高二上学期实验学习应注意的问题

李树祥

同学们在高二上学期学习到的实验有：测绘小灯泡的伏安特性曲线、测金属丝的电阻率、练习使用多用电表、测定电池的电动势和内阻。在这些实验的学习过程中，我们需要注意哪些问题呢？

一、实验仪器的使用

同学们在高二上学期的学习过程中需要掌握的实验仪器主要是游标卡尺、螺旋测微器和多用电表。

使用游标卡尺时，应先将外测量爪并拢，查看游标尺和主尺的零刻度是否对齐，若二者对齐则可以进行测量。测量时，右手拿住尺身，大拇指移动游标尺，左手拿待测外径（内径）的物体。测量工件外径时，先将外测量爪向外移动，使两外测量爪间距大于工件外径，再慢慢地移动游标尺，使两外测量爪内侧的两个刃与工件相贴;测量工件内径时，先将内测量爪向内移动，使两内测量爪间距小于工件内径，再缓慢地向外移动游标尺，使两内测量爪外侧的两个刃与工件相贴。读数时，先看游标尺的总刻度确定精确度（IO分度、20分度、50分度的精确度分别为0.1 mm、0.05 mm、0.02 mm），再读出游标尺零刻度左侧的主尺整毫米数（x），找出游标尺与主尺刻度线“正对”的位置，并在游标尺上读出对齐线到零刻度的小格数（n）（不要估读），最后根据测量值（L）=主尺读数（x）+游标尺读数（n）×精确度得出测量值。

使用螺旋测微器时，使用前应缓缓转动微调旋钮，使测微螺杆和测砧接触，到棘轮发出“喀喀”的声音为止，此时可动刻度（活动套筒）上的零刻度应当和固定刻度（固定套筒）上的基准线对正，否则有误差。测量时，左手持尺架，右手转动旋钮，使测微螺杆与测砧间距稍大于被测物体，放人被测物体后，转动微调旋钮到夹住被测物体，直到棘轮发出“喀喀”的声音为止，拨动旋钮使测微螺杆固定后读数。读数时，先从固定刻度上读取整、半毫米数，再从可动刻度上读取剩余部分（因为是10分度，所以在最小刻度后应再估读一位），然后把两部分读数相加，得到测量值。

使用多用电表时，不管测量的是什么物理量，都必须保证电流从电表的“+”插孔（红表笔）流人，从“- ”插孔（黑表笔）流出，因此使用欧姆挡时，多用电表内部电池的正极接的是黑表笔，负极接的是红表笔。使用多用电表前，需要先根据被测物理量将选择开关旋到相应的位置，并进行机械调零，即用小螺丝刀轻旋指针定位螺丝，使指针指左端零刻度处。测量电压或电流时，应先将量程旋至最大量程挡位，根据指示值的大约数，再选择适当量程，使得指针有较大的偏转（一般要大于满偏的1/3），以减少测量误差。读数时，若最小分度为1、0.1、0.01等，则需要估读到最小分度的下一位;若最小分度不是l、0.1、0. 01等，则只需读到最小分度位即可。使用欧姆挡测电阻时应注意：（l）选挡，一般选比被测电阻的估计值低一个数量级的挡位，比如估计值为200 Ω，则应该选“×10”倍率的挡位。（2）欧姆调零，把红、黑表笔短接，调整欧姆调零旋钮使指针指右端零刻度处。（3）将红、黑表笔接被测电阻两端进行测量，应该使指针指在刻度盘中央附近（满偏的1/3～2/3之间），这样读数最准确;若指针偏角过小，则应换倍率较大的挡位进行测量;若指针偏角过大，则应换倍率较小的挡位进行测量。改变倍率后要重新进行欧姆调零。（4）读取指针示数，将指针示数乘以倍率，得到测量值。（5）测量完成后，应将选择开关扳到“OFF”或交流电压最高挡，收起多用电表。

例1 某同学利用游标卡尺和螺旋测微器分别测量一圆柱体工件的直径和高度，测量结果如图1甲、乙所示。该工件的直径

解析：游标卡尺的主尺读数为4.2 cm，游标尺是20分度，精确度为0.05 mm，游标尺上第8个刻度线和主尺上刻度线对齐，因此该工件的直径为4.2 cm+8×0.05 mm =4. 240 cm。螺旋测微器的固定刻度为1.5 mm，可动刻度为34.5×0.01 mm =0. 345 mm，因此该工件的高度为1.5 mm+0. 345 mm=1.845 mm。

例2 一多用电表的电阻挡有三个倍率，分别是“×1”“×10”“×100”。用“×10”挡测量某电阻时，操作步骤正确，但指针偏转角度很小，为了较准确地进行测量，应换到____挡。如果换挡后立即用表笔连接待测电阻进行读数，那么缺少的步骤是___ ，若补上该步骤后测量，表盘的示数如图2所示，则该电阻的阻值是___Ω。

解析：刚开始指针的偏转角度较小，说明选用的倍率偏小，应换用大倍率，即换到“×100"挡。使用多用电表测电阻时，每次换挡后都需要重新进行欧姆调零，故缺少的步骤是欧姆调零。从表盘上可读出示数为22，因使用的挡位为“×100”，故该电阻的阻值是22×100Ω=2 200 Ω。

二、实验仪器及仪器接法的选择

1.实验仪器的选择。

（l）电源的选择：根据待测元件的额定电流或额定电压选择符合要求的电源。

（2）电表的选择：根据电源的电动势或待测元件的额定电压选择电压表，根据待测电流的最大值选择电流表。为确保电表不受损，需保证流过电流表的电流和加在电压表上的电压不超过其量程;为减少测量误差，需使指针偏转角度大于满偏的1/3。

（3）滑动变阻器的选择：根据电路中可能的电流或电压范围选择滑动变阻器，且確保流过滑动变阻器的电流不超过其额定电流。对于大阻值的变阻器，若滑动触头稍有移动，电流、电压就出现很大变化，则不宜采用。

注意：若考虑电表内阻的影响，则电压表和电流表在电路中就既是电表，又是电阻。已知内阻的电压表可当电流表使用，已知内阻的电流表可当电压表使用，已知电流的定值电阻可当电压表使用，已知电压的定值电阻可当电流表使用。

2.电流表内、外接法的选择。

（1）两种接法的比较如表1。

（2）两种接法的判断方法：

3.滑动变阻器限流、分压接法的选择。

（l）两种接法的对比如表2。

（2）两种接法的选择原则：

①要求待测电阻Rx上电压或电流的变化范围大，且从零开始连续可调时，须用分压接法。

②当待测电阻Rx远大于滑动变阻器的总电阻R0时，须用分压接法，因为若采用限流接法则对电路基本上起不到调节作用。

③若采用限流接法时，电路中的最小电流（电压）仍超过电流表的量程或超过元件的额定电流（电压）时，则应采用分压接法。

④当待测电阻Rx小于滑动变阻器的总电阻R0或二者相差不大，且电压表或电流表示数的变化不要求从零开始调节时，可以采用限流接法。

⑤当两种接法均可使用时，应优先选用限流接法，因为限流接法的电路结构简单，总功率较小。

例3 为了测定一根长20.00cm、直径为0.022 mm的镍铬丝的电阻率（电阻率约为1×10^-6Ω.m），实验室提供下列器材：A.电动势为15 V的直流电源一只;B.量程为0-200 vA，内阻约为3.7 k，0的电流表一只;C.量程为0～20 mA，内阻约为40 Ω的电流表一只;D.量程为0-2A，内阻约为0.4 Ω的电流表一只;E.量程为0-12 V，内阻约为40 kΩ的电压表一只;F.量程为O-15 V，内阻约为50 kΩ的电压表一只;G.阻值范围为0-10Ω，额定电流为lA的滑动变阻器一只;H.阻值范围为0-1 kΩ，额定电流为0.1 A的滑动变阻器一只;I.开关一个，导线若干。现采用如图3所示的电路进行测量，请按实验需要，选出适当的器材。程太大，故电流表应选C，且需要控制电路中的电流不超过20 mA。因为电源电动势为15 V，考虑到电流表的量程和滑动变阻器等元件的分压作用，镍铬丝上的电压可被控制在12 V内，所以电压表应选E。因为该电路中滑动变阻器采用的是限流接法，阻值范围为0-10 Ω的滑动变阻器接人电路的阻值最大时，电路中的电流仍超过所选电流表C的量程，所以滑动变阻器只能选H。另外，I是必选的。

例4 现要测绘一个额定电压U=4V、额定功率P=l.6 W的小灯泡的伏安特性曲线。要求所测电压范围为0.1 V-4 V。现有器材：直流电源（电动势4.5 V，内阻不计），电压表（量程为0-4.5 V，内阻约为4×10⁴Ω），电流表A1（量程为0-250 mA，内阻约为2 Ω），电流表A2（量程为0-500 mA，内阻约为1 Ω），滑动变阻器（最大阻值约为30 Ω），开关S，导线若干。若既要满足测量要求，又要测量误差较小，则应选用的电流表是___ ，如图4所示两个电路应选用的是___ 。

三、实验步骤

电学实验的操作步骤主要包括根据实验原理选取实验器材，连接线路，改变电路电阻进行多次测量，整理并分析数据得出结论，整理器材等。

例5 如图5所示为“测绘小灯泡的伏安特性曲线”实验的实物图，已知小灯泡的额定电压为2.5 V。

（1）完成下列实验步骤：①闭合开关前，调节滑动变阻器的滑片，____ ;②闭合开关后，逐渐移动滑动变阻器的滑片，____ ;③断开開关，拆除电路，整理器材。根据实验数据在方格纸上作出小灯泡灯丝的伏安特性曲线。

（2）画出与实物电路相对应的电路图。

解析：（1）由实物图可知，滑动变阻器采用的是分压接法。闭合开关前，应使测量电路部分处于短路状态，这样闭合开关时，电压表、电流表示数为零，起到保护作用。因此闭合开关前，滑动变阻器的滑片应靠近滑动变阻器左端的接线柱。描绘小灯泡灯丝的伏安特性曲线，必须测量多组数据，即闭合开关后，逐渐移动滑动变阻器的滑片，增加小灯泡两端的电压，记录电流表和电压表的多组读数，直至小灯泡两端的电压达到额定电压。

（2）由实物图可知，从电源正极出发，先经过开关，再经滑动变阻器分为两条支路，一路从滑动变阻器左下方接线柱直接回到电源负极，另一路从滑片经电流表、小灯泡回到电源负极（电压表与小灯泡并联），电路图如图6所示。

四、数据处理

数据处理常用多次测量的算术平均值法、根据测定的两组或多组数据代入公式求解的公式法、将数据记录在表格中进行分析的列表法、根据实验数据通过描点作图确定对应量的函数关系的图解法等。如在测定电池的电动势和内阻的实验中，要测出不少于6组的I、U数据，且变化范围要大些，可以采用平均值法求解;也可以采用图解法，只是需要注意在画U-I图像时，要使较多的点落在一条直线上或使各点均匀分布在直线的两侧，个别偏离直线太远的点可舍去不予考虑。另外，当电池的内阻较小时，路端电压U的变化也较小，即不会比电动势小很多，因此在画U-I图像时，纵轴U的刻度可以不从零开始，而是根据测得的数据从某一恰当值开始（横轴I必须从零开始），这时图像和横轴的交点不再是短路电流，而直线斜率的绝对值还是电池的内阻。

侧6 表3中所列数据是测量小灯泡U-I关系的实验数据。

（l）分析表中实验数据可知，应选用的实验电路是图7中的

（选填“甲”或“乙”）。

（2）在如图8所示的方格纸内画出小灯泡的U-I图像。分析图像可知，小灯泡的电阻随I变大而

（选填“变大”“变小”或“不变”）。

解析：（l）由小灯泡U-I关系的实验数据可知，小灯泡两端的电压可调为0，只有甲电路能够实现。

（2）小灯泡的U-I图像如图9所示，由作出的U-I图像可知，曲线上各点与原点连线的斜率越来越大，说明小灯泡的电阻随I变大而变大。

例7 在一次实验技能比赛中，一同学设计了如图10甲所示的电路来测定电池的电动势和内阻。该同学选好器材后，用导线将各器材连接成如图10乙所示的实物电路，其中R0是保护电阻。

（l）该同学在闭合开关后，发现电压表无示数，电流表有示数，在选用器材时，除导线外，其他器材经检测都是完好的，则出现故障的原因是 。