高中物理教科版选修3-1学案 电学实验基础 Word版含答案

电学实验基础
1．电流表、电压表的使用和读数
(1)用电流表测电流时，要把电流表__串__联在被测电路中，让电流从__＋__接线柱流进电流表．从__－__接线柱流出来．
读数：0～3 A量程按____估读.0～0.6 A量程，按估读，超过半小格的按半小格读，不足半小格的舍去．都只读到__百分__位．
(2)用电压表测电压时，要把电压表__并__联在被测电路两端．让“＋”接线柱接在电势较__高__的一端．“－”接线柱接在电势较__低__的一端．
读数：0～3 V量程，按估读(估读为小格的整数倍)，只读到百分位.0～15 V，按估读(的1倍、2倍、3倍、4倍)，只读到十分位．
2．电学实验器材的选用
(1)选用器材的原则是：安全、精确、方便
①选用电源、电流表、电压表时，要根据实验的要求，根据器材的参数，考虑所测电流，电压的最大值不能超出仪表的量程，以确保不损坏仪器．
在实验电路中测量电流、电压时，电流表、电压表指针的偏角不能过小，以减小误差．电流表、电压表的读数为满刻度的以上时，读数较准确，能接近满刻度更好．
②选用滑动变阻器时，先要确保电路中电流不超过变阻器允许通过的最大电流．若用“限流式”一般选阻值适当大一点的，但不是越大越好．因阻值太大时，在实验中，可能只用到其阻值较小的一部分，滑动触头只能在很短的距离内移动，使用起来很不方便．一般是选变阻器总阻值与用电器的阻值比较接近的．
若用“分压式”，应选择总阻值适当小一些的滑动变阻器，这样可使分出的电压大致上随滑动触头移动距离成正比例改变，调节起来比较方便．
(2)选用器材的一般步骤：
①先找出实验中必须应用的器材；
②画出实验电路图；
③估算待测电路中I和U的最大值；
④考虑能否使电表指针偏转满刻度的以上；
⑤选择合适量程的电压表、电流表，合适的滑动变阻器和电源．
3．滑动变阻器的限流接法与分压接法
(1)滑动变阻器示意图
(2)滑动变阻器的使用
①作限流用时，把滑动变阻器串联在被限电流的电路中，可以接同一端的两个接线柱__A、C__或__B、D__，也可以接对角线上的两接线柱__A、D__或__B、C__，开始时，应使接入的电阻__最大__．
②作分压用时，先把电阻丝串上开关，接到电源两极上，再在电阻丝的一端与滑键之间接上用电器．如下图所示．开始时，应使用电器上的电压为__0__．
(3)两种接法的比较
限流接法
分压接法
对比说明
两种接法电路图
串、并联关系不同
负载R0上电压调节范围
～E
(内阻不计)
0～E
(内阻不计)
分压接法调节范围较大
负载R0上电流调节范围
～
(内阻不计)
0～
(内阻不计)
分压接法调节范围较大
4.电流表的内接与外接
(1)电流表的内接法和外接法的比较
内接法
外接法
电路图
误差原因
电流表分压
U测＝Ux＋UA
电压表分流
I测＝Ix＋IV
电阻测量值
R测＝＝Rx＋RA>Rx
测量值大于真实值
R测＝＝测量值小于真实值
适用条件
RA(Rx
RV(Rx
适用于测量
大阻值的电阻
小阻值的电阻
(2)两种电路的选择方法
①阻值比较法：先将待测电阻的估计值与电压表、电流表的内阻进行比较，若Rx远小于RV，宜采用电流表外接法；若Rx远大于RA，宜采用电流表内接法．
②临界值计算法：
Rx＜时，用电流表外接法．
Rx＞时，用电流表内接法．
③实验试探法：按右图接好电路，让电压表接线柱P先后与a、b处接触一下，如果电压表的示数有较大的变化，而电流表的示数变化不大，则可采用电流表外接法；如果电流表的示数有较大的变化，而电压表的示数变化不大，则可采用电流表内接法．
(　　【p137】
考点突破　　
例1图甲所示的电流表使用0.6 A量程时，对应刻度盘上每一小格代表________A，图中指针示数是________A；当使用3 A量程时，对应刻度盘中每一小格代表________A，图中指针示数为________A．如图乙所示的电表使用较小量程时，每小格表示________V，图中指针的示数为________V．若使用的是较大量程，则这时表盘刻度每小格表示________V，图中表针指示的是________V.
【解析】电流表使用0.6 A量程时，刻度盘上的每一小格为0.02 A，指针的示数为0.44 A；当换用3 A量程时，每一小格为0.1 A，指针示数为2.20 A．电压表使用3 V量程时，每小格表示0.1 V，指针示数为1.70 V；使用15 V量程时，每小格为0.5 V，指针示数为8.5 V.
【答案】0.02　0.44　0.1　2.20　0.1　1.70　0.5　8.5
【小结】先看清是什么表，再看接入电路的量程，每小格表示多少，最后读数．
针对训练　
1．分别读出下表中的电压表和电流表的示数，并填在表格中.
电表
所选量程
测量值
0～3 V
__1.90(1.89～
1．91均可)__V__
0～15 V
__9.5__V__
0～3 A
__0.80(0.79～
0．81均可)A__
0～0.6 A
__0.16__A__
【解析】0～3 V的最小分度为0.1 V，读数为1.90 V；
0～15 V的最小分度为0.5 V，读数为9.5 V；
0～3 A的最小分度为0.1 A，读数为0.80 A；
0～0.6 A的最小分度为0.02 A，读数为0.16 A.
(　　
考点突破　　
例2在伏安法测电阻的实验中，待测电阻Rx约为200 Ω，电压表○,V)的内阻约为2 kΩ，电流表○,A)的内阻约为10 Ω，测量电路中电流表的连接方式如图(a)或(b)所示，结果由公式Rx＝计算得出，式中U与I分别为电压表和电流表的示数．若将图(a)和(b)中电路测得的电阻值分别记为Rx1和Rx2，则______(填“Rx1”或“Rx2”)更接近待测电阻的真实值，且测量值Rx1________(填“大于”“等于”或“小于”)真实值，测量值Rx2________(填“大于”“等于”或“小于”)真实值．
【解析】由于＝＝10，而＝＝20，可见>，应采用题图(a)电路测量更准确，即Rx1更接近待测电阻的真实值；由于Rx1＝，其中R真＝，而U>UR，I＝IR，则Rx1>R真，即测量值Rx1大于真实值；又由于Rx2＝，R真＝，其中U＝UR，I>IR，则Rx2【答案】Rx1　大于　小于
例3为了测量一电阻的阻值Rx，现有以下器材：蓄电池E，电流表A，电压表V，滑动变阻器R，电阻箱RP，开关S1、S2，导线若干．某活动小组设计了如图甲所示的电路．实验的主要步骤如下：
A．闭合S1，断开S2，调节R和RP，使电流表和电压表示数合适，记下两表示数分别为I1、U1；
B．闭合S2，保持RP阻值不变，记下电流表和电压表示数分别为I2、U2.
(1)按电路图在实物图乙上连线．
(2)写出被测电阻的表达式Rx＝____________(用两电表的读数表示)．
(3)由于电流表、电压表都不是理想电表，则被测电阻的测量值____________(选填“大于”“小于”或“等于”)真实值．
【解析】(1)实物连线如图所示．
(2)由欧姆定律，第一次测量的电阻为电压表和RP的并联电阻，即＝R并；第二次测量的电阻为电压表、Rx和RP的并联电阻，＝，联立解得Rx＝.
(3)由于电流表、电压表内阻不影响被测电阻的测量，故其测量值等于真实值．
【答案】(1)见解析　(2)　(3)等于
【小结】实物图连接的注意事项
(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)连线时要将导线接在接线柱上，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．
针对训练　
2．现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过60 ℃时，系统报警．提供的器材有：热敏电阻，报警器(内阻很小，流过的电流超过Ic时就会报警)，电阻箱(最大阻值为999.9 Ω)，直流电源(输出电压为U，内阻不计)，滑动变阻器R1(最大阻值为1000 Ω)，滑动变阻器R2(最大阻值为2000 Ω)，单刀双掷开关一个，导线若干．
在室温下对系统进行调节，已知U约为18 V，Ic约为10 mA；流过报警器的电流超过20 mA时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，在60 ℃时阻值为650.0 Ω.
(1)完成待调节的报警系统电路图的连线．
__连线如图所示__
(2)电路中应选用滑动变阻器__R2__(填“R1”或“R2”)．
(3)按照下列步骤调节此报警系统：
①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为__650.0__ Ω；滑动变阻器的滑片应置于__b__(填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是__接通电源后，流过报警器的电流会超过20__mA，报警器可能损坏__．
②将开关向__c__(填“c”或“d”)端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至__报警器开始报警__．
(4)保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用．
【解析】(2)在室温下对系统进行调节，已知U约为18 V，Ic约为10 mA；流过报警器的电流超过20 mA时，报警器可能损坏，可知外电阻的取值范围是 Ω＝900 Ω≤R≤ Ω＝1800 Ω.
60 ℃时热敏电阻的阻值是650.0 Ω，所以滑动变阻器阻值的取值范围在250 Ω到1150 Ω之间，所以滑动变阻器应该选R2.
(3)电阻箱代替报警器工作时的热敏电阻，阻值应为650.0 Ω，滑动变阻器刚开始应置于b端，若置于另一端，接通电源后，流过报警器的电流会超过20 mA，报警器可能损坏；实验调试时，将开关置于c端，缓慢调节滑动变阻器，直至报警器开始报警．
3．某同学改装和校准电压表的电路图如图所示，图中虚线框内是电压表的改装电路．
(1)已知表头G满偏电流为100 μA，表头上标记的内阻值为900 Ω.R1、R2和R3是定值电阻．利用R1和表头构成1 mA的电流表，然后再将其改装为两个量程的电压表．若使用a、b两个接线柱，电压表的量程为1 V；若使用a、c两个接线柱，电压表的量程为3 V．则根据题给条件，定值电阻的阻值应是R1＝__100__ Ω，R2＝__910__ Ω，R3＝__2__000__ Ω.
(2)用量程为3 V，内阻为2 500 Ω的标准电压表○,V)对改装表3 V挡的不同刻度进行校准．所用电池的电动势E为5 V；滑动变阻器R有两种规格，最大阻值分别为50 Ω和5 kΩ.为方便实验中调节电压，图中R应选用最大阻值为__50__ Ω的滑动变阻器．
(3)校准时，在闭合开关S前，滑动变阻器的滑动端P应靠近__M__(填“M”或“N”)端．
(4)若由于表头G上标记的内阻值不准，造成改装后电压表的读数比标准电压表的读数偏小，则表头G内阻的真实值__大于__(填“大于”或“小于”)900 Ω.
【解析】(1)根据题意，R1与表头G构成1 mA的电流表，则IgRg＝(I－Ig)R1，整理可得，R1＝＝ Ω＝100 Ω；若使用a、b两个接线柱，电压表的量程为1 V，则R2＝＝ Ω＝910 Ω；若使用a、c两个接线柱，电压表的量程为3 V，则R3＝＝ Ω＝2 000 Ω.
(2)电压表与之并联之后，电阻小于2 500 Ω，对于分压式电路，要求滑动变阻器的最大阻值远小于并联部分，同时还有便于调节，故滑动变阻器选择小电阻，即选择50 Ω的电阻．
(3)在闭合开关S前，滑动变阻器的滑动端P应靠近M端，这样使分压电路输出的电压为零，起到一种保护作用．
(4)造成改装后电压表的读数比标准电压表的读数偏小，说明通过表头G的电流偏小，则其实际电阻偏大，故其实际阻值大于900 Ω.
考 点 集 训　【p314】
1．在用伏安法测电阻的实验中，所用电压表的内阻约为20 kΩ，电流表的内阻约为10 Ω，选择能够尽量减小误差的电路图接线进行实验，读得的各组数据用实心圆点标于坐标图上，如图所示．
(1)根据各点表示的数据描出I－U图线，由此求得该电阻的阻值Rx＝__2.4×103__Ω(2.3×103～2.5×103__Ω)__．(保留两位有效数字)
(2)在虚线框内画出“伏安法”测量该电阻的部分电路图．
__见解析图__
【解析】(1)图线如图所示
Rx＝＝2.4×103 Ω(2.3×103～2.5×103 Ω)
(2)因满足＞，故采用电流表内接法．
2．有一个电阻Rx，其阻值大约是10 Ω，请选择适当的器材，以便测量其阻值．可供选择的电路如图．可供选择的器材是：
A．电动势4.5 V、内阻不计的电源E
B．量程为0～15 V、内阻10 kΩ的电压表V1
C．量程为0～3 V、内阻6 kΩ的电压表V2
D．量程为0～300 mA、内阻4 Ω的电流表A1
E．量程为0～5 A、内阻2 Ω的电流表A2
F．最大阻值20 Ω、额定电流1.5 A的滑动变阻器R1
G．最大阻值500 Ω、额定电流0.5 A的滑动变阻器R2
H．开关和若干根导线．
则选用的电路是__甲__(填“甲”或“乙”)，选用的器材是__A、C、D、F、H__(填器材的字母代号)．
【解析】甲、乙两种接法都可以，但限流法较节能，因而采用限流接法，故选用甲电路；电源电动势E＝4.5 V，E＝Im(Rx＋RA)，Im＝ A＝0.321 A＝321 mA或Im＝ A＝0.375 A＝375 mA，电流表选D.U＝ImRx＝0.321×10 V＝3.21 V，因而电压表选C，变阻器R2最大值为500 Ω，与Rx偏差太大，因此变阻器选F.
3．如图甲所示为某次测量时电压表的刻度盘的情形，若当时使用的是该表的0～3 V量程，那么电压表读数为__1.15(1.14～1.16均可)__V，若当时使用的是该表的0～15 V量程，那么电压表读数应为__5.7(5.6～5.8均可)__V；如图乙所示的电阻箱的读数为__84__580.2__ Ω.
【解析】0～3 V量程最小刻度是0.1 V，要向下估读一位，读1.15 V(由于最后一位是估读的，有偶然误差，读成1.14～1.16 V都算正确).0～15 V量程最小刻度为0.5 V，只要求读到0.1 V这一位，所以读5.7 V(5.6～5.8 V都算正确)．图乙中的电阻箱有6个旋钮，每个旋钮上方都标有倍率，将每个旋钮上指针所指的数值(都为整数)乘以各自的倍率，从最高位依次往下读，即可得到电阻箱的读数为84 580.2 Ω.
4．某实验小组要精确测定一个额定电压为3 V的LED灯正常工作时的电阻，已知该灯正常工作时电阻大约为300 Ω，电学符号与小灯泡电学符号相同．
实验室提供的器材有：
A．电流表A1(量程为0～15 mA，内阻RA1约为10 Ω)
B．电流表A2(量程为0～2 mA，内阻RA2＝20 Ω)
C．定值电阻R1＝10 Ω
D．定值电阻R2＝1 980 Ω
E．滑动变阻器R(0～20 Ω)一个
F．电压表V(量程为0～15 V，内阻RV约为3 kΩ)
G．蓄电池E(电动势为4 V，内阻很小)
H．开关S一个
(1)要完成实验，除蓄电池、开关、滑动变阻器外，还需选择的器材有__ABD__(填写器材前的字母编号)．
(2)画出实验电路图．
如图所示

(3)写出测量LED灯正常工作时的电阻表达式Rx＝____，说明式中题目未给出的各物理量的意义：__I1、I2分别为电流表A1、A2的读数__．
【解析】(1)要精确测定额定电压为3 V的LED灯正常工作时的电阻，需测量LED灯两端的电压和通过LED灯的电流，由于电压表V的量程偏大，测量误差较大，不能用电压表V测量LED灯两端的电压，可以将电流表A2与定值电阻R2串联改装为电压表测量电压；LED灯正常工作时的电流在10 mA左右，可以用电流表A1和改装后的电压表测量通过LED灯的电流．
(2)因为滑动变阻器阻值远小于LED灯的电阻，所以滑动变阻器采用分压式接法．电路图如图所示．
(3)根据闭合电路欧姆定律知，LED灯两端的电压U＝I2(R2＋RA2)，通过LED灯的电流I＝I1－I2，所以LED灯正常工作时的电阻Rx＝＝.I1、I2分别为电流表A1、A2的读数．
5．旋钮式电阻箱如图所示，电流从接线柱A流入，从B流出，则接入电路的电阻为__1__987__ Ω.今欲将接入电路的电阻改为2 087 Ω，最简单的操作方法是__将“×1__k”旋钮调到2，再将“×100”旋钮调到0__．若用两个这样的电阻箱，则可得到的电阻值范围为__0～19__998__Ω__．
【解析】电阻为1 987 Ω，最简单的操作方法是先将“×1 k”旋钮调到2，再将“×100”旋钮调到0.每个电阻箱的最大阻值是9 999 Ω，用这样的两个电阻箱串联可得到的最大电阻是2×9 999 Ω＝19 998 Ω.故用两个这样的电阻箱，可得到的电阻值范围为0～19 998 Ω.
6．右图是测量阻值约几十欧的未知电阻Rx的原理图，图中R0是保护电阻(10 Ω)，R1是电阻箱(0～99.9 Ω)，R是滑动变阻器，A1和A2是电流表，E是电源(电动势10 V，内阻很小)．
在保证安全和满足要求的情况下，使测量范围尽可能大．实验具体步骤如下：
(ⅰ)连接好电路，将滑动变阻器R调到最大；
(ⅱ)闭合S，从最大值开始调节电阻箱R1，先调R1为适当值，再调节滑动变阻器R，使A1示数I1＝0.15 A，记下此时电阻箱的阻值R1和A2的示数I2；
(ⅲ)重复步骤(ⅱ)，再测量6组R1和I2值；
(ⅳ)将实验测得的7组数据在坐标纸上描点．
根据实验回答以下问题：
①现有四只供选用的电流表：
A．电流表(0～3 mA，内阻为2.0 Ω)
B．电流表(0～3 mA，内阻未知)
C．电流表(0～0.3 A，内阻为5.0 Ω)
D．电流表(0～0.3 A，内阻未知)
A1应选用__D__，A2应选用__C__.
②测得一组R1和I2值后，调整电阻箱R1，使其阻值变小，要使A1示数保持I1＝0.15 A，应让滑动变阻器R接入电路的阻值__变大__(选填“不变”“变大”或“变小”)．
③在坐标纸上画出R1与I2的关系图．
④根据以上实验得出Rx＝__31__Ω.
【解析】①该实验测Rx电阻的原理为并联电路两支路电压相等，即(Rx＋r2)I2＝(R0＋R1＋r1)I1，其中r1、r2分别为A1、A2两表的内阻．又因为Rx的阻值约几十欧，与R0＋R1在同一数量级，A1示数为I1＝0.15 A，表示电流表A1只能从C、D中选择，A2电流数量级与A1相同．由测量原理可知：(Rx＋r2)I2＝(R0＋R1＋r1)I1，因Rx未知，故r2阻值应已知，故A1选D，A2选C.
②因A1示数I1＝0.15 A不变，R1变小，(R0＋R1＋r1)I1变小，滑动变阻器所分电压变大，R应变大．
③该图线为一条直线，离线较远的一组数据为错误数据，应舍去，其他点应对称分布在直线两侧．
④由实验原理得：
(R0＋R1＋r1)I1＝(Rx＋r2)I2
其中R0＝10 Ω，r2＝5 Ω，I1＝0.15 A，从图线上选择两组R1、I2代入不同数值可解得Rx约为31 Ω.
或R1＝I2－(R0＋r1)，图线的斜率k＝，
∴Rx＝kI1－r2.
∴Rx＝(－5.0) Ω＝(35.7－5) Ω＝30.7 Ω≈31 Ω.
7．(1)在描绘小灯泡伏安特性曲线的实验中，为减小实验误差，方便调节，请在给定的四个电路图A、B、C、D和三个滑动变阻器E、F、G中选取适当的电路和器材，并将它们的编号填在横线上．应选取的电路是__C__，滑动变阻器应选取__E__．
E．总阻值15 Ω、最大允许电流2 A的滑动变阻器
F．总阻值200 Ω、最大允许电流2 A的滑动变阻器
G．总阻值1 000 Ω、最大允许电流1 A的滑动变阻器
(2)若将一节与实验(1)中相同的干电池串联后与该小灯泡组成闭合回路，a为该电池的U－I图线，b为小灯泡的U－I图线．则灯泡实际工作电压为__0.60～0.62__V__，实际功率为__0.70～0.75__W__．(保留两位有效数字)
【解析】(1)因为要多取几组U、I的数据，才能画出U－I图象，故用分压法；又因RV(R灯，故用电流表的外接法，故选C电路．滑动变阻器用作分压，为便于调节，故选E.
(2)两图线交点坐标为：U＝0.6 V，I＝1.2 A，故P＝IU＝0.72 W.