高中物理电学实验讲义(精简版)

李老师物理教研室（高中部）直击十年高考真题，迅速提高考试成绩！高中物理电学实验讲义（精简版）前言：既然是讲电学实验，自然都离不开电表的使用，所以，我们打破教材、教辅常规顺序，从电表的内部结构和工作原理开始，由浅入深逐节讲解近些年高考试题中涉及的电学系列实验知识要点，并将实验结论、误差的产生和控制等复杂的逻辑推理过程尽量归纳为公式、模板或口诀的形式予以简化，并烂熟于心，以便同学们在答题时，提高解题效率，减少不必要的思考和推导过程。另外，在每一小节单元模块后都附有近十年全国高考实验真题索引，以便于同学们对照学习或自我检查测试。一、电表的改装1.电表的内部结构及工作原理我们在实验室中使用的电表，如：电流表（安培表）、电压表（伏特表）都是由量程较小的电流表（又称表头G）经过改装而来。表头G的内部结构主要由两块永久磁铁、金属线圈、螺旋弹簧、指针和表盘等构成。其工作原理是利用通电金属线圈在磁场中受到安培力的作用发生旋转而制成。2．表头G的三个参数之间的关系表头的三个参数是指表头线圈电阻Rg、满偏电流Ig和满偏电压Ug。三者的关系符合欧姆定律，即：Ig=Ug/Rg3.将小量程的表头G改装为大量程的电流表（安培表）若使扩大后的电流表量程为原来表头满偏电流的n倍（即：n=I/Ig），则必须给表头G并联．．一个小电阻R来分流多余的电流IR,如下图。李老师物理教研室（高中部）直击十年高考真题，迅速提高考试成绩！由并联电路的特点，知：Ig*Rg=（I-Ig）*R又n=I/Ig所以，解得：R=Rg/（n-1）…………………公式①（必须熟记）4.将小量程的表头G改装为大量程的电压表（伏特表）若使扩大后的电压表量程为原来表头满偏电压的n倍（即：n=U/Ug），则必须给表头G串联．．一个大电阻R来分担多余的电压UR,如图：由串联电路的特点，知：U=Ug+（Ug/Rg）*R又n=U/Ug所以，解得：R=（n-1）Rg…………………公式②（必须熟记）以上公式①、②很重要，也很好记。口诀：并小串大（必须熟记）（附：关于“电表改装”相关高考题，如：2019全国Ⅰ卷23题；2018全国Ⅱ卷22题；2016海南卷12题；2015全国Ⅰ卷23题；2013全国Ⅱ卷23题；2010北京卷21题）李老师物理教研室（高中部）直击十年高考真题，迅速提高考试成绩！5.将小量程的表头G改装为欧姆表欧姆表的内部结构是由小量程的电流表表头G、定值电阻R（起保护电路作用）、滑动变阻器R0，以及电池等构成。如图：（注：1、上图是欧姆表的电路图，图中省略了定值电阻R；2、与电流表和电压表最大的区别是：欧姆表内有电源和滑动变阻器。）根据约定俗成的规定，欧姆表外部的红表笔必须与内部电源的负极相连，黑表笔与内部电源正极相连。显然，当欧姆表的红、黑表笔没有外接电阻时，整个电路处于断路状态，电流为0，电阻为无穷大,欧姆表此时读数为∞，欧姆表的指针指在最左端；当红、黑表笔短接时，调节欧姆表的滑动变阻器R0（即欧姆表盘上的调零旋钮），使得指针满偏，即指在欧姆表的最右端0刻度线，表示此时外接电阻为0；若此时接入电阻RX，欧姆表指针恰好指在中间，即：指针半偏，说明此时的被测电阻RX与欧姆表内阻相同，此时的RX值称为欧姆表的中值电阻（知道中值电阻的大小很重要哦）。由于欧姆表的表盘上的刻度是由0到∞范围内变化，因而刻度的数值变化必定是不均匀的。越靠近左端，阻值越大，表盘上的刻度值跨度也越大；而在中值电阻附近，指针偏角与待测电阻RX的大小关系比较接近线性，表盘上的刻度数值变化也相对比较均匀，易于读数。因此，为尽量减少读数时的误差，每次测量电阻时，都应使得指针尽可能指在中值电阻附近，这就是欧姆表选档的原则。（说明：欧姆表的档位通常有四挡：×1K档，×100档,×10档,×1档）（注：关于欧姆表的改装高考题，如：2019全国Ⅲ卷23题）二、多用电表的使用右图是实验室常用的指针式多用电表，主要包括直流电流表、直流电压表、交流电压表和欧姆表。使用时应注意以下几点：李老师物理教研室（高中部）直击十年高考真题，迅速提高考试成绩！1、使用前要用螺丝刀（对准指针定位螺丝）进行机械调零（指针指在最左端0刻度线）；2、红表笔插入“+”插孔（其实和欧姆档的电池负极相连哦），黑表笔插入“-”插孔；3、量程选择：测电流或电压时，将选择开关调至适当的量程档位，使得指针偏角尽可能大一些，相对误差较小；4、测电阻时，若指针偏转角度较小，应更换高倍率的档位；反之，若偏角太大，接近满偏，就更换低倍率的档位；换挡的原则，是要使得测量时，指针尽可能指在中值附近。（注：但每次换挡后和测量前，都必须将两表笔短接，并旋转欧姆调零旋钮，进行一次欧姆调零。读数时，再乘以所在档位的数值。）5、测量结束后，选择开关应置于OFF档或交流电压的最高档；6、长期不用时，则应拔出红、黑表笔，取出表内电池。（注：关于多用电表使用高考题，如：2019全国Ⅲ卷23题；2017江苏卷11题；2015广东卷34题；2014天津卷9题；2013全国Ⅰ卷23题；2011广东卷34题；▲2011安徽卷21题）三、伏安法测电阻及滑动变阻器的两种接法安培表的内接法（简称：内接法）和安培表的外接法（简称：外接法），下图是两种接法电路图。内接法外接法误差分析：无论采用哪种接法测电阻，都不可避免地产生测量误差。比如：内接法，虽然电流表测得的是流过待测电阻的电流，但是电压表测得却是电阻和电流表的电压之和。也就是说电压偏大了，因而内接法测得的电阻也偏大了，而且，电阻阻值越小，李老师物理教研室（高中部）直击十年高考真题，迅速提高考试成绩！误差越大。同理，外接法中电流偏大了，因而外接法测得的电阻偏小了，而且，电阻阻值越大，误差越大。为了减少测量误差，当待测电阻的阻值较大时，应选择内接法，但测量值偏大（不可避免哦）；反之，选用外接法，外接法测量阻值偏小（不可避免哦）。口诀：大内小外，大内偏大，小外偏小那我们究竟如何知道待测电阻的阻值是大还是小呢？分以下两种情况来讨论：1、若：Rx，RA，RV大致已知，则先比较Rx2和RA*RV的大小。（1）Rx2RA*RV，说明Rx阻值较大，则采用用内接法（大内）；（2）Rx2RA*RV，说明Rx阻值较小，则采用用外接法（小外）；（3）Rx2=RA*RV，两种接法均可。2、若：Rx，RA，RV未知，可以采用“试触法”，进行观察或比较。（如图）试触发部分电路图（电源和开关未画出）如上图，先将电流表和待测电阻连接好，再将电压表的一端和待测电阻左端连接好，闭合电源开关，用另一端和电流表左侧a点和右侧b点分别试连，同时进行观察和记录如下：（1）观察：若发现电流表指针前后有明显偏转，说明电压表的分流作用不容忽略，待测电阻的阻值较大，采用内接法；反之，若电压表的指针偏转幅度较大，说明电流表的分压作用不可忽略，待测电阻的阻值较小，采用外接法。（2）定量比较：在观察法无法判别电流表或电压表偏转幅度大小时，采用定量比较。首先，分别计算△I和△U，然后再比较△I/I和△U/U大小。若前者大，说明电流表指针前后变化幅度大，采用内接法；反之说明电压表指针变化幅度大，采用外接法。（注：关于伏安法测电阻高考题，如：2017海南卷12题；2014全国Ⅱ卷22题;2014浙江卷22题；▲2013北京卷21题；▲2011安徽卷21题）李老师物理教研室（高中部）直击十年高考真题，迅速提高考试成绩！四、滑动变阻器的两种接法选择限流式分压式如上图，不同的接法，负载RL两端电压UL可调节的范围不同。（1）限流式：RL*U/（RL+R0）→U（2）分压式：0→U一般地，当滑动变阻器最大阻值较小时，选择分压式操作方便，电表指针灵敏（例如：2016全国Ⅱ卷23题）；如果负载电压需要从0开始变化，则必须采用分压式（例如：绘制小灯泡曲线实验中，滑动变阻器就必须要采用分压式接法）。口诀：小分大限（注：关于滑动变阻器接法高考题，如：2016全国Ⅱ卷23题2015全国Ⅱ卷23题）五、伏安法测小灯泡电阻，并描绘小灯泡的伏安特性曲线下图是伏安法测小灯泡电阻的标准实验电路图。注意：1.由于小灯泡的灯丝电阻较小，为减少误差，必须采用外接法；2.本实验要求描绘小灯泡I-U图线，实验数据是必须包括0在内的多组电流、电压值，因此，滑动变阻器必须采用分压式；3.列表记录多组实验数值，建立平面直角坐标系，描绘小灯泡I-U曲线。RLR0Sabεr0PRLR0Sabεr0P李老师物理教研室（高中部）直击十年高考真题，迅速提高考试成绩！下图是通过描点作图法绘制的小灯泡I-U图线。由于小灯泡的灯丝通电后，温度升高，且随着电流强度增大，温度越来越高，灯丝电阻也逐渐增大，所以其I-U曲线是一条经过0点逐渐向右趋于平缓的曲线。注意，该曲线上任意一点和原点的连线的斜率表示该点电阻的倒数，斜率越小，电阻越大。（注：关于绘制小灯泡伏安特性曲线高考题，如：2016天津卷9题；2015浙江卷22题；2015福建卷19题；2012安徽卷21题；2011广东卷34题;2010浙江卷21题）六、半偏法测电表内阻（本节内容全国高考Ⅱ卷连续考察了3年！其实一点也不难哦）1、半偏法测电流表内阻方法一：电阻箱与安培表并联，再利用滑动变阻器限流式接入电路；（一）实验步骤：1、闭合开关前，将R、R’的阻值调到最大；2、先闭合S1，断开S2，调节滑动变阻器R’的滑片，使得电流表指针满偏；3、保持滑动变阻器R’滑片位置不变，再闭合S2，调节电阻箱R，使得电流表指针半偏；李老师物理教研室（高中部）直击十年高考真题，迅速提高考试成绩！4、读数：此时电阻箱R的值即为电流表的内阻。（二）误差分析：在以上第3步闭合S2后，由于并联接入R后,使得电路的总电阻变小，干路总电流变大；当电流表的指针半偏时，即此时流过电流表的电流是满偏电流的一半，则流过电阻箱的电流必然大于此时流过电流表的电流（即满偏电流的一半），因此电阻箱的电阻也一定小于电流表的内阻。所以:R测R真方法二：电阻箱与安培表串联，再采用滑动变阻器的分压式接入电路（一）实验步骤：1、闭合开关前，将电阻箱R的阻值调到最大，滑动变阻器R’的滑片滑至最左端；2、闭合S，向右调节滑动变阻器R’的滑片至某一位置，调节电阻箱R的阻值为R1，使得电流表指针满偏I0；3、保持滑动变阻器滑片位置不变，再调节电阻箱R，使得电流表指针半偏I0/2，记录此时电阻箱的阻值为R2；4、列式计算：I0（RA+R1）=I0（RA+R2）/2则有：RA测=R2-2R1（二）误差分析：在以上第3步中，当流过电流表的电流为I0/2时，是通过增大电阻箱R的阻值实现的，所以此时加在R和电流表上的电压和必然大于先前加在R和电流表上的电压和，即：I0（RA+R1）I0（RA+R2）/2解得：RA真R2-2R1（=RA测）所以，RA测RA真2、半偏法测电压表内阻方法一：电阻箱直接与伏特表串联后，接入电路；李老师物理教研室（高中部）直击十年高考真题，迅速提高考试成绩！（一）实验步骤：1、闭合开关，调节电阻箱R，使得电压表满偏为U0，记下电阻箱阻值R1；2、再调节电阻箱R，使得电压表指针半偏为U0/2，记下电阻箱阻值R2；3、列式计算，假定路端电压不变，则有：U0+U0R1/RV=U0/2+U0R2/（2RV）解得：RV测=R2-2R1（二）误差分析：根据闭合电路欧姆定律，实际上，当外电路电阻变化时，路端电压也会发生变化，即有：U0+U0（R1+r）/RV=U0/2+U0（R2+r）/（2RV）解得：RV真=（R2-2R1）-r可见：RV测RV真方法二：电阻箱与与伏特表串联后，再采用滑动变阻器的分压式接入电路（一）实验步骤：1、闭合开关S之前，将电阻箱R调至0，滑动变阻器滑片移至最左端；2、再闭合开关S，调节滑动变阻器的滑片，使得电压表满偏为U0；3、保持滑动变阻器的滑片位置不变，再调节电阻箱，使得电压表半偏为U0/2；4、读数：RV测=R（二）误差分析：在以上第3步中，由于电阻箱R增大的同时，虽然电压表半偏为U0/2，但是电阻箱两端的电压却大于U0/2，也即电阻箱此时的电阻R