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第13讲电学实验一、电学测量仪器的使用与读数1．电流表、电压表、欧姆表的比较2.多用电表使用“四注意”(1)极性：从电表外部看，电流应从红表笔(“＋”极)流入电表，从黑表笔(“－”极)流出电表．(2)功能：利用多用电表测电压和电流时，选择开关对应的是电表的量程；而测电阻时，选择开关对应的是倍率．(3)调零：测量电阻时，要进行两次调零：机械调零和欧姆调零．“机械零点”在表盘刻度左侧“0”位置，调整的是表盘下边中间的定位螺丝；“欧姆零点”在表盘刻度的右侧电阻刻度“0”位置，调整的是欧姆调零旋钮．(4)保护：测电阻时，应把被测电阻从电路中拆下测量；多用电表长期不用时，必须取出表内的电池．二、电流表内外接法的比较与选择三、滑动变阻器接法的选择四、实物连线注意事项1．画线连接各元件，一般先从电源正极开始，按照电路原理图依次到开关，再到滑动变阻器，按顺序以单线连接方式将主电路中串联的元件依次串联起来；其次将要并联的元件再并联到电路中去．2．连线时要使导线接在接线柱上，两条导线不能交叉．3．要注意电表的量程和正负接线柱，要使电流从电表的正接线柱流入，从负接线柱流出.[例1]如图甲为多用电表的示意图，现用它测量一个阻值约为20Ω的电阻，测量步骤如下：热点1多用电表的使用及读数(1)调节________，使电表指针对准________的“0”刻线(选填“电阻”或“电流”)．(2)将选择开关旋转到“Ω”挡的________位置(选填“×1”“×10”“×100”或“×1k”)．(3)将红、黑表笔分别插入“＋”“－”插孔，并将两表笔短接，调节________，使电表指针对准________(选填“电阻”或“电流”)的“0”刻线．(4)将红、黑表笔分别与待测电阻两端相接触，若电表读数如图乙所示，该电阻的阻值为________Ω.(5)测量完毕，将选择开关旋转到“OFF”位置．[解析](1)将选择开关拨到欧姆挡前，先进行机械调零．方法是调节定位螺丝，使电表指针指在电流为零的刻线位置．(2)用多用电表测20Ω的电阻时，要把选择开关旋转到“Ω”挡“×1”的位置．(3)将红、黑表笔短接，进行欧姆调零．调节欧姆调零旋钮，使指针指在“Ω”挡的零刻线上．(4)由乙图读出该电阻的阻值为19Ω.[答案](1)定位螺丝电流(2)×1(3)调零旋钮电阻(4)19【借题发挥】多用电表使用“五步”法(1)选倍率，一般要选择比被测电阻的估计值低一个数量级的倍率，如估计值为200Ω就应该选×10的倍率．(2)进行欧姆调零．(3)将红、黑表笔接在被测电阻两端进行测量．(4)将指针示数乘以倍率，得测量值．(5)测量结束后，将选择开关扳到OFF或交流电压最高挡．特别注意：用欧姆挡测电阻时，如果指针偏转角度太小(即指针所指的欧姆刻度值太大)，应该适当增大倍率重新调零后再测量；如果指针偏转角度太大(即指针所指的欧姆刻度值太小)，应该适当减小倍率重新调零后再测量．[例2](2014年西安高三联考)牛小曼同学对纽扣锂电池的特性进行了实验探究，该电池的内阻约为1kΩ，电动势标称值为3V．为了测定其电动势和内阻，除待测电池外，还备有如下器材：A．电压表V1：量程为3V、内阻约为100kΩB．电压表V2：量程为4V、内阻约为10MΩC．电流表A1：量程为3A、内阻约为8ΩD．电流表A2：量程为0.6A、内阻约为50ΩE．定值电阻R1：1kΩF．定值电阻R2：30kΩG．滑动变阻器：0～5kΩH．开关、导线若干热点2实验器材的选取和电路的设计(1)为了较准确测量，电表应选用________、________；定值电阻选用________；(填器材前的编号)(2)请在虚线框内画出实验电路．[解析](1)因为纽扣锂电池短路电流I0＝3mA，两个电流表量程太大，电压表V1测R1的最大电流恰好为3mA.所以电表采用电压表A和B；定值电阻R2的阻值太大，与两电表不匹配，所以定值电阻采用E；(2)量程大的电压表V2测路端电压，电压表V1接在滑动变阻器两端(电压表V1接在定值电阻两端也可)，电路如图所示．[答案](1)ABE(2)图见解析(其他实验电路合理也可)【借题发挥】选择实验仪器的三大原则(1)安全性原则：要能够根据实验要求和客观条件选用合适的仪器，使实验切实可行，能达到预期目标．另外还要注意测量仪器的量程，电阻类器件的电流不能超过允许通过的最大电流等．(2)精确性原则：根据实验的需要，选用精度合适的测量工具，但对某个实验来讲，精确程度达到要求即可，并不是精度越高越好．(3)方便性原则：在不违反前两个原则的前提下，尽量使测量电路简单好接，测量中的调节控制操作方便．①用分压式接法时，滑动变阻器应该选用阻值较小的，而额定电流较大的．②用限流式接法时，滑动变阻器应该选用阻值和被测电阻接近的，额定电流应大于被测电阻的额定电流．[例3]在“测定金属的电阻率”实验中，所用测量仪器均已校准．待测金属丝接入电路部分的长度约为50cm.(1)用螺旋测微器测量金属丝的直径，其中某一次测量结果如图所示，其读数应为________mm(该值接近多次测量的平均值)．热点3实物连接、数据处理及误差分析(2)用伏安法测金属丝的电阻Rx.实验所用器材为：电池组(电动势3V，内阻约1Ω)、电流表(内阻约0.1Ω)、电压表(内阻约3kΩ)、滑动变阻器R(0～20Ω，额定电流2A)、开关、导线若干．某小组同学利用以上器材正确连接好电路，进行实验测量，记录数据如下：由以上实验数据可知，他们测量Rx采用的是______(选填“甲”或“乙”)图．(3)图丙是测量Rx的实验器材实物图，图中已连接了部分导线，滑动变阻器的滑片P置于变阻器的一端．请根据(2)所选的电路图，补充完成图丙中实物间的连线，并使闭合开关的瞬间，电压表或电流表不至于被烧坏．(4)这个小组的同学在坐标纸上建立了U、I坐标系，如图丁所示，图中已标出了与测量数据对应的4个坐标点．请在图丁中标出第2、4、6次测量数据的坐标点，并描绘出UI图线．由图线得到金属丝的阻值Rx＝________Ω(保留两位有效数字)．(5)根据以上数据可以估算出金属丝电阻率约为________(填选项前的符号)．A．1×10－2Ω·mB．1×10－3Ω·mC．1×10－6Ω·mD．1×10－8Ω·m(6)任何实验测量都存在误差．本实验所用测量仪器均已校准，下列关于误差的说法中正确的选项是______(有多个正确选项)．A．用螺旋测微器测量金属丝的直径时，由于读数引起的误差属于系统误差B．由于电流表和电压表内阻引起的误差属于偶然误差C．若将电流表和电压表的内阻计算在内，可以消除由测量仪表引起的系统误差D．用UI图象处理数据求金属丝的电阻可以减小偶然误差[解析](1)螺旋测微器读数为39.6×0.01mm＝0.396mm.(2)从表格数据可以估计出被测金属丝阻值大约是5Ω.因为滑动变阻器最大电阻为20Ω，电源电动势为3V，若采用限流式接法，被测金属丝获得的最小电压为320＋5×5V＝0.6V，但表格第一组数据电压只有0.10V．可见，在实验中，滑动变阻器不是限流式接法，所以选甲．(3)分压式接法中滑动变阻器的三个接线端都要接入电路，其中两个固定端与电源相连．(4)求出UI图线的斜率，即表示Rx的电阻值．(5)根据公式R＝ρLS，电阻率ρ＝RSL，代入数据即可求出电阻率ρ.(6)偶然误差是随机产生的，是不可预计的；系统误差是由一些固有的因素(如测量方法的缺陷)产生的，理论上说系统误差总是可以通过一定的手段来消除．因此，读数造成的误差属于偶然误差，A错误；电表的内阻造成的误差属于系统误差，是可以消除的，所以B错误，C正确．用UI图象处理数据，所作的图线对测量数据起到取平均值的作用，从而减小偶然误差的影响，D正确．[答案](1)0.395～0.399均可(2)甲(3)如图(4)如图4．3～4.7均可(5)C(6)CD【借题发挥】1．测定金属的电阻率的数据处理(1)测量多组电流、电压值，求出对应的电阻后取平均值，不能对电流、电压取平均值．(2)用图象法求电阻，即作出UI图象，由图线的斜率求出电阻值．在设定标度时要尽量使各点间的距离拉大一些，连线时要让各点均匀分布在直线的两侧，个别明显偏离较远的点可以不予考虑．2．测定金属的电阻率的误差分析(1)金属丝的直径测量是产生误差的主要来源之一．(2)采用伏安法测电阻时，电表的内阻会带来系统误差．(3)在测量长度、电流、电压过程中，测量工具读数时会带来偶然误差．(4)金属丝通电后发热升温，会使金属丝的电阻率变大，造成测量误差．热点4创新设计实验探究[例4]图中虚线框内存在一沿水平方向、且与纸面垂直的匀强磁场．现通过测量通电导线在磁场中所受的安培力，来测量磁场的磁感应强度大小，并判定其方向．所用部分器材已在图中给出，其中D为位于纸面内的U形金属框，其底边水平，两侧边竖直且等长；E为直流电源；R为电阻箱；为电流表；S为开关．此外还有细沙、天平、米尺和若干轻质导线．(1)在图中画线连接成实验电路图．(2)完成下列主要实验步骤中的填空：①按图接线．②保持开关S断开，在托盘内加入适量细沙，使D处于平衡状态；然后用天平称出细沙质量m1.③闭合开关S，调节R的值使电流大小适当，在托盘内重新加入适量细沙，使D________________；然后读出________，并用天平称出________．④用米尺测量____________________．(3)用测得的物理量和重力加速度g表示磁感应强度的大小，可以得出B＝________.(4)判定磁感应强度方向的方法是：若________，磁感应强度方向垂直纸面向外；反之，磁感应强度方向垂直纸面向里．[解析](1)根据实验目的和电磁天平的原理，将电源、开关、电阻箱、电流表及U形金属框串联起来，连接成电路图，如图所示．(2)设金属框质量为M，托盘质量为m0，第一次操作中未接通电源时由平衡条件得Mg＝(m0＋m1)g，第二次接通电源后，加入适量细沙(质量为m2)使D重新处于平衡状态，然后读出电流表的示数I，并测量出金属框底部的长度l.(3)若金属框受到的安培力竖直向下，由平衡条件有BIl＋Mg＝(m0＋m2)g，两式联立解得B＝m2－m1gIl；若金属框受到的安培力竖直向上，则B＝m1－m2gIl，综上可知B＝|m2－m1|Ilg.(4)若m2m1，则由左手定则可知磁感应强度方向垂直纸面向外，反之，磁感应强度方向垂直纸面向里．[答案](1)图见解析(2)③重新处于平衡状态电流表的示数I此时细沙的质量m2④D的底边长度l(3)|m2－m1|gIl(4)m2m1【借题发挥】(1)解决设计型实验问题的关键是确定实验原理，然后确定应当测量哪些物理量，如何安排实验步骤，如何处理数据等．电学设计型实验常用的方法有：①转换法：将不易测量的物理量转换成可以(或易于)测量的物理量进行测量，然后再反求待测物理量的量值，这种方法叫转换测量法(简称转换法)．如在测量金属电阻率的实验中，虽然无法直接测量电阻率，但通过测金属丝的长度和直径，并将金属丝接入电路测出其电阻，然后再计算出它的电阻率．②替代法：用一个标准的已知量替代被测量，通过调整标准量，使整个测量系统恢复到替代前的状态，则被测量等于标准量．③控制变量法：研究一个物理量与其他几个物理量的关系时，要使其中一个或几个物理量不变，分别研究这个物理量与其他各物理量的关系，然后再归纳总结．如探究电阻的决定因素实验．(2)在解决设计型实验时，要注意条件的充分利用，如对于给定确切阻值的电压表和电流表，电压表可当作电流表使用，电流表也可当作电压表使用，利用这一特点，可以拓展伏安法测电阻的方法，如伏伏法，安安法等.