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1、,高中物理电学实验,【知识梳理】 一、描绘小灯泡的伏安特性曲线 1、实验原理 在纯电阻电路中，电阻两端的电压与通过电阻的电流是线性关系，但在实际电路中，由于各种因素的影响， UI 图像不再是一条直线。读出若干组小灯泡的电压U 和电流 I，然后在坐标纸上以 U 为纵轴，以 I 为横 轴画出 UI 曲线。 2、实验步骤 、适当选择电流表，电压表的量程，采用电流表的外接法，按图中所示的原理电 路图连接好实验电路图。 、滑动变阻器采用分压接法，把滑动变阻器的滑动片调至滑动变阻器的 A 端，电 路经检查无误后，闭合电键S。 、改变滑动变阻器滑动片的位置，读出几组相应的电流表、电压表的示数 I 和 U，
2、记入记录表格内，断开电键S； 、在坐标纸上建立一个直角坐标系，纵轴表示电流 I，横轴表示电压 U，用平滑曲线将各点连接起来 ，便得到伏安特性曲线。 、拆去实验线路，整理好实验器材。 3、注意事项 、因本实验要作出 IU 图线，要求测出一组包括零在内的电压、电流值，因此，变阻器要采用分 压接法； 、本实验中，因被测小灯泡电阻较小，因此实验电路必须采用电流表外接法； 、电键闭合后，调节变阻器滑片的位置，使小灯泡的电压逐渐增大，可在电压表读数每增加一个定值 （如 0.5V）时，读取一次电流值；调节滑片时应注意使电压表的示数不要超过小灯泡的额定电压； 、电键闭合前变阻器滑片移到图中的 A 端； 、坐标
3、纸上建立坐标系，横坐标所取的分度例应该适当，尽量使测量数据画出的图线占满坐标纸。 连线一定用平滑的曲线，不能画成折线。 4、误差分析 、测量电路存在系统误差，未考虑电压表的分流，造成测得的 I 值比真实值偏大； 、描绘 IU 线时作图不准确造成的偶然误差。 5、知识延伸,电流表的解法：,（1）内接法：如图所示，待测电阻的测量值 R测 ：,AR,IIII,R U 测 UA UR UA UR R R,测A,测,测,x 显然 R R,测,x测,x 所以 R R RA,当 Rx RA 时， Rx R测 ，系统的相对误差很小，可以忽略不计，所以内接 法适用于测量高阻值电阻。,（2）外接法：如图所示，待测
4、电阻的测量值 R测 ：,II IR R,R U 测 ,U测RV Rx,测,测VRVx,A,A,测, ,x,V,x,测,V,V,IV,IR,测 A,1,R,显然有：R测Rx 所以 Rx ,R R,RV R测,R测,1 测 RV,V测,xV,当 R R,x,V,R,R,时， 0 ，,x测,R R ，系统的相对误差忽略，,所以外接法适用于测量低阻值电阻。 （3）试触法选择内、外接法：具体方法是，在如图所示的电路中，改变电表的连接方式，拿电压表的一 个接线柱分别接触 M、N 两点，观察电压表和电流表的示数变化，如果电流表变化明显，说明电压表内阻 对电路影响较大，应采用内接法；如果电压表变化明显，说明电
5、流表内阻对电路影响较大，应采用外接法。 滑动变阻器的限流接法和分压接法：,滑动变阻器的两种电路连接都能控制调节负载的电流和电压，但在相同条件下调节效果不同，实际应用中 要根据具体情况恰当的选择限流接法和分压接法。 通常情况下（满足安全条件），由于限流电路能耗较小，电路结构简单，因此应优先考虑。 在下列情况下必须采用分压接法。 要使某部分电路的电压或电流从零开始连续调节，只有分压接法才能满足。 如果实验所提供的电表量程或其它元件允许通过的最大电流很小，若采用限流接法，无论怎样调节，电 路中实际电流（或电压）都会超过电表量程或元件允许的最大电流（或电压），为了保护电表或其它元件， 必须采用分压接法
6、。 伏安法测电阻实验中，当滑动变阻器的阻值远小于待测电阻时，若采用限流接法，待测电阻上的电流（或 电压）变化很小，不利于多次测量求平均值或用图像处理数据，也起不到保护用电器的作用，应选用分压 接法。 【例 1】某研究性学习小组为了制作一种传感器，需要选用一电器元件。图为该电器元件的伏安特性曲线， 有同学对其提出质疑，先需进一步验证该伏安特性曲线，实验室备有下列器材：,2,为提高实验结果的准确程度，电流表应选用 ；电压表应选用 ；滑动变阻器应选 用 。（ 以 上 均 填 器 材 代 号 ） 为达到上述目的，请在虚线框内画出正确的实验电路原理图，并标明所用器材的代号。 若发现实验测得的伏安特性曲线
7、与图中曲线基本吻合，请说明该伏安特性曲线与小电珠的伏安特性曲线 有何异同点？ 相 同 点 ： ， 不 同 点 ： 。 解析：图像中电流 00.14A，电流表选 A2；电源电压 6V，但图像只要求电压在 03V 之间调整，为了 测量准确电压表选 V1；由于绘制图像的需要，要求电压从 03V 之间调整，所以滑动变阻器只能采用分压 式接法，为了能很好调节电压，滑动变阻器应选用阻值较小的 R1。 RR 该元件约几十， V ，电压表的分流作用可以忽略，所以采用电流表外 RRA 接法；实验数据的采集要求从零开始，所以滑动变阻器采用分压式接法。 从图像的形状和斜率变化趋势上去找相同点和不同点，突出都是“非线
8、性”，图 像上某点与原点连线的斜率是电阻的倒数。 二、电压表和电流表 1、电流表原理和主要参数 电流表 G 是根据通电线圈在磁场中受磁力矩作用发生偏转的原理制成的，且指什偏角与电流强度 I 成正 比，即kI，故表的刻度是均匀的。电流表的主要参数有，表头内阻 Rg：即电流表线圈的电阻；满偏电 流 Ig：即电流表允许通过的最大电流值，此时指针达到满偏；满偏电压 U：即指针满偏时，加在表头两端 的电压，故 UgIgRg 2、半偏法测电流表内阻 Rg 方法：合上 S1，调整 R 的阻值，使电转到满流表指针刻度，再合上开关 S2，调整 R 的阻值（不可再改变R），使电流表指针偏转到正好是满刻度的一半，可
9、以认为Rg = R。 条件: 当 R 比R大很多 3、电压表的改装 原理：U g Ig Rg 很小，不能直接换刻度测电压，需要串联一个如图所示的 分压电阻。 分压电阻的计算：由串联电路的特点知：U Ig Rg Ig R,g,g,g g,g,I,则： R U R, I R, U 1 Rg, U, U 1 Rg,3,g,U,因为电压扩大表头量程的倍数： n U,g,所以 R n 1 R,注：相同的表头改装成的不量程的电压表串联，指针偏转角度相同。 4、电流表的改装 原理：I g 很小，不能直接换刻度测电流，需要并联一个如图所示的分流电阻。 分流电阻的计算：由并联电路的特点知 Ig Rg (I Ig
10、 )R 则：,I Ig,R Ig RgRg,I Ig,1,Rg,因为电流扩大表头量程的倍数： n I 所以 R Ig,n 1,注：相同表头改装成量程不同的电流表并联，指针偏转角度相同。 三、测量电源电动势和电阻 1. 实验原理 根据闭合电路的欧姆定律，其方法有： （1）如图甲所示，改变变阻器的阻值，从电流表、电压表中,读出几组 U 和 I 的值，由,可得,，,。 （2）为减小误差，至少测出六组 U 和 I 值，且变化范围要大 些，然后在 UI 图中描点作图，由图线纵截距和斜率找出 E，如图乙所示。 2. 实验步骤 恰当选择实验器材，照图连好实验仪器，使开关处于断开状态且滑动变阻器的滑动触头滑到
11、使接入 电阻值最大的一端。 闭合开关S，接通电路，记下此时电压表和电流表的示数。 将滑动变阻器的滑动触头由一端向另一端移动至某位置，记下此时电压表和电流表的示数。 继续移动滑动变阻器的滑动触头至其他几个不同位置，记下各位置对应的电压表和电流表的示数。 断开开关S，拆除电路。 在坐标纸上以U 为纵轴，以 I 为横轴，作出UI 图象，利用图象求出E、r。 3. 实验误差分析 偶然误差：主要来源于电压表和电流表的读数以及作 UI 图象时描点不很 准确。 系统误差：系统误差来源于未计电压表分流，近似地将电流表的示数看作干 路电流。实际上电流表的示数比干路电流略小。如果由实验得到的数据作出图中 实线（a
12、）所示的图象，那么考虑到电压表的分流后，得到的 UI 图象应是图中 的虚线（b），由此可见，按图所示的实验电路测出的电源电动势，电 源内电阻。 说明：外电路短路时，电流表的示数（即干路电流的测量值）等于干路电流的真实值，所以图中（a）、 （b）两图线交于短路电流处。当路端电压（即电压表示数）为时，由于电流表示数小于干路电 流，所以（a）、（b）两图线出现了图中所示的差异。 4. 注意事项 （1）电流表要与变阻器靠近，即电压表直接测量电源的路端电压。,4,选用内阻适当大一些的电压表。 两表应选择合适的量程，使测量时偏转角大些，以减小读数时的相对误差。 尽量多测几组U、I 数据（一般不少于 6 组
13、），且数据变化范围要大些。 作 UI 图象时，让尽可能多的点落在直线上，不落在直线上的点均匀分布在直线两侧。 5. 数据处理的方法 本实验中，为了减小实验误差，一般用图象法处理实验数据，即根据各次测出的 U、I 值，作 UI 图象，所得图线延长线与U 轴的交点即为电动势 E，图线斜率的值即为电源的内阻 r，即。 应注意当电池内阻较小时，U 的变化较小，图象中描出的点呈现如图（甲）所示状态，下面大面积空 间得不到利用，所描得的点及作出的图线误差较大。为此，可使纵轴不从零开始，如图（乙）所示，把纵 坐标比例放大，可使结果误差小些。此时，图线与纵轴的交点仍代表电源的电动势，但图线与横轴的交点 不再代
14、表短路状态，计算内阻要在直线上选取两个相距较远的点，由它们的坐标值计算出斜率的绝对值， 即为内阻 r。,6. 实验仪器的选择 本实验的系统误差来源于未计电压表的分流。为减小该误差，需要减小电压表的分流。减小电压表分流的 方法有二方面，一是选取阻值范围小的滑动变阻器，二是在满足量程要求的前提下选取内阻较大的电压表。 由于选用了阻值范围小的滑动变阻器，所以电路中电流较大，因而，还需要滑动变阻器的额定电流较大。 综上所述，本实验中滑动变阻器的选择原则是：阻值范围较小而额定电流较大；电压表的选择原则是：在 满足量程要求的前提下选取内阻较大的；电流表的选择需根据电源电动势和选用的滑动变阻器来确定。 【例
15、 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。 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。 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 R 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,111,5,III,值 I 的倒数;再制作R-坐标图
16、，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 实验数据对应的坐标点也标注在 图 6 中上。 在图 6 上把描绘出的坐标点练成图线。 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 ,解析：根据闭合电路欧姆定律，测量电源的电动势和内电阻，需要得到电源的路端电压和通过电源的电流， 在本实验中没有电压表，但是可以用电阻箱和电流表串联充当电压表，测量电源的路端电压，通过电流表 的电流也是通过电源的电流，所以只需要将电流表和电阻箱串联接在电源两端即可。实物图的连接如答图,1,4 所示。由闭合电路欧姆定律有：E =I（R+r+rg），解得： R E (r r ) ，根据 R-1/I 图线可知：电 Ig 源的电动势等于图线的斜率，内阻为纵轴负方向的截距减去电流表的内阻。 答案： 见答图 4 见答图 6
