以原理为支点，轻松撬动电学实验

■甘肃省天水市二中 丁 震

以原理为支点，轻松撬动电学实验

■甘肃省天水市二中 丁 震

高二物理中的电学实验颇多,如电表的改装、半偏法测量电表的内阻、用伏安法描绘小灯泡的伏安特性曲线、测量金属丝的电阻率、测定电源的电动势和内阻、练习使用多用电表等。同学们若想熟练掌握实验内容,则需从实验原理入手,提纲挈领地进行实验的复习。

一、以串联和并联为原理的实验

1.电流表改装的实验原理。

把小量程的电流表G改装成大量程的电流表,所依据的是并联分流原理,实验原理电路如图1所示。由IgRg=(IIg)R得分流电阻R=因为I-Ig＞ Ig,所以R＜Rg,可见,要并联一个小电阻作为分流电阻。由IgRg=因此放大倍数n=分流电阻越小,改装后的电流表量程越大。

例1 有一个电流表G,内阻Rg= 2 5Ω,满偏电流Ig=3mA,要把它改装成量程为0～0.6A的电流表,求分流电阻R和放大倍数n。

图1

2.电压表改装的实验原理。

把小量程的电流表G改装成电压表,所依据的是串联分压原理,实验原理电路如图2所示。由得分压电阻R因为U-Ug＞Ug,所以R＞ Rg,可见,要串联一个大电阻作为分压电阻。由得U= (R+Rg)Ig,因此放大倍数。分压电阻越大,改装后的电压表量程越大。

图2

例2 有一个电流表G,内阻Rg=1 0Ω,满偏电流Ig=3mA,要把它改装成量程为0～3V的电压表,求分压电阻R和放大倍数n。

3.多用电表具有多个挡位的原理。

多用电表共用一个表头,电流表、电压表和欧姆表都是由灵敏电流计改装而成的。多用电表的内部电路如图3所示。

(1)开关S与1、2相连时,是多用电表的电流挡。并联分流电阻越小,电流表的量程越大。

(2)开关S与5、6相连时,是多用电表的电压挡。串联分压电阻越大,电压表的量程越大。

(3)开关S与3、4相连时,是多用电表的欧姆挡。

4.半偏法测量电表内阻的实验原理。

(1)用串联分压原理测量电压表的内阻。

如图4所示,电压表V的内阻RV待测,所用仪器有电源E、滑动变阻器R(采用分压式)、电阻箱R1(与电压表串联)、开关S。必须满足的条件是R≪R1。

图3

实验过程：先把滑动变阻器的滑片滑到最右端,闭合开关S,调节电阻箱的阻值使之为零,然后向左移动滑片,使电压表V的指针刚好达到满偏。再将电阻箱的阻值逐渐变大,使电压表的指针恰好指到满刻度的一半处,即半偏位置,这时电阻箱的阻值就是待测电压表内阻的测量值。

注意：采用这种方法测出的电压表内阻的测量值大于真实值。

例3 一只量程为1V,内阻RV约为9 0 0Ω的电压表是由小量程电流表改装而成的,现在要测量它的内阻。实验室提供了以下器材：

A.待测电压表;

B.标准电压表(量程为1V);

C.滑动变阻器(最大阻值为10 0 0Ω,额定电流为1A);

D.滑动变阻器(最大阻值为1 0Ω,额定电流为1A);

E.电阻箱(最大阻值为9 9 9.9Ω,阻值最小改变量为0.1Ω);

F.电阻箱(最大阻值为9 9.9Ω,阻值最小改变量为0.1Ω);

G.电池组(电动势为3V,内阻约为1Ω)。

另外有导线和开关若干。

图4

为了用半偏法测量该电压表的内阻,某同学设计了两种电路,如图5所示,要使测量较精确,应选择电路。除电池组、导线、开关和待测电压表外,还应从提供的器材中选用(用器材前的序号字母表示)。用上述方法测出的电压表内阻的测量值RV(选填“大于”“等于”或“小于”)电压表内阻的真实值。

图5

解析：甲图适合测量电流表的内阻,乙图适合测量电压表的内阻。除电池组、导线、开关和待测电压表外,还应从提供的器材中选用一个滑动变阻器和一个变阻箱。因为滑动变阻器采用分压式,所以应该选滑动变阻器D;电阻箱应该选择和电压表内阻相当的电阻箱E。因为电阻箱与待测电压表串联,与滑动变阻器的一部分并联,当电压表在半偏位置时,电阻箱分担的电压比半偏值略大,所以用上述方法测出的电压表内阻的测量值RV大于电压表内阻的真实值。

(2)用并联分流原理测量电流表的内阻。

如图6所示,电流表A的内阻RA待测,所用仪器有电源E、滑动变阻器R(采用限流式)、电阻箱R1(与电流表并联)、两个开关S1(串联在干路中)、S2(与电阻箱串联)。必须满足的条件是R1≪R。

实验过程：先把滑动变阻器的滑片滑到最左端,闭合开关S1,向右移动滑片,使电流表A的指针刚好达到满偏。再闭合开关S2,缓慢调节电阻箱的阻值,使电流表的指针恰好指到满刻度的一半处,即半偏位置,这时电阻箱的阻值就是待测电流表内阻的测量值。

注意：采用这种方法测出的电流表内阻的测量值小于真实值。

二、以欧姆定律为原理的实验

图6

1.以欧姆定律为原理的三大基本实验。

(1)描绘小灯泡的伏安特性曲线。因为小灯泡的电阻很小,所以应该采用电流表外接法;同时要求描绘小灯泡的伏安特性曲线,电压和电流的取值范围应该尽可能大,所以滑动变阻器要用分压式。

(2)测量金属丝的电阻率。因为金属丝的电阻都不大,所以应该采用电流表外接法;因为要求电压和电流的取值范围越大越好,所以滑动变阻器应该采用分压式。

(3)测定电源的电动势和内阻。电流表采用内接法比采用外接法造成的误差更小;为了减小电能损耗,滑动变阻器应该采用限流式。

例4 小灯泡灯丝的电阻会随温度的升高而增大。某同学为研究这一现象,所用的实验器材有：电压表V、电流表A、滑动变阻器(0～1 0Ω)、电源、小灯泡、开关,以及导线若干。利用这些器材设计实验电路并进行实验,将得到的实验数据通过描点的方式记录在如图7所示的I-U坐标系中(I和U分别表示小灯泡上的电流和电压)。

图7

(1)请画出实验电路图。

(2)读出图8中的电压表和电流表的示数,并将该组数据标注在图7的I-U坐标系中,然后画出小灯泡的I-U曲线。

解析：(1)在描绘小灯泡的伏安特性曲线的实验中,滑动变阻器采用分压式,电流表采用外接法,因此实验电路图如图9所示。

图8

图9

(2)电压表的读数是0.8 0V,电流表的读数是0.3 6 0A。把这个点描在坐标纸上,然后根据图中的点,描出平滑的曲线,如图1 0所示。

2.欧姆表的工作原理。

图1 0

3.欧姆表换挡必须重新调零的道理。

图1 1

欧姆表不同的挡位不仅有着不同的内阻,而且还对应着不同的电动势。换挡前(调零),换挡后要使Ig=成立,则R0'必须不再是原来的R0,即换挡必须重新调零。

例5 欧姆表的刻度盘如图1 2所示,因表头损坏,需要换一个新表头,现有甲、乙两个新表头。甲表头的满偏电流为原表头的2倍,内阻与原表头相同;乙表头的满偏电流与原表头相同,内阻为原表头的2倍。则换用甲表头和乙表头后,刻度盘的中值电阻分别为( )。

A.1 0 0Ω,1 0 0Ω B.2 0 0Ω,1 0 0Ω C.5 0Ω,1 0 0Ω D.1 0 0Ω,2 0 0Ω

图1 2

(责任编辑 张 巧)