物理实验活动手册

1、高中选修物理（下）实验活动手册7欧姆定律与惠司同电桥一实验目的1 .练习电路的连接，并熟悉安培计、伏特计、可变电阻及电源供应器的使用方法。2 .利用“安培计-伏特计法”，测量待测金属的电阻，并验证欧姆定律。3 .利用“惠司同电桥”测量电阻。实验原理、欧姆定律德国科学家欧姆（Georg Simon Ohm 17871854）于1826年实验发现，在温度一定的情况下，金属两端的电位差（V）与通过的电流（I）成正比，后人称此关系为欧姆定律。而V与I之比例常数称为金属导体的电阻（R），欧姆定律的数学式可表示为R= 1 =定值根据欧姆定律，改变金属导体两端的电压，并测量其电流，将所得的数据作图，可得一条

2、通过 原点的直线，如图7-1。图7-1线性导体的I -V图我们利用伏特计测量电位差（V），利用安培计测量电流（I）。伏特计须与待测电路并联，安培计须与待测电路串联。而在测量电阻时，可以利用伏特计与安培计同时测量流经电阻之电位差与电流，其电路的接法有以下两种，分别适用于高电阻和低电阻的测量。（1）高电阻法（如图7-2）安培计量得的电流I为实际流经电阻 R的电流，伏特计量得的电位差V为电阻R与安培计内电阻rA的电位差之和，即V=IR+ 卜 a所以经测量所t算的电阻 R' V =R+a ,表示量得的电阻值R'为待测电阻R与rA用联之后的等效电阻。但若R9 rA ,贝R' K+

3、rA之R,表示所测量之电阻值R'可代表待测电阻R之值，此种接法适用于待测电阻远大于安培计的电阻时（学校实验室安培计的电阻2约为10- Q）owa（T）/ RL_J图7-2测量高电阻的电路图低电阻法（如图7-3）伏特计量得的电位差 V为电阻两端的电位差；但安培计量得的电流I ,为包含流经电阻的电流Ir与流经伏特计之电流Iv的总和，即.V vI = IR+IV=R+E V1 R 所以经测量所才t算的电阻 R' V =1一1 = -p ,表示量得的电阻值R'为待测电阻R与 IllRe+-1 + 一R rvrvrv并联之后的等效电阻。但若 rv 9 R , MR' R

4、,表示所测量之电阻值R'可代表待测电阻R之值，此种接法适用于待测电阻远小于伏特计电阻时（学校实验室伏特计的电阻约为_ 5 、10- 5Q）0图7-3测量低电阻的电路图、惠司同电桥 本实验利用惠司同电桥的比较方法，用以测定电阻，如图7-4 ，检流件为测量电路中是否有 电流通过R为待测电阻Ri R2为已知电阻R3为可变电阻。调整R3的电阻值使检流计中没有电流通过，此时B D的电位相同，则Vab = VadIiRi = l2RVbc = VdcIdR= I3R3两式相除IiRiI2R2|4R = I3R3又 li = I4 I,2= I3 ,所以RiR3R= R2由上式可知，若Ri R3 R

5、2已知，则R便可求得。0图7-4惠司同电桥电路图实验线路图如图7-5M P N为一均匀金属线，金属的电阻与其长度成正比。因此，电阻R2、R3之比为金属线长度 MP与PN之比。A为固定点，检流计（G之另一点P可在MN金属, R1R3PN在线滑动，若找到某一点使检流计读数为0,则R=RR3 =r MP 。图7-5惠司同电桥之接线图三实验器材惠司同电桥1具/组检流计（或微安培计） 1具 /组安培计（05 A） 1具/组伏特计（030V） 1具 /组可变电阻箱（11000Q） 1具 /组 电池（1.5 V）或直流电源供应器 数个（1具） /组 连接的导线 数条 /组®开关1具/组待测电阻箱（

6、规格如下表） 1具 /组图7-6待测电阻箱电阻代号ABCDE材料锲铭铜铜铜铜直径（mm）0.140.140.280.140.28长度（m）1020201010电阻率（Q? m）1.50 M 61.72 10-8四实验步骤一、欧姆定律1 .高电阻法（1）将电池、安培计、伏特计、可变电阻及待测电阻箱选择电阻A）连接如图7-7 ,测量电流;I）与电压（V）。高中选修物理(下)实验活动手册9图7-7高电阻法的接线图(2)调整可变电阻值，以改变电阻箱两端的电压大小，重复步骤(1)。(3)依所得的数据记录,作I-V图,以验证欧姆定律,并计算电阻值。2 .低电阻法(1)将电池、安培计、伏特计、可变电阻及待测

7、电阻箱(选择电阻B)连接如图7-8 ,测量电流(I)与电压(V)。图7-8低电阻法的接线图(2)调整可变电阻值，以改变电阻箱两端的电压大小，重复步骤(1)(3)依所得的数据记录，作I-V图，以验证欧姆定律，并计算电阻值。(4)分别重新选择待测电阻箱中的电阻C D E ,重复步麴)(3)。二、惠司同电桥选择待测电阻1 .将滑线、惠司同电桥线路连接好(Ri为可变电阻箱，R为待测电阻箱),如图-9Ao图7-9惠司同电桥接线图2 .将检流计的接点P置于滑线中央，并接上电池开关。3 .调整可变电阻箱的电阻，使检流计的指针尽量接近零点。再移动检流计的接点的读数正对零点。一 PN 4 .记录Ri的电阻大小与

8、MP PN的长度，利我=RiMp ,计算待测电阻的大小。5 .选择不同的待测电阻B CD E ,重复步麴.4.。6 .计算待测电阻A BCD E的电阻率。欧姆定律与惠司同电桥记录高中选修物理（下）实验活动手册13姓名：组别：一实验记录一、欧姆定律1 .高电阻法电阻 A®电阻材料名称：电阻率：长度：直径：电阻编号实验次数12345电阻 A电压（V）电流（A）电阻（Q）电阻A平均值与误差= ±Q作I-V图2 .低电阻法（1）电阻 B®电阻材料名称：电阻率：长度：直径：电阻编号实验次数12345电阻 B电压（V）电流（A）电阻（Q）电阻B平均值与误差= ±Q作

9、I-V图电阻 C®电阻材料名称：电阻率：长度：直径：电阻编号实验次数12345电阻 C电压（V）电流（A）电阻（Q）电阻C平均值与误差= ±Q作I-V图电阻 D®电阻材料名称：电阻率：长度：直径：电阻编号实验次数12345电阻 D电压（V）电流（A）电阻（Q）电阻D平均值与误差= ±Q作I-V图电阻 E®电阻材料名称：电阻率：长度：直径：电阻编号实验次数12345电阻 E电压（V）电流（A）电阻（Q）电阻E平均值与误差= ±Q作I-V图高中选修物理（下）实验活动手册17J >、惠司同电桥1 .数据记录及计算待测电阻R的大小待测电

10、阻编号可交电阻箱的电阻Ri (Q)MP(cm)PN(cm)PN待测电阻R= Ri而(Q)ABCDE2 .计算待测电阻的电阻率待测电阻编号长度L(m)半径r(mm)电阻大小R ( Q)电阻率 p ( Q? m)ABCDE参考公式：R=小 p=心问题与讨论1 .要将待测电阻箱中的两个电阻串联或并联，应如何接线?答：每个待测电阻都有左、右两孔，若要测量两个电阻的串联或并联，可用以下的方式联接。巳和电或聊2 .欧姆定律实验中，以I为纵坐标V为横坐目标I-V曲线关系为何？曲线的斜率有何意义？是一条通过原点的斜直线。以 I为纵坐标、V为横坐标，则直线显示I和V有正比的关系。且直线上的斜率代表电阻的倒数3

11、.测量待测电阻箱的五个电阻中，材料相同时，电阻的大小和材料的长度、直径有什么关系？答：实验结果为电阻的大小和材料的长度成正比，与直径的平方（截面积）成反比。4 .利用惠司同电桥测量电阻，是否需考虑检流计的内电阻？答：不需要，因为惠司同电桥测量电阻的工作原理是调整可变电阻，使检流计的读数为零，亦即并没有电流通过检流计，所以不需要考虑其内电阻5 .在接好线路、接通开关后，发现不论检流计的接点P移至滑线的任一位置，检流计读数均为 零，其可能原因为何？答：可能的原因有许多，如：(1)接点P与滑线接触不良，形成断路，此时可用砂纸或刀片将接头 处的氧化层磨除。(2)其他接点的接触不良或接错，形成断路。(3

12、)此外也有可能电池没电了 或(4)检流计坏了。三实验心得四实验评量(C) 1.如右图的电路中,检流住的指示为零,则下列叙述何者有误?(A)C D两点的电位相同(B)AC间的电位差=AD间的电位差(C)AC间的电位差=CB间的电位差(D)CB间的电位差=DB间的电位差(E)流入A点的电流=自B点流出的电流。C«(C)2.在“惠司同电桥”实验中，检流计一端经由接线接到一条均匀金属在线，接触点可在金属在线滑动。实验时必须移动接触点到适当位置，其目的是高中选修物理(下)实验活动手册19(A)测量检流计之最大偏转电流值(B)测量通过电池之最小电流值(C)测量接触点两边金属线之长度及对应之电阻值

13、(D)测量此均匀金属线之总电阻值(E)保护系统使仪器不会超载。(C) 3.右图所示之电路中，已知检流计©没有电流通过，则下列哪个改变仍然可以维持检流计中没有电流通过？(A)只减少Ri的值(B)只减少电的值(C)只增加R3的值(D)只增加R4的值(E)只减少R5的值。(B) 4.如右图的电路中，检流计的指示为零，则(A) Ri = R2R3=R4(B) ii (R1 + R3) = i2 (R2+R4)(C) Ri： R4=R2： R3(D) ii: i2=Ri: R2= R3： R4(E) ii： i2= (R1 + R3)： (R2+R4)。(E) 5.如右图中电阻线 Ri=10欧

14、姆R2=20欧姆R3 = 30欧姆R4 = 30欧姆，电池中电动势e=6伏特，不具内电阻。下列叙述中，正确的是 (A)由电池流出的电流i = 0.2安培 (B)流入Ri之电流为0.1安培 (C)AC间之电位差为3伏特(D)AD间之电位差为2伏特(E)要使C和D两点的电位相等，应将R4改为60欧姆的电阻。电流的磁效应及电流天平实验目的高中选修物理（下）实验活动手册331.2.二1.2.了解通过螺线管之电流大小与管内所产生磁场量值的关系了解通过导线之电流大小与导线在磁场中受力量值的关系实验原理电流I、长度L的载流直导线置于磁场 B中，若导线方向（即电流方向）与磁场方向垂直，则受力量值为F = IL

15、B（8.1）本实验利用如图8-1的装置进行实验（1）长方形电路绝缘板即电流天平,沿长方形半边边缘有 U形金属电路,中间两根细金属短棒连接U形电路两端,除作为电流天平支撑杆外,并为U形电路电流的出入端。中间（或一端）有调节螺丝 n ,可藉以在实验前微调电流天平成水平。（2）实验时将电流天平 U形电路的一端伸入螺线管内,使末端约位于螺线管内的中央位置。电流天平与螺线管各自连接一直流电源,螺线管通电流 I2则产生磁场B ,电流天平通电流I1，贝射 形电路垂直磁场方向的直导线（长度 L）受到磁力FF = ILB图8-1电流天平与螺线管之装置图（3）调整电流方向（Ii或I2皆可）使U形电路受到磁力向下倾

16、斜，在电流天平另一端加重F = mg物m使其恢复水平平衡,因电流天平为等臂,故BmgBI1L故可测得管内磁场量值为3.实验中所需测定的关系有两部分（1）固定流过直导线的电流Ii （约2 A ,可依实验室状况适度重设大小）,置一小重物m ,改 变螺线管电流I2，使电流天平呈水平,可求出螺线管磁场B与通过螺线管电流大小的 关系（B-I2图）。（2）固定螺线管电流I2，即固定螺线管磁场B ,置一小重物m ,改变流过直导线的电流Ii ,使 电流天平呈水平，可求出通过直导线电流与所受磁力量值的关系（m-Ii图）。三实验器材® 电流天平 1具/组空心螺线管 1具/组直流电源供应器（具安培计功能）

17、 2具/组安培计 2具/组 滑动式可变电阻（约 20 ?,最大容许电流5 A以上） 2个/组© 天平（灵敏至 0.01 g ,共享）1 座 导线（附接头） 8条/组© 公制尺（15 cm 或游标尺） 1 把 /组 方格纸（作重物用） 若干/组 剪刀（或美工刀，裁切方格纸用） 1把 /组四实验步骤1 .测量U形电路短边直导线的长度L ,如图8-2图8-22 .裁切方格纸10格X10格（即10 cmM0 cm ,亦可5 cmX5 cm）的大小数张，以天平测量总质量，可求得每一小格的质量，作为电流天平的整码，如曲-3。一 ，T 一 图8-33 .将电流天平U形电路的一部分插入螺线

18、管内，并调整螺丝n ,使电流天平成水平平衡，如图8-4。图8-44 .如图8-5所示之电路图，将安培计、可变电阻接上电流天平与螺线管（电阻接上前先调至最大）DC-o D.C.-O图8-5电流天平与螺线管之电路图5.接上直流电源，调整可变电阻，使流经电流天平的电流Ii固定为2 A （可依实验室状况适度重设大小，调整过程中应注意不可使电流超过仪器容许量）6.如图8-1,置一小重物m （1小格方格纸，视需要调整数量或切割成更小格）于螺线管外电流天平的另一端。7.调节螺线管之电流I2 ，使电流天平成水平平衡，并记录重物m及电流12。8.改变小重物5次，重复步蟋.7.,记录m与I2 ,作其关系图。9.依

19、式（8.4）求出每次的磁场 B ,作与I2之关系图。10.如步骤3.4.,接上电流，调整可变电阻，使螺线管之电流固定为2 A （可依实验室状况适度重设大小）。11.如步骤6.,调整电流天平之电流Ii ，使电流天平成水平平衡，并记录重物m及电流Ii.12.改变小重物5次，重复步骤10. 11.,记录m与I1 ，并作其关系图。实验8电流的磁效应及电流天平记录姓名：组别：实验记录电流天平导线垂直磁场部分的长度L =m.1.固定电流天平的电流IiIi =AI2 (A)m (kg)mgNB=IiL(A. m)2. m-l2关系图in (kg)3. B-I2关系图4.固定螺线管的电流I2I2=Am (kg

20、)Ii (A)mgNB=IiL(A. m)5. m-Ii关系图二问题与讨论1 .在步骤7.中,若调节电流I2时，发现电流天平愈来愈倾斜,应如何处置？之方向亦可）答：（1）若是bc段向上倾斜，则表示电流I2方向不对，应改变I2之方向（或I1,并减少I2之强度。（2）若是bc段向下倾斜，则表示电流I2方向正确，故只减少I2之强度即可。2 .如何由步骤8.之关系图及式（8.4）推知载流导线之磁场量值与其电流之关系?答：（1）由步骤7可知，当Ii固定时m 8I2。,，、mg（2）由式（8.4） B=U，若1固定时m xB。11L由（1）（2）得B J I2 ,即磁场量值与电流大小成正比。3.本实验可否

21、用来测定磁导率 ？（假设真空中的磁导率与在空气中相等）答：可；其主要步骤有二：高中选修物理(下)实验活动手册37(1) 测量 I1、 I2 及m。(2)将Ii、I2及m值代入式 mg=闿n Ii I2L,即可得啰。实验心得实验评量(E) 1.某君做“电流天平”实验时，发现只有一安培计可用地将电流天平、产生磁场的螺管线圈、可变电阻和安培计串联在一起,然后再接到电池上,结果电流达到I值时天平达到平衡,此时天平之整码重m。当电流增加到3I时，要使天平平衡,整码应增加到(A) 2m(B) 3m(C) 4m(D) 6m(E) 9m。(C)(D)(E) 2.设电流天平中流过 U形金属环之电流为Ii ,流过

22、螺线管之电流为I2时，天平恰成平衡。今将电流IiI,2做如下的改变(负号表示电流方向改变)，问在哪些情况天平仍可保持平衡？(多选)(A) Ii变成Ii，但I2不变(B) I2变成一I2,但Ii不变(C) Ii变成一Ii ,同时I2变成一I2(D) Ii变成I2 ,同时I2变成Ii(E) Ii变成一I2 ，同时12变成一Ii 0(A) 3.等臂电流天平的主要装置包括螺线管、电流天平(含U形电路)、直流电源供应器、滑线可变电阻及安培计等。电流天平的构造示意图如下图所示。令螺线管所载电流为I2、U形电路上的电流称之为Il、U形电路的宽度L = 1.0 cm、天平前端所挂的 小重物重量为 mg。载流螺

23、线管内部的磁场 B正比于电流I2，艮旧=42 ( a= 1.2 X0-3 T /A)。小明利用电流天平装置,测量小重物的质量。实验量得在平衡时，Ii = 1.0 A与12 =4.1 A,则小重物质量约为多少kg?(A) 5.0X10- 6(B) 4.1X10-6(C) 2.5M0-5(D) 5.0X10- 5(E) 4.1X10- 5。(D) 4.电流天平的主要装置包括螺线管、电流天平(含 U形电路)、直流电源供应器、滑线 可变电阻及安培计等。电流天平的构造示意图如下图。令螺线管所载电流称之为I 2 U形电路上的电流称之为Ii U形电路的宽度L=10.0 cm,天平前端所挂的小重物重量为mg。

24、下列有关电流天平的叙述何者错误？(A)常用的电流天平是一等臂天平(B)利用电流天平可测量小重物的重量(C)平衡时U形电路所受的磁力等于小重物的重量(D) U形电路上的电流所受的总磁力正比于U形电路的总长度(E)天平前端(挂小重物端)若一直垂下,天平无法达到平衡时，则将Ii或I2的电流 方向改变，可能可以解决问题。(A) 5.承第4.题,载流螺线管内部的磁场(B)正比于电流(I2 ),艮旧=/。小明利用电流天平装置，测量比例常数 民,并将小重物白重量固定为50毫克重。实验时，他将螺线管电流I 2作为主变量，电流天平电流I i作为应变量，量得I i与I2的关系数(D) 2.4X10-1(E) 8.

25、5 X10- 10电子的荷质比一实验目的使用电子束管及亥姆霍兹线圈(Helmholtz's coils)或使用6AF6型电子管配合螺线管,以 e测定电子的何质比m。二实验原理如图9-1 , 一电子在均匀磁场B中运动，若电子的速度v与磁场B垂直，则电子的运动轨迹为一圆,若已知磁场B的量值及电子的速度量值v ,再利用轨道半径r的测量,我们便可得知电子的e电量e与其质量m|i的比值而(简称何质比)。图9-1电子在均强磁场内作圆周运动电子以速度7垂直磁场B运动时，其所受的力F为F = (- e) vxB因力F与速度7永远保持垂直，故电子便在垂直磁场的平面上作等速圆周运动，设圆周半径为r ,根据

26、牛顿定律F=ma(9.1)上式中m为电子的质量,a为向心加速度,又电子所受磁场的作用力F ,其值为F=evB(9.2)电子作圆周运动时，加速度量值a为2V,、a= 7(93高中选修物理（下）实验活动手册41合并式（9.1）、式9.2）及式（9.3）可得加以整理可得式（9.4）中v为电子的速率。evB=e _v_ mi- rB2 mvr(9.(4)由于电子在射入磁场B之前，是先经电子it电位差V的加速，故电子的速度可由电位差V求得2 mv2 = eV(9.(5)合并式（9.4）与式（9.5）可得e 2V=2zr-2 m B r(9.(6)在本实验中，磁场B的产生是利用两个导线线圈并排，两线圈相隔

27、距离等于线圈半径（此两线圈合起来称为亥姆霍兹线圈），两线圈通以同向等大的直流电流时，在连心轴中央产生一近乎均匀的磁场,且磁场方向平行连心轴。磁场的量值B为_ 8 NIB= 125r(9.(7)上式中 =4兀M07 WbA? mN:每一个线圈的匝数I :通过线圈的电流R:线圈半径若将式（9.7）代入式（9.6）可得电子的荷质比(9.8)e125R2Vm= 32 闿2N2I2r2 e.一 e 式（9.8）中等号右边的相关量均可测得，故电子荷质比m便可求得。电子荷质比m的公认 值为 1.76 1011 Ckg。本实验的电子束管及亥姆霍兹线圈也可用6AF6电子管及其螺线管取代，两者的原理相同。三实验器

28、材 电子束管（附尺标在内）或 6AF6型电子管 1具/组 磁场线圈或螺线管 1具/组可调变高压直流电源供应器（0 20-250 V）（附6.3 V灯丝电源及接头） 1具/组 可调变稳定直流电源（6 V或12 V ） 1具/组© 直流电压电源供应器（0250 V）1具/组直流电流电源供应器（612 V ） 1具/组导线9条/组四实验步骤一、使用电子束管及亥姆霍兹线圈1.将仪器安装如图9-2 ,并将各旋钮调至最小，为保险起见，安装后再核对一次6-接至糠国A CFIFZVG P株植兹陪副铝夙酊 培喝棒根特穆穆 安及繇跷伏栅隔直流。V直流O0 - 250 Vo o直流6 12 V接殖BI3L

29、L接图9-2电子束管及亥姆霍兹线圈接线图2 .将阴极与阳极间接上80 V电位差。3 .磁场线圈通以电流I ,并测量电子轨道半径r。4 .再重复步骤3.三次,共可得四组电流I与半径r的对应值。e5 .将所得数据代入公式（9.8）,计需 值。6 .将阴极与阳极改接150 V电位差,重复步骤3.5.。7 .阴极与阳极改接200 V电位差，重复步骤3.5.。二、使用6AF6型电子管及螺线管1 .将仪器安装如图9-3及图9-4 ,并将各旋钮调至最小，为保险起见，装妥后再予核对一次。高中选修物理（下）实验活动手册47图9-4螺线管接线图2 .阳极接上100 V电压。3 .改变螺线管电流I ,使射出电子束的

30、边缘形成半圆形，如图9-5 ,记录半圆形的半径r及电流I图9-5B及电流I之关系，求得磁场4 .利用实验8 （电流的磁效应及电流天平）所得螺线管磁场量值的量值Bo.e 2V e .5 .将所得的r及B值代入公式m =B2r2 ,并计3 值一.e6 .重复步骤3.5.,共可得四个m值。7 .将阳极接上150 V,重复步阳.6.。8 .将阳极接上200 V,重复步阳.6.。实验9电子的荷质比记录三年 班座号：姓名：组别：实验记录、使用电子束管及亥姆霍兹线圈1.线圈匝数(单侧)N =圈；线圈半径R=m=4兀X10-7 WbA? m电压V(V)电流I(A)平均值与误差电子轨道半径r(m)平均值与误差e C荷质比m (kg)平均值与误差80150200、使用6AF6型电子管及螺线管阳极电压V(V)电流I(A)平均值与电子束半径r(m)平均值与磁场B(T)平均值与e 2VCm =明(而)平均值与100