高中物理电学实验(二)

1、高中电学实验第一讲：电阻的测量方法及原理一、伏安法测电阻1、电路原理“伏安法”就是用电压表测出电阻两端的电压 U，用电流表测出通过电阻的电流 I, 再根据欧姆定律求出电阻 R= U/I 的测量电阻的一种方法。电路图如图一所示。如果电表为理想电表， 即 RV=，RA=0 用图一（甲）和图一（乙）两种接法测出的电阻相等。 但实际测量中所用电表并非理想电表， 电压表的内阻并非趋近于无穷大、 电流表也有内阻， 因此实验测量出的电阻值与真实值不同， 存在误差。如何分析其误差并选用合适的电路进行测量呢？若将图一（甲）所示电路称电流表外接法，（乙）所示电路为电流表内接法，则 “伏安法”测电阻的误差分析和电路

2、选择方法可总结为四个字：“大内小外”。2、 误差分析（ 1）、电流表外接法1由于电表为非理想电表，考虑电表的内阻，等效电路如图二所示，电压表的测量值U 为 ab 间电压，电流表的测量值为干路电流，是流过待测电阻的电流与流过电压表的电流之和，故：R测 = U/I =Rab = (Rv R)= (Rv R)/(Rv+R) R此时 R测的系统误差主要来源于RA的分压作用，其相对误差为 : 内 =R/R = (R 测-R)/R = RA/R综上所述，当采用电流表内接法时，测量值大于真实值，即 大内 ；当采用电流表外接法时，测量值小于真实值，即“小外”。3、电路的选择（一）比值比较法21 、“大内”：当

3、R RA 时，选择电流表内接法测量，误差更小。“小外”：当 R 时，应选择电流表内接法进行测量。“小外”：当 R时，应选择电流表外接法进行测量。证明：电流表内、外接法的相对误差分别为 内 = RA/R 和 外 = R/(Rv+R) ，则：（ 1）若 内外 ，RA/R RARv+RARRARv ， R此时 ，电流表内接法的相对误差小于电流表外接法的相对误差，故实验电路应选择电流表内接法，即“大内”。（ 2）同上分析可知，当R外 ，实验电路应选择电流表外接法，即“小外”。3、试触法当待测电阻的阻值完全未知时，常采用试触法， 观察电流表和电压表的示数变化情况： 大内 ：当I/IU/U 时，电流表的示

4、数的相对变化大， 说明电压表的分流作用显著，待测电阻的阻值与电压表的内阻可以相比拟， 误差主要来源于电压表， 应选择电流表内接法。 小外 ：当I/IU/U ，由 大内 有，电流表内接法的测量误差小，即乙图所示电路，测得的R= U/I=3.0/3.010-3 =1.0 103二、替代法测电阻（ 1）电路如图R1R1AARxRx图七图八42、实验原理本实验利用闭合电路欧姆定律， 当电流表示数相同时的R1 值即等于待测电阻 RX 的阻值大小误差分析：实验中的误差主要来源于电阻箱接触电阻的存在，一般测量电路时选择图 1 所示的电路图， 主要原因是，电阻箱在测量过程中不允许流过的电流过大。三、半偏法测电

5、阻（一）实验电路R2mAVR1K 2R2K 2K 1R1K1图九图十（二）实验原理：1、限流式半偏法，图九为限流式半偏法（因变阻器采用的是限流接法）原理为：首先闭合 K1、断开 K2，调节 R1 使电流表满偏，再保持 K1 不变， R1 不变，调节器节 R2 使电流表半偏，则此时变阻器 R2 的示数即为要测量的电流表的阻值。原因，当 R1Rg 时，R2 的引入对于干路电流影响极小，可以忽略不计，可认为电路中 I=Ig 不变，所以电流表的电流与流过变阻器的5电流相同，据并联电路分流关系可得，R2=Rg。适用条件：本电路仅适用于测量小电阻电流表的内阻。误差分析：电路中， E、r 不变， R1 不变

6、， R2 的引入导致电路的总电阻略有减小，电路中总电流略有增大， 从而使得流过变阻器 R2 的电流比流过电流表的电流稍大些， 因此变阻器的电阻略小于电表内阻。 所以测量值比真实值偏小。减小误差的方法：电路中电源电动势要大一些， 从而使得变阻器R1 的阻值尽可能大些。2、分压式半偏法图十为分压式半偏法（因变阻器采用的是分压式连接法）实验原理：如图闭合 K1 闭合 K2，调节器节 R1，使电压表满偏，保持 R1 不变，断开 K2 ，调节 R2 使电压表半偏，当 RVR1 时，接入 R2，时可认为分压电路部分电压不变，据串联电路的分压特点可得， RV=R2。应用条件：本电路仅适用于测量大阻值电表内电

7、阻。误差分析：接入 R2 时，导致分压电路总电阻略有增大，从而使分压电路分压略有增大，而电压表的示数仅为U/2 则 R2 两端的电压应略大于U/2，所以 R2 RV。即电压表的测量值略大于真实值。减小误差的方法：61、UgR1，R1 越小， Ug 越大误差越小2、电源电动势 E 大，则分压电阻越小，误差越小。四、电桥电路测电阻（2017 全国二卷）1、电路原理如图R1R2uAuAR1R0x1X 2R3R4图十二图 十 一2、电路原理当电路中灵敏电流计的示数为零时则有电阻R1R3R2R4利用此关系可进行电阻的测量， 在测量时可把电路转换为如下图所示。即把 R3、R4 换成一根长直均匀电阻丝，RX

8、 为待测电阻， R0 为标准电阻， R0 和 RX 间接入一灵敏电流计，滑动触头P 可在电阻丝 AB上任意移动，且接触良好，当电流表中I=0 时测出 AP、BP两段电阻丝的长度，由下式R0x1RXx2可得出 Rx 的阻值大小。73、误差分析：该设计电路中的误差主要决定于电流表的灵敏度和电路中的接触电阻的大小。五、利用电表的非常规接法测电阻电表的非常规接法一般是指利用电流表与电阻的并联来测量低值电阻，或是电压表与电阻的串联来测量高值电阻。此种接法在近几年的高考中经常出现，应引起重视。电路如图1、电流表的非常规接法即利用已知阻值的电流表与待测电阻并联来测量电阻AAAARxAA 2RxAA图十四图十

9、三此种接法实质是伏安法测电阻： 但在测量时要求知道电表的内阻图 1 中 xI1 R1电路中要求知道电流表1 的内阻；RI 2I 1A图 2 中 RxI 1R1I 2 R2电路中要求知道两只电流表的内阻；I 2适用范围：在测量电路中由于电流表的内阻一般较小，故本电路一般仅适用于测量低值电值。82、电压表的非常规接法即利用已知阻值的电压表与待测电阻串联来测量电阻电路如图：V1V1VVRxV 2V2RxVV图十五图十六图 1中RXU 2U 1U 2 U 1 R1式中1 电压表 U1 的内阻U 1U 1RR1图 1中 RXU 2式中 R、R为电压表 U、U 的内阻U 1U 21212R1R2该设计电路

10、中由于电压表一般内阻较大，故本电路一般用于测量高阻值电阻阻值。六、利用欧姆表原理测电阻1、欧姆表原理电路图：R0GE 、rR1红表笔黑表笔RX图十七92、原理：利用闭合电路欧姆定律。IER0R1RgrRx（ 1）首先将红黑表笔短接，调节R1 使电流表满偏 I=I g，EI gIR0 R1 Rgr令 R内=R0+R1+Rg+ r保持 R1 不变，接入待测电阻 RX，则每一个 RX对应于一个电流值I ，即EIR内Rx利用 I 与 I g 的比值关系可得出表盘上每一刻度所对应的电阻值，即为改装后的欧姆表。其中当I= 1 I g 时 RX=R 即中值电阻等于内阻。2对于欧姆表在测量电阻时待测电阻阻值在

11、中值电阻附近时测量值较准确，误差较小，所以一般要求在测量时，阻值在中值电阻附近，可通过换档调零来调节。3、误差分析：欧姆表引入的误差主要在于两点：i. 由于电池用久以后会导致电源的电动势下降， 而内阻增大，导致中值电阻阻值增大，不能调零，从而导致测量值大于真实值。ii. 由于表盘的刻度不均匀，读数误差大，只能用于粗略地测量电阻的阻值。10二、控制电路分析一般在高中物理电学实验中控制电路有两种：变阻器的限流式接法、变阻器的分压式接法对变阻器的两种接法分析如下：( 一 )变阻器的限流式接法1、电路如图十八RxR图十八2、电路分析：在限流式电路中当变阻器阻值 R比待测电阻 Rx 大得多时，变阻器对电

12、路的控制作用明显。待测电阻 Rx 两端的电压范围为RX UUURXR电流范围为：IUURR XRX电路特点：由于电路中变阻器的阻值较大，所以在同等条件下电路中的总电流较小，电路发热较小，功率损耗较小。电路设计选用要求：电流小，功耗小或给出条件RRX时选且 R越大其限流作11用越明显（二）变阻器的分压连接法1、电路如图十九RR图十九2、电路分析在限流式电路中当变阻器阻值R比待测电阻 Rx 小得越多时，变阻器对电路的控制作用越明显。待测电阻Rx 两端的电压范围为U0U通过待测电阻的电流范围为：I0URx电路特点：1 RRX 时选择且 R 比 RX 小得越多，其分压作用越明显， RX 两端的电压越接

13、近于线性变化。2 电路中电压的调节范围较大且连续可调，3 由于电路中的总电阻较小，电路中通过的电流相对较大，电路功率消耗较大，发热较多。电路设计选用要求：1 当电路仪器，电表等的最大量程不够时2 电路中要求电压范围大且连续可调时3 RRX时选且 R越大其限流作用越明显2 电路中通过的电流较小， 电源的功率较小， 电路中功率损耗较小，节能选用要求：1 电流小，功耗小2 RRX时选且 R 越大其限流作用越明显1、分压式连接法：特点：1 RRX 时选择且 R 比 RX 小得越多，其分压作用越明显， RX 两端的电压越接近于线性变化。2 电路中电压的调节范围较大且连续可调，3 由于电路中的总电阻较小，

14、电路中通过的电流相对较大，电路功率消耗较大，发热较多。选用要求：1 当电路仪器，电表等的最大量程比电源电动势小得多时2 电路中要求电压范围大且由0 开始连续可调时133 RRX 时选择，当小得多时，必须选择分压式三、 电学仪器元件的选择原则与实验设计方法：（ 1）安全性原则：如通过电源和内阻和电流不能超过基允许的最大值；电路中电器元件上的电流、电压、电功率不能超过额定值，电表的量程等（ 2）精确性原则：在实验条件和所给的电路元件中选择满足实验要求的器材，使实验原理更完善，实验过程尽可能简单，误差尽可能小结果尽可能精确。如：电表的偏转要求，导体对温度的要求，电表内阻的影响等：（ 3）可操作性：指

15、操作要方便简单，读数准确误差小，数据处理简便。可对于滑动变阻器在电路中的应用。此外：在实际的电路设计中考虑电路尽可能简单， 所需要电路元件少，消耗的电能要少等因素。注：以上只是电学实验设计中的一些基本原则， 在实际的实验设计中应充分理解题意， 根据实际需要， 在原则允许的条件下来进行仪器的选择与电路的设计、连接。例 3、欲用伏安法测定一段阻值约为 5左右的金属导线的电阻， 要求测量结果尽量准确，现备有以下器材：A 、 电池组（ 3V，内阻 1）B、电流表（ 03A，内阻 0。0125）C、电流表（ 00。6A，内阻 0。125）D、 电压表（ 03V，内阻 3K）14E、电压表（ 015V，内

16、阻 15K）F、滑动变阻器（ 020，额定电流 1A）G、 滑动变阻器（ 02000，额定电流0。3A）H、 开关，导线若干；（ 1）上述实验器材中应选用的是：（ 2）试画出实验电路，并连接实物图V分析：由题分析可知，本题是用伏安法测电阻，A待测电阻阻值为5，电源只有 A 必选，故电压表只能选 D，而电流范围在00。6A 之间，故电流表只能选用C，再依据伏安法测电阻的比值比较原则可得只能选用电流表外接法。而变阻器最小为 20比待测电阻大，从实际看一般选用限流式控制电路。答案： A、C、D、E、H测量电路：如右图所示例 4：要用伏安法来测定一个阻值在 25k左右的电阻 Rx 的较准确的阻值，备用的器材如表格所示。15为了要使测量的结果达到较高的准确度，则（1）测量电路应选择（填安培表内接法或安培表外接法）（2）控制电路应采用（填限流电路或分压电路）（3）电流表应选用（填代号）电压表应选用（填代号）（4）画出实验电路图。（其中电源和电键及其连线已画出）例 5、实验室中现有器材如下：电池 E：电动势约 6V，