专题讲解：电学实验
一、难点形成的原因
1、对电流表、电压表的读数规则认识模糊，导致读数的有效数字错误
2、对滑动变阻器的限流、分压两种控制电路的原理把握不准，导致控制电路选用不当 3、对实验测量电路、电学仪器的选用原则把握不准，导致电路、仪器选用错误 4、对电学实验的重点内容“电阻的测量”方法无明确的归类，导致思路混乱
5、对于创新型实验设计平时缺乏对实验思想方法（如模拟法，转换法，放大法，比较法，替代法等）进行归纳，在全新的实验情景下，找不到实验设计的原理，无法设计合理可行的方案。受思维定势影响，缺乏对已掌握的实验原理，仪器的使用进行新情境下的迁移利用，缺乏创新意识。 二、难点突破
1、电流表、电压表的读数规则：电流表量程一般有两种——0.1~0.6A，0~3A；电压表量程一般有两种——0~3V，0~15V。如图10-1所示：因为同一个电流表、电压表有不同的量程，因此，对应不同的量程，每个小格所代表的电流、电压值不相同，所以电流表、电压表的读数比较复杂，测量值的有效数字位数比较容易出错。下面是不同表，不
同量程下的读数规则：电压表、电流表若用0~3V、0~3A量程，其最小刻度（精确度）分别为0.1V、0.1A，为10分度仪表读数，读数规则较为简单，只需在精确度后加一估读数即可。
2、滑动变阻器应用分析
滑动变阻器是电学实验中常用的仪器，近几年高考电学设计性实验命题对其应用多次直接或渗透考查.如何选择滑动变阻器的接法设计控制电路仍是历届考生应考的难点.
滑动变阻器的限流接法与分压接法的特点：如图10-2所示的两种电路中，滑动变阻器（最大阻值为R0）对负载RL的电压、电流强度都起控制调节作用，通常把图（a）电路称为限流接法，图（b）电路称为分压接法.
图10-2
负载RL上电压调节范围（忽略电源内阻） 负载RL上电流调节相同条件下电路消耗范围（忽略电源内阻） 的总功率
限流接法 RLRL?R0E≤UL≤E EEEIL RL?R0≤IL≤RL ER0≤IL≤L 分压电路调节范围较大 分压接法 0≤UL≤E E（IL+Iap） 比较
分压电路调节范围较大 限流电路能耗较小 RLE~ER?R0①限流法.如图（a）所示，待测电阻上电压调节范围为L.显然，当R0< 头的过程中，电流的变化范围很小，总电流几乎不变，UL也几乎不变，无法读取数据；当R0>>RL时，滑动触头在从b向a滑动的过程中，先是电流表、电压表的示数变化不大，后来在很小的电阻变化范围内，电流表、电压表的读数变化很快，也不方便读数，只有当RL与R0差不多大小时，才能对电流、电压有明显的调控作用.在同样能达到目的的前提下，限流法较为省电，电路连接也较为简单. ②分压法.如图（b）所示，待测电阻上电压调节范围为0～E，且R0相对于RL越小，R上的电压变化的线性就越好.当R0>>RL时，尽管UL变化范围仍是0～E，但数据几乎没有可记录性，因为在这种情况下，滑片从左端滑起，要一直快到右端时，电压表上示数一直几乎为零，然后突然上升到E，对测量几乎没有用处.因此，分压接法要用全阻值较小的滑动变阻器。 滑动变阻器的限流接法与分压接法：两种电路均可调节负载电阻电压和电流的大小，但在不同条件下，调节效果大不一样，滑动变阻器以何种接法接入电路，应遵循安全性、精确性、节能性、方便性原则综合考虑，灵活选取. ? 1.下列三种情况必须选用分压式接法 （1）要求回路中某部分电路电流或电压实现从零开始可连续调节时（如：测定导体的伏安特性、校对改装后的电表等电路），即大范围内测量时，必须采用分压接法. （2）当用电器的电阻RL远大于滑动变阻器的最大值R0时，必须采用分压接法.因为按图（b）连接时，因RL>>R0＞Rap,所以RL与Rap的并联值R并≈Rap，而整个电路的总阻值约为R0，那么RL两端电压UL=IR UR并=0·Rap，显然UL∝Rap,且Rap越小，这种线性关系越好，电表的变化越平稳均匀，越便于观察和操 作. （3）若采用限流接法，电路中实际电压（或电流）的最小值仍超过RL的额定值时，只能采用分压接法. ? 2.下列情况可选用限流式接法 （1）测量时对电路中的电流或电压没有要求从零开始连续调节，只是小范围内测量，且RL与R0相差不大或RL略小于R0，采用限流式接法. （2）电源的放电电流或滑动变阻器的额定电流太小，不能满足分压式接法的要求时，采用限流式接法. （3）没有很高的要求，仅从安全性和精确性角度分析两者均可采用时，可考虑安装简便和节能因素优先采用限流式接法. 3、实验电路和电学仪器的选择 （1）电路的选择 ①安培表内、外接电路的选择 由于电压表的分流作用和电流表的分压作用，造成表的示数与通过负载的电压或电流真实值之间产生误差，为减小此系统误差，应慎重选择电流表的内外接法，选择方法如下： 1、直接比较法： 当待测电阻阻值Rx< 当待测电阻阻值与电压表、电流表的阻值相差不多时，如何确定被测电阻R是较大还是较小呢？我们要计 RRVR算两种接法的相对误差，可用R与A相比较. RVR?RRA即R?RVRA时，宜采用电流表外接法； 当 RVR?RRA即R?RVRA时，宜采用电流表内接法； 当 而 R?RVRA时，电流表内外接法效果是一样的.此时的被测电阻值R我们称为临界电阻。 3、测试判断法（试触法） 若Rx、RA、RV的大小关系事先没有给定，可借助试触法确定内、外接法.具体做法是: 如图10-6所示组成电路，其中电流表事先已经接好，拿电压表的一个接线柱去分别试触M、N两点，观察先后两次试触时两电表的示数变化情况。 ?I?U?U)，说明接M点时电压表分流作用引起的误差如果电流表的示数变化比电压表示数变化明显(即I大于接N点时电流表分压作用引起的误差，这时应采用内接法(即电压表接N点)。 ?I?U?IU)，说明接N点时电流表分压作用引起的误差如果电压表的示数变化比电流表示数变化明显(即 大于接M点时电压表分流作用引起的误差，这时应采用外接法(即电压表接M点). 图10-6 （口决：“内大外小”，即内接法适合测大电阻且系统误差偏大，即测量值大于真实值，外接法适合测小电阻且系统误差偏小，即测量值小于真实值，） ②控制电路（即滑动变阻器的接法）的选择，见难点2 （2）电路实验器材和量程的选择，应考虑以下几点： ①电路工作的安全性，即不会出现电表和其它实验器材因过载毁坏现象。 ②能否满足实验要求（常常要考虑便于多次测量求平均值）。 ③选择器材的一般思路是：首先确定实验条件，然后按电源—电压表—电流表—变阻器顺序依次选择。根据不使电表受损和尽量减少误差的原则选择电表.首先保证流过电流表的电流和加在电压表上的电压均不 2超过使用量程，然后合理选择量程，务必使指针有较大偏转（一般取满偏度的3左右），以减少测读误差. 根据电路中可能出现的电流或电压范围需选择滑动变阻器，注意流过滑动变阻器的电流不超过它的额定值，对大阻值的变阻器，如果是滑动头稍有移动，使电流、电压有很大变化的，不宜采用.应根据实验的基本要求来选择仪器，对于这种情况，只有熟悉实验原理，才能作出恰当的选择.总之，最优选择的原则是： 方法误差尽可能小. b、实现较大范围的灵敏调节. c、在大功率装置（电路）中尽可能节省能量；在小功率电路里，在不超过用电器额定值的前提下，适当提高电流、电压值，以提高测试的准确度. 根据以上原则，电学仪器的选择有如下建议： 1、电源的选择：选择直流电源，应根据用电器的需要来确定，一般考虑用电器所需的电压、电路中的电流、电源电动势和允许电流等.在不超过待测器材所允许的最大电压值的情况下，选择电动势较大的电源（以获得更多的测量数据）。在相同电动势情况下，通常选择内电阻较小的电源（以获得较稳定的路端电压）,测电源内阻除外。 2、电表的选择：在不超过电表量程的条件下，选择量程较小的电表（以便测量时示数能在满刻度的2/3左右）。 3、滑动变阻器的选择:要由电路中所要求或可能出现的电流、电压的范围来选定变阻器，实际流过变阻器的电流不得超过其额定值；如要通过变阻器的电阻改变来读取不同的电流、电压值时，要注意避免变阻器滑片稍有移动电流或电压就会有很大变化的出现，也要避免出现滑片从一头滑到另一头，电流或电压几乎没有变化的情况. 若控制电路确定为限流接法,则滑动变阻器应选用与实验电路中其它电阻的总阻值相差不大的;若控制电路 三、关于电路实物连线的几个易错点： 1、电键必须控制全电路 2、电表的量程和正负极 3、滑动变阻器的“两端限流、三端分压”接法，且要求在闭合电键前，必须保证限流接法中滑动变阻器以最大电阻接入电路，分压接法中滑动变阻器输出电压端电压为零。 4、注意检查安培表的内外接法是否正确 5、导线不能接在滑动变阻器的支架或滑动头上，不能穿越用电器，不能有交叉线. 提高练习 2.某同学通过查找资料自己动手制作了一个电池。该同学想测量一下这个电池的电动势E 和内电阻r，但是从实验室只借到一个开关、一个电阻箱（最大阻值为9.999?，科当标准电阻用） 一只电流表（量程 IR=0.6A,内阻rg?0.1?）和若干导线 ①请根据测定电动势E内电阻r的要求，设计图4中器件的连接方式，画线把它们连接起来。 ②接通开关，逐次改变电阻箱的阻值R，读处与R对应的电流表的示数I,并作记录当电阻箱的阻值 1R?2.6?时，其对应的电流表的示数如图5所示。处理实验数据时首先计算出每个电流值I 的倒数; I11再制作R-坐标图，如图6所示，图中已标注出了（R,）的几个与测量对应的坐标点，请你将与图5 II实验数据对应的坐标点也标注在图6中上。 ③在图6上把描绘出的坐标点练成图线 ④根据图6描绘出的图线可得出这个电池的电动势E= V,内电阻r? ?。） 1. 图示为简单欧姆表原理示意图，其中电流表的偏电流IR=300?A,内阻Rg=100 ?，可变电阻R的最大 阻值为10 k?，电池的电动势E=1.5 V,内阻r=0.5 ?，图中与接线柱A相连的表笔颜色应是 色，接正确使用方法测量电阻Rx的阻值时，指针指在刻度盘的正中央，则Rx= k?.若该欧姆表使用一段时间后，电池电动势变小，内阻变大，但此表仍能调零，按正确使用方法再测上述Rx其测量结果与原结果相比较 （填“变大”、“变小”或“不变”）。 5. 在“测定金属导体的电阻率”的实验中，待测金属导线的电阻Rx 约为5A．电压表V1(量程3V，内阻约为15KB．电压表V2 (量程15V，内阻约为75KC．电流表A1(量程3A，内阻约为0.2 ) ) ) ) ．实验室备有下列实验器材 D．电流表A2(量程600mA．，内阻约为1E．变阻器R1 (0～100F．变阻器R2 (0~2000 ，0.3A) ，0.1 A) ) G．电池E(电动势为3V，内阻约为0.3H．开关S，导线若干 (1)为提高实验精确度，减小实验误差，应选用的实验器材有 。 (2)为减小实验误差，应选用下图中 (填“a”或“b”)为该实验的电原理图，并按所洗择的电原理图把实物图用导线连接起来． (3)若用刻度尺测得金属丝长度为60.00cm，用螺旋测微器测得导线的直径为0.635mm，两电表的示数分别如下图所示，则电阻值为 ，电阻率为 ___________。 6. 小灯泡灯丝的电阻会随温度的升高而变大。某同学为研究这一现象，用实验描绘小灯泡的伏安特性曲线。 实验可供选择的器材有： D．滑动变阻器 (0～10Ω, 额定电流1A ) E．滑动变阻器 (0～5Ω, 额定电流0.5A ) F．电源 (E=3V , 内阻不计) G．定值定阻R0 (阻值R0=6Ω ) H．开关一个和导线若干 （1）要求小灯泡两端的电压从零开始变化，且能尽量消除系统误差，在方框内画出实验电路图。 （2）实验中，应该选用的滑动变阻器是 (填写器材前字母代号)。 （3）按照正确的电路图，该同学测得实验数据如下：（I是 的示数，U是 的示数，U灯是小灯泡两 端的实际电压）。请通过计算补全表格中的空格，然后在方格图中画出小灯泡的伏安特性曲线。 9. 用伏安法测电阻时，由于电压表、电流表内阻的影响，不论使用电流表内接法还是电流表外接法，都会产生系统误差。为了消除系统误差，某研究性学习小组设计了如图所示的测量电路。 ①请完成下列操作过程： 第一步：先将R2的滑动头调到最左端，单刀双掷开关S2合向a，然后闭合电键S1，调节滑动变阻器R1和R2，使电压表和电流表的示数尽量大些（不超过量程），读出此时电压表和电流表的示数U1、I1。 第二步：保持两滑动变阻器的滑动触头位置不变， 。 ②根据以上记录数据写出被测电阻③根据实验原理图连接好实物图 15. 某实验小组探究一种热敏电阻的温度特性．现在器材：直流恒流电源（在正常工作状态下输出的电流．．恒定）、电压表，待测热敏电阻、保温容器、温度计、开关和导线等． ．． ⑴（2分）若用上述器材测量热敏电阻的阻的随温度变化的特性，请你在下图的实物图上连线。 的表达式 = 。 ⑵（2分）实验的主要步骤： ①正确连接电路，在保温容器中注入适量冷水，接通电源，调节并记录电源输出的电流值； ②在保温容器中添加少量热水，待温度稳定后，闭合开关， ， ，断开开关； ③重复第②步操作若干次，测得多组数据． ⑶（2分）实验小组算得该热敏电阻在不同温度下的阻值，并据此绘得上图的R－t关系图线，请根据图线写出该热敏电阻的R－t关系式：R＝ ＋ t（Ω）（保留3位有效数字）
高中物理 - 电学实验知识点分析
