准，极性正确，联接方式，视差校正，注意读数方法。,2、数字电表规格：量程、内阻（输入阻抗）、准确度。特点：数字式，读数准确误差小，取样时间内求平均值。用法：a)电表电源正常；b)选择功能量程；c)注意保证安全；d)用完关闭电源。,3、检流计用于检查电路中是否通过电流，常使用模拟电表。其内阻较小（几十几千欧姆），可测很小的电流（10-610-12）。常用于检验电路是否平衡。数字电压表20mV200mV档可作为电压平衡指示仪表使用(在电桥平衡时就用到了),4、万用表：a）结构b）用法：选用合适的测量档位与量程注意正负极（模拟表）欧姆调零（模拟表），中值电阻电压测量要求内阻测量点间电阻。是否必须？用完后置于高电压档（模拟表。数字表关电源）。,二、电阻：1、固定电阻常用的有：碳膜电阻（剩余噪声大），金属膜电阻（剩余噪声小），线绕电阻（剩余噪声最小，体积大）。2、滑线电阻规格：总阻值、额定电流。用途：a)作为电位器和可变电阻使用。b)电源控制与调节器件（分压与限流；附：混合调节）,3、电阻箱规格：总阻值；额定电流；准确度；调节范围。基本误差（不确定度）a%+Mb/R其中a:准确度等级；R：测量示值；b：使用旋钮数；M：每旋钮最大允许接触电阻（一般应为0.002欧姆）。合格的0.1级电阻箱零值电阻应不大于0.035欧姆。使用与读数方法。4、标准电阻四端电阻,三、电源：,1、干电池干电池属于化学电池，常见的有：锌锰电池；镍氢电池；锂电池。2、铅酸蓄电池3、交流电源（市电，信号源）4、直流稳压电源（面板结构）。5、优缺点比较：便携性；稳定性；经济性（可重复利用性）,四、信号发生器：,提供某种确定波形的交变信号源，一般带负载的能力较差。1、频率可调，可直接读出频率（0.12106Hz）；2、输出电压可调；3、输出波形可调（正弦波、三角波、锯齿波、方波可选）；4、面板结构与使用方法,五、示波器面板结构与使用方法,2.3电学实验基本规则,布置仪器的原则是：走线合理，操作方便，易于观察，实验安全。应将需要经常操作和读数的仪器放在近处，其它仪器放在远处，高压电源远离人身。连线原则是：先接电路，后接电源；先断电源，后拆线路。从电源正极开始按回路对点接线。接线时应充分利用电路中的等电位点，以免在一个接线柱上接入过多的导线。,接好电路后，先不要通电，经认真检查确认无误后再接通电源。通电前，控制电路中的滑线电阻器应处于输出电压最小的位置。接通电源时，先将电源开关作瞬时点接触一下，观察实验仪器设备有无异常。如无异常，才能闭合开关，否则就需找出原因并排除之。总之，一般操作过程可概括为：手合开关，眼观全局，先看现象，后读数据。,3.电学实验基本方法3.1替代法3.2比较法如电桥测电阻3.3差值法如电压比对3.4补偿法如电位差计测电阻,4.电磁学基本实验,4.1测定直流电源的参数并研究其输出特性一、实验目的：1、用伏安法测量干电池的输出电压随电流变化的规律，并测出电池的电动势及内阻。2、测量电池的负载功率特性。3、学习用作图法处理实验数据。,二、实验器具干电池一节；数字电压表两块；电阻箱；定值电阻；开关；导线等。,三、教学内容,1、主要特性参数电动势；等效内阻；容量（AH，一般以20小时放电率表示）；温度特性；时间特性；负载功率特性。2、特性参数的表达方法参数法；列表法；图示法。,3、测量干电池输出的特性，并测量电动势E和等效内阻r。电源之简化：内、外接之比较：测量结果之处理：a)图示与图解法在直角坐标纸上描出实验数据点，连成直线。求出斜率和截距，即可得到干电池的内阻r和电动势E。由最小二乘法可知，拟合直线必过（）点。可据此画拟合直线。,b)用最小二乘法处理数据c)开路电压与短路电流由a)中求出直线在纵、横轴上之截距，分别是与，则,4、测量干电池的负载功率特性取一定值电阻做保护电阻；电流的测量。测出定值电阻上的电压，即得电流；如使用电流表，则量程变化会导致电阻的变化。对应电源的内阻为；从逐渐增加到，测量电流与电压；在接近时多测几个点。作曲线；从曲线上找出最大值对应的，这就是。与前面所测的值比较。,四、注意事项五、易出现问题,4.2实验十四磁电式直流电表的改装,一、实验目的：1、了解磁电式直流电表的基本结构和使用方法；2、学习扩大电表量程的方法，了解多用电表的改装原理。3、学习电表的校准方法。,二、实验器具待改装的磁电式直流电表的表头；数字万用电表（用做标准表）；电阻箱；可变电阻（变阻器或电位器）；直流稳压电源；开关；导线等。,三、教学内容1、电表的扩程原理与方法电压表；电流表。2、表头内阻的测量表头的特点：内阻大，满量程电流小。替代法测内阻：测量精度受电表和标准电阻箱的准确度限制。定压半偏法；定流半偏法；其他方法：伏安法；电桥法；电位差计等。,3、电表校准相对真值与相对标准具校准方法：a)零点校准；b)满量程校准；c)刻度线校准：校准点数：1121个；升降各校准一次；调准改装表，读标准表读数。计算平均值与变差。作校准曲线，以改装表读数为横轴，标准表读数平均值与改装表读数之差为纵轴，作校准曲线（相邻两点之间以折线连接）。估计改装后的准确度等级。,作校准曲线，以改装表读数为横轴，标准表读数平均值与改装表读数之差为纵轴，作校准曲线（相邻两点之间以折线连接）。估计改装后的准确度等级。其中最大绝对误差:,4、用电位差计校准时的分压措施与取样方法。5、实验内容测定表头内阻；改装电表并校准之（电流表5mA,电压表3V）；确定改装后电表的准确度等级。,四、注意事项五、实验中易出现的问题,附:电表内阻的测量（1）伏安法(内接法,外接法)电压表内阻测量电流表内阻测量,（2）电桥法:待测电阻作为桥臂电阻置于一桥臂.（3）恒流半偏法,（4）恒压半偏法,Rg=R2-2R1,（5）从恒压半偏法引出串联半偏法认为电源电动势不变，内阻可忽略）.（6）替代法（恒压替代法，恒流替代法）,（7）并联半偏法（从恒流半偏法引出，认为电路电流不变，此条件不易达到）。当等效电路内阻远大于待测电阻时，可以作此近似。,4.3测量非线性元件的伏安特性,一、实验目的：1、学习测量非线性元件的伏安特性，了解进行伏安法测量时两种电表的连接方法和接入误差；2、学习用数字万用电表测量二极管的导通电压，学习测量二极管的伏安特性。3、了解二极管的单向导电性和稳压二极管的稳压特性。4、了解白炽灯的伏安特性。,二、实验器具数字万用电表两块；电阻箱；滑线变阻器两个；直流稳压电源；二极管，稳压二极管；小白炽灯泡；开关；导线等。,三、教学内容1、伏安特性，非线性元件2、电表的连接方法和接入误差内接法；外接法。3、半导体二极管半导体二极管的基本结构；半导体二极管的伏安特性；,半导体二极管的特性参数半导体二极管的特性参数有正向导通电压、反向击穿电压和最大工作电流；正向导通电压是通过半导体二极管的电流为一毫安时所加的正向电压。反向击穿电压是通过半导体二极管的电流为一毫安时所加的反向电压。最大工作电流是二极管正常工作时允许通过的最大正向平均电流。稳压二极管,四、实验内容1、用数字万用电表测量二极管的导通电压和正、反向电阻2、用伏安法测量半导体二极管的伏安特性3、用伏安法测量小白炽灯泡的伏安特性4、在坐标纸上作出二极管的伏安特性，用图解法求出二极管的正向导通电压,5、在坐标纸上作出小白炽灯泡的伏安特性，求出室温下的灯丝电阻。6、白炽灯泡的电压与电流之间有关系：验证上式并求出K和n(将上式取对数，得作关系图线，其斜率为n,由截距可求出K)。,五、注意事项六、实验中易出现的问题,4.4惠斯顿电桥测电阻,一、实验目的：1、了解一般桥式电路的特点，掌握惠斯通电桥的基本结构和测量原理；2、掌握惠斯通电桥的使用方法。3、了解电桥灵敏度的概念，估算由此产生的不确定度B类分量。4、练习对测量电路系统误差的简单校正。,二、实验器具滑线式电桥板，检流计（AC5/4型），电阻箱，滑线变阻器；QJ23型箱式电桥；数字万用电表，电阻箱三个；直流稳压电源，开关，导线等,三、教学内容1、电桥结构与测量原理（1）常见的几种电桥平衡时Rx/R0=Cx/C0=R1/R2Lx=R1R4C3RxR1R4/R3电容电桥麦克斯韦电桥,（2）组合电桥方法因为Rx=(R1/R2)R0,所以只要有一小电阻和一可准确分压的分压器即可。板式惠斯顿电桥：用一根1米长的均匀电阻丝分压，分压比等于长度比。组合电桥：用两个已准确知道阻值的电阻分压或两个电阻箱分压（电阻箱阻值准确）。如用滑线变阻器（或电位器）分压，因为其分压比无法准确知道，必须用互换法（复称法）进行测量。亦可用替代法,2.电桥灵敏度估算在平衡状态，将某一桥臂电阻值R改变R，检测计指针偏转n格，则电桥灵敏度为：S=n/(R/R)由此可估算由于电桥灵敏度引起的误差（不确定度）Rx/Rx=0.2/S(数字式分辨率取最小单位1,指针式分辨率取0.2格),3、仪器介绍（a）组合电桥结构；减小误差的方法（提高电桥灵敏度；交换测量法；替代法）（b）检流计结构；使用方法。（c）箱式电桥：结构；使用方法；不确定度。,4、实验内容（a）滑线式电桥测电阻测电阻；测电桥灵敏度；交换测量。（b）箱式电桥测电阻（c）计算电阻并估算结果的不确定度。,四.应用a)测未知电阻b)测检流计（或微安表）内阻c)非平衡电桥：在平衡点附近，由nR压力、温度、光强等的变化（可转换为电阻变化）。d)注意待测电阻的额定电流,五、注意事项：六、实验中易出现的问题,例1：有干电池三节，检流计一只，标准电阻箱一个，电位器一个，开关，导线等，欲测一未知电阻，请设计电路并测量之。,4.5观测电容特性,一、实验目的：1、观察电容的充放电现象，了解电容特性；2、进一步熟悉示波器、信号发生器、数字万用电表等仪器仪表的使用；3、根据电容容抗的频率特性测量电容量。,二、实验器具示波器，信号发生器，数字万用电表，电阻箱，直流稳压电源，电容器两个（几十微法和零点零几微法各一个），开关，导线等。,三、实验原理1、电容器（1）结构（2）主要参数：电容量；额定工作电压。2、RC电路充放电特性（1）充电过程（2）放电过程令，称为电路的时间常数。,3、用示波器观察RC电路充放电过程4、用正弦波作电源时的充放电过程（1）电容上电压与电流的位相关系：ZC=1/(C)，电流超前电压/2位相。（2）电容阻抗和频率的关系由此可得电容量C。这时电压取有效值。,四、实验内容1、用数字万用电表的直流电阻档观察RC电路充放电过程2、用示波器观察RC电路充放电过程3、根据电容容抗的频率特性测量电容量五、注意事项1、使用示波器测量电压的基本方法。2、用示波器测量波形时，注意共地连接。,（6）高阻测量（1M）a)伏安法；b)电容放电法；c)电桥法,（7）低电阻测量a)伏安法；b)电压比较法；,例1：有干电池三节，检流计一只，标准电阻箱一个，电位器一个，开关，导线等,欲测一未知电阻，请设计电路测量之。解：比较法：电路如右，平衡时有Rs=R1应有：U/E=Rx/(R1+Rx)将Rs与Rx互换位置，调Rs至R2,平衡，应有U/E=R2/(R2+Rx).两者联立，得：Rx=R1R2,替代法：仍用上电路，但Rs用电位器Rn代替。调Rn使电路平衡.然后保持Rn不变，将Rx用Rs代替，调整Rs使电路再次平衡，则必有RxRs,电桥法（自组桥）：使Rs接近Rx的估计值，调整Rn，使电路平衡，记下RsR1；将Rx与Rs互换位置，保持Rn位置不变，调RsR2时电路平衡，则Rx=R1R2,附：电容的几种测量方法：1.电容上电压与电流的位相关系：ZC=1/(C)电流超前电压/2位相。,2.电容测量：a)比较法（电流),由U=I/(2C)=IZC所以C=I/(2C).保持U、V不变，则电流正比于电容量。Cx=(Ix/I0)C0,为消除分布电容影响，可作IC曲线，测出Cx时的Ix，从图中内插出来。,b)电压比较法：串联电路电流处处相等，故：所以注意：交流电表的频率范围，内阻；可使用晶体管毫伏表。,c)电容电桥法：平衡时,4、充电放电法（1）充电时（2）放电时,4.6黑盒子实验,一、实验目的：1、学习依据不同类型电学元件的特性对元件进行判别；2、进一步熟悉示波器、信号发生器、数字万用电表等仪器仪表的使用；3、培养设计检测步骤和综合分析推理的能力,二、实验器具示波器，信号发生器，数字万用电表，电阻箱，黑盒子（内部密封待测元件），开关，导线等,三、基本测量与分析方法：1、什么是黑盒子实验黑盒子是判定电学元件实验中使用的密封元件盒，盒里的元件可能有：干电池，定值电阻，电容器，半导体二极管等。盒外只有几个接线端。各元件连接在接线端上，两个接线端之间最多接一个元件，也可能为开路（断路）或短路。元件之间不连成并联回路，所以元件的分布应该是唯一的。实验过程不得打开黑盒子，要求设计实验方案和检测步骤，判定盒里元件,2、基本的测量与分析方法：（1）根据题目所给条件，确定盒子内元件种类及结构。（2）确定盒子里有无干电池，位置何处用电压表测各接点间电压并记录。如各接点间有电压，找出其中电压最大的两个接线柱，则电源应在它们中间。且可确定电源极性。如未给电压表或万用表，则可能需用电流表组装一个电压表（量程可不准确）,（3）确定盒子里有无二极管，位置何处如两接线柱间无电压，则可用万用表欧姆档测电阻，须正反测量两次并记录。以判定电路中有无二极管。如果正反两次测得的电阻值差别很大，则可以判定盒中元件为二极管，并可确定它的正负极。如果正反两次测得的电阻值相等，则可以断定所测元件是电阻。,注意欧姆档用法：量程合适（测量时指针在中间部位）用前调零不能测有源器件（电路中有电压时不能测电阻）为防电容上电荷影响，测电容前，可将对应接线柱短接一下。,（4）确定盒子里是否有电容器，位置何处利用电容的充放电特性确定电容。测电阻时如指针偏转一下后又回到平衡位置（），说明电路里有电容起作用，确定电容的最可能位置。如果使用数字万用电表来测量，应使用较高的电阻量程档（数千欧以上），接通时看到示值逐渐增大，直到超量程，短路放电后重复检测，均有此现象出现，说明该两接线柱间有电容。确定电容的位置：充放电现象最明显的两个接线柱之间。无法用测电阻的方法来大致判断电感的位置。有电阻的地方都可能是电感。,（5）必要时，可将适当位置短路，以确定元件种类和位置。（6）在适当的地方通以交流信号，测量相关接点的交流电压（交流电压显示值会受到直流电压的影响），调整频率，根据各接点间电压的变化关系分析电容、电感的位置（频率增大时，电容阻抗减小，电感阻抗增大）。,例1.黑盒子中有三个元件：电阻，电容，二极管。四个接线柱中13,24间无跨接元件，求内部结构。仪器：万用电表,解：四个接线柱，三个元件，且无交叉连接。必有两个接线柱间可能开路或短路，其它三对接线柱间依次连接三个元件，共有20种接法。因盒中无电源，可直接测各接线柱间电阻。每次测电阻前，将对应接线柱短接一下，以消除以前充电的影响。,测试方式现象及电阻测试方式现象及电阻12无充放电20023无1.3k（无200）（有）12无20023有（无200）（有）13-无1k24无200（有）（无）13+有24无200（有）（有）14无034有（无）（无）14无034无1k（有)（无1k）表中12指万用表黑表笔接1，红表笔接2。,分析：从测试结果看，接线柱14间电阻为零，显然它们短接。接线柱12间正反电阻均为200,24结果相同，与接线柱3相组合的接法中正反向电阻均不等（除无穷大），则二极管必与3相连。12间应为一个200电阻。接线柱3应接有一电容和一个二极管。当接线柱3接电表电池正极时，电阻无穷大；接电表电池负极时，有导通电阻，故接线柱3接二极管n极（负极）。,由13与23电阻值可见，R23R13，所以接线柱13间只有二极管，而2与3间除有二极管外，还有电阻。所以，二极管接于34之间电容只能在23之间具体接法如右图：,例2.同上题，测试结果如红笔所示。分析：12接线柱