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电学实验精讲无答案
实验七 测定金属的电阻率
一、螺旋测微器
1.原理:
测微螺杆F与固定刻度B之间的精密螺纹的螺距为0.5mm,即旋钮D每旋转一周,F前进或后退0.5mm,而可动刻度E上的刻度为50等份,每转动一小格,F前进或后退0.01mm.即螺旋测微器的精确度为0.01mm.读数时误差出现在毫米的千分位上,因此,螺旋测微器又叫千分尺.
2.读数:
测量时被测物体长度的整毫米数由固定刻度读出,小数部分由可动刻度读出.
测量值(mm)=固定刻度数(mm)(注意半毫米刻度线是否露出)+可动刻度数(估读一位)×0.01(mm).
温馨提示
★螺旋测微器需要估读
图2
最后一位数字为估计数字,读数和记数时估计位为有效数字的最后一位.
例如 如图2所示,固定刻度示数为2.0mm,不足半毫米从可动刻度上读的示数为15.0,最后的读数为:
2.0mm+15.0×0.01mm=2.150mm.
二、游标卡尺
1.原理:
利用主尺的最小分度与游标尺的最小分度的差值制成.
不管游标尺上有多少个小等分刻度,它的刻度部分的总长度比主尺上的同样多的小等分刻度少1mm.常见的游标卡尺的游标尺上小等分刻度有10个的、20个的、50个的,其读数见下表:
刻度格数
(分度)
刻度总长度
每小格与1mm的差值
精确度(可准确到)
10
9mm
0.1mm
0.1mm
20
19mm
0.05mm
0.05mm
50
49mm
0.02mm
0.02mm
2.读数:
★游标卡尺无需估读
若用x表示由主尺上读出的整毫米数,K表示从游标尺上读出与主尺上某一刻线对齐的游标的格数,则记录结果表达为(x+K×精确度)mm.
三、常用电表的读数
对于电压表和电流表的读数问题,首先要弄清电表量程,即指针指到最大刻度时电表允许通过的最大电压或电流值,然后根据表盘总的刻度数确定精确度,按照指针的实际位置进行读数即可.
(1)0~3V的电压表和0~3A的电流表读数方法相同,此量程下的精确度是0.1V或0.1A,看清楚指针的实际位置,读到小数点后面两位.
(2)对于0~15V量程的电压表,精确度是0.5V,在读数时只要求读到小数点后面一位,即读到0.1V.
(3)对于0.6A量程的电流表,精确度是0.02A,在读数时只要求读到小数点后面两位,这时要求“半格估读”,即读到最小刻度的一半0.01A.
四、伏安法测电阻
1.电流表、电压表测电阻两种方法的比较
电流表内接法
电流表外接法
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=
=
<Rx测量值小于真实值
适用条件
RA≪Rx
RV≫Rx
口诀
大内偏大(大电阻用内接法测量,测量值偏大)
小外偏小(小电阻用外接法测量,测量值偏小)
2.伏安法测电阻的电路选择
(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较小,宜采用电流表外接法;若Rx较大,宜采用电流表内接法.
(2)临界值计算法:
>
时,用电流表外接法.
>
时,用电流表内接法.
图4
(3)实验试探法:
按图4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.
五、测定金属的电阻率
实验原理:
根据电阻率定律公式知道只要测量出金属导线的长度l和它的直径d,计算出导线的横截面积S并用伏安法测出金属丝的电阻R,即可计算出金属导线的电阻率。
注意事项
1.先测直径,再连电路:
为了方便,测量直径时应在金属丝连入电路之前测量.
2.电流表外接法:
本实验中被测金属丝的阻值较小,故采用电流表外接法.
3.电流控制:
电流不宜过大,通电时间不宜过长,以免金属丝温度过高,导致电阻率在实验过程中变大.
误差分析
热点一 测量仪器、仪表的读数
【典例1】
(1)如图5所示的两把游标卡尺,它们的游标尺从左至右分别为9mm长10等分、19mm长20等分,它们的读数依次为________mm,________mm.
(2)使用螺旋测微器测量两个金属丝的直径,示数如图6所示,则a、b金属丝的直径分别为________mm,________mm.
图5
图6
图7
图8
(3)①图7甲用0.6A量程时,对应刻度盘上每一小格代表________A,表针的示数是________A;当使用3A量程时,对应刻度盘上每一小格代表________A,图中表针示数为________A.
②图7乙使用较小量程时,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.
(4)旋钮式电阻箱如图8所示,电流从接线柱A流入,从B流出,则接入电路的电阻为________Ω.今欲将接入电路的电阻改为2087Ω,最简单的操作方法是________.若用两个这样的电阻箱,则可得到的电阻值范围为________.
游标卡尺的读数应注意以下几点:
(1)看清精确度
图9
图10
例如(如图9所示)易错读成11+4×0.1mm=11.40mm正确的应为11.4mm,游标卡尺不需估读,后面不能随意加零,也不能随意去零.
例如(如图10所示)易错读成10+12×0.05mm=10.6mm,正确的为10.60mm.
(2)区分零刻度与标尺最前端
图11
例如(如图11所示)易错读成13+10×0.05mm=13.50mm正确读数为14+10×0.05mm=14.50mm
【跟踪短训】
1.完成下列读数
(1)电流表量程一般有两种——0~0.6A,0~3A;电压表量程一般有两种——0~3V,0~15V.如图12所示:
图12
1接0~3V量程时读数为______V.②接0~15V量程时读数为______V.
③接0~3A量程时读数为______A.④接0~0.6A量程时读数为______A.
(2)
a.______mm b.______mm c.______mmd.______mm e._______mm.
热点二 器材的选择、实验操作及误差分析
1.仪器选择的基本思路
(1)优先考虑安全因素:
各电表的实际读数不能超过其量程,电阻类元件中的实际电流(或电压)不能超过其允许的最大电流(或电压)
(2)考虑读数误差因素:
一般要求各电表的实际读数不小于其量程的
,以减小读数误差.
(3)仪器选择的一般步骤:
①首先选择唯一性的器材;
②粗画电路图(暂不接电流表和电压表);
③估算回路中电流和电压的最大值,在电表的指针有较大幅度的偏转但不超过其量程的情况下,结合已知器材的规格,确定实验电路和实验器材.
2.控制电路的选择
(1)滑动变阻器两种接法的对比
方式
内容
限流接法
分压接法
两种接法电路图
负载R上电压调节范围
≤U≤E
0≤U≤E
负载R上电流调节范围
≤I≤
0≤I≤
闭合S前触头位置
b端
a端
(2)分压和限流电路的选择原则
在下列情况下应选用分压式接法:
①待测电阻的阻值远大于滑动变阻器的最大阻值.
②题中要求待测电阻上电压变化范围大,且要求从零开始连续调节.
③若选用限流式接法,电路中的最小电流仍超过用电器的额定电流.
【典例2】(2013·北京卷,21)某同学通过实验测定一个阻值约为5Ω的电阻Rx的阻值.
(1)现有电源(4V,内阻可不计)、滑动变阻器(0~50Ω,额定电流2A)、开关和导线若干,以及下列电表:
A.电流表(0~3A,内阻约0.025Ω)
B.电流表(0~0.6A,内阻约0.125Ω)
C.电压表(0~3V,内阻约3kΩ)
D.电压表(0~15V,内阻约15kΩ)
为减小测量误差,在实验中,电流表应选用________,电压表应选用________(选填器材前的字母);实验电路应采用图13中的________(选填“甲”或“乙”).
图13
(2)图14是测量Rx的实验器材实物图,图中已连接了部分导线.请根据在
(1)问中所选的电路图,补充完成图14中实物间的连线.
图14
(3)接通开关,改变滑动变阻器滑片P的位置,并记录对应的电流表示数I、电压表示数U.某次电表示数如图15所示,可得该电阻的测量值Rx=
=________Ω(保留两位有效数字).
图15
(4)若在
(1)问中选用甲电路,产生误差的主要原因是
________;若在
(1)问中选用乙电路,产生误差的主要原因是________.(选填选项前的字母)
A.电流表测量值小于流经Rx的电流值
B.电流表测量值大于流经Rx的电流值
C.电压表测量值小于Rx两端的电压值
D.电压表测量值大于Rx两端的电压值
(5)在不损坏电表的前提下,将滑动变阻器滑片P从一端滑向另一端,随滑片P移动距离x的增加,被测电阻Rx两端的电压U也随之增加,下列反映U-x关系的示意图中正确的是________.
图16
【跟踪短训】
2.有一待测的电阻器Rx,其阻值在40~50Ω之间,实验室准备用来测量该电阻器阻值的实验器材有:
电压表V(量程0~10V,内阻约20kΩ);
电流表A1(量程0~300mA,内阻约20Ω);
电流表A2(量程0~800mA,内阻约4Ω);
滑动变阻器R1(最大阻值为10Ω,额定电流为2A);
滑动变阻器R2(最大阻值为250Ω,额定电流为0.1A);
直流电源E(电动势为9V,内阻约为0.5Ω);
开关及若干导线.
实验要求电表读数从零开始变化,并能多测出几组电流、电压值,以便画出U-I图线.
(1)电流表应选用________(填写器材代号).
(2)滑动变阻器应选用________(填写器材代号).
(3)请在如图17甲所示的方框内画出实验电路图,并将图乙中的器材连接成符合要求的电路.
图17
3.某同学对有故障的电热毯进行探究.图18是电热毯的电路示意图,其中电热线和导线通过金属接线片连接.图19为测试电路实物图,A、B为测试表笔,电压表内阻很大,可视为理想电表.
①请在下面虚线框内画出与图19对应的电路图.
②断开K1,用上述测试电路在1和1′之间检测得知电热线无故障,然后测得电热线的UI曲线如图20所示,已知电热线材料的电阻率为2.8×10-7Ω·m,电热线的直径为0.200mm.可求得此电热线的电阻为____kΩ,总长度为________m.(结果均保留两位有效数字)
图20
③为了进一步检查故障,该同学闭合开关K1和K2,用表笔A和B分别对图18中所示的各点进行测试,部分测试结果如下表所示.由此测试结果可判断出电路有断路,位置在________之间(在“1和2”、“1′和2′”、“2和3”、“2′和3′”中选填一项).
测试点
3和3′
1和1′
1和3
1和2′
2′和3′
电表指针
有无偏转
电压表
有
有
无
有
无
电流表
无
有
有
无
有
4.某课题组通过实验测量河水的电阻率.现备有一根均匀的长玻璃管(两端各有一个可移动圆形电极,可装入样品水,接触电阻不计)、直尺、待测的水样品.电路器材如表一,他们用伏安法多次测量的数据如表二(为实验处理方便,实验时每次都把电流表示数调到相同);实验中还用10分度的游标卡尺测量了玻璃管的内径,结果如图21甲所示.
表一
器材编号
器材名称
规格
1
电流表
200μA,内阻约10Ω
2
电压表
12V,内阻约100kΩ
3
电池组
12V,内阻不计
4
滑动变阻器
10Ω,1A
5
开关
6
导线
若干
7
定值电阻
100Ω
表二
序号
水柱长度/cm
电压表示数/V
电流表示数/μA
1
10
2
100
2
20
4
100
3
30
6
100
4
40
8
100
5
50
10
100
图21
(1)玻璃管内径d的测量值为________cm.
(2)根据表一器材和表二数据确定测量电路中电流表应该________(填“内接”或“外接”),电路的连接方式应该采用________(填“分压电路”或“限流电路”).
(3)用水柱长度L与计算出的水柱电阻R在图乙中描点,画出R-L图象(要求标出坐标轴的物理量、单位和对应的数值).
(4)计算出所测水的电阻率为________Ω·m.
3.实验题组一练习题
1.(2013·安徽卷,21Ⅱ)
(1)在测定一根粗细均匀合金丝电阻率的实验中,利用螺旋测微器测定合金丝直径的过程如图22所示,校零时的读数为________mm,合金丝的直径为________mm.
图22
(2)为了精确测量合金丝的电阻Rx,设计出如图23甲所示的实验电路图,按照该电路图完成图乙中的实物电路连接.
图23
2.某学习小组用伏安法测量一未知电阻Rx的阻值,给定器材及规格为:
电流表A(量程为0~5mA,内阻约为10Ω);
电压表V(量程为0~3V,内阻约为3kΩ);
最大阻值约为100Ω的滑动变阻器;
电源E(电动势约为3V);开关S、导线若干.
(1)由于不知道未知电阻的阻值范围,先采用如图24甲所示的电路试测,读得电压表示数大约为2.5V,电流表示数大约为5mA,则未知电阻Rx的阻值大约为________Ω.
(2)经分析,该电路测量误差较大,需改进.请直接在图甲上改画:
①在不需要的连线上画“×”表示,②补画上需要添加的连线.
(3)对改进的电路进行测量,并根据测量数据画出了如图乙所示的U-I图象,得Rx=________Ω.(结果保留三位有效数字)
图24
3.科学实验是人们认识自然的重要手段.电学实验中经常需要测量某负载的电阻.
(1)测电阻的方法有多种,现在有一只标有“220V,100W”的灯泡,它正常工作时的电阻为________Ω.若用多用电表的欧姆挡来测量这只灯泡的电阻,则测出的电阻应________灯泡正常工作时的电阻(填“大于”、“等于”或“小于”).这是因为____________________________.
(2)请你用下列器材设计一个实验,测定灯泡正常工作时的电阻.
A.220V交流电源
B.单刀双掷开关一个
C.电阻箱一个(0~999Ω,额定电流1A)
D.交流电流表一个(0~0.6A)
E.导线若干
请画出电路原理图.
4.为了测量一只量程为0~3V、内阻值为数千欧的电压表的内阻,可采用一只电流表与它串联后接入电路.
(1)本实验测量电压表内阻依据的公式是________.
(2)若提供的实验器材有:
A.待测电压表;
B.电流表A1(0~0.6A,内阻约0.2Ω);
C.电流表A2(0~100mA,内阻约2Ω);
D.电流表A3(0~10mA,内阻约50Ω);
E.滑动变阻器(0~50Ω,额定电流0.5A);
F.直流电源(输出电压6V);
G.开关、导线.
为减小读数误差,多次测量取平均值.为顺利完成实验,应选用的实验器材为________(填英文序号).
(3)画出实验电路图
5.实际电流表有内阻,可等效为理想电流表与电阻的串联.测量实际电流表G1内阻r1的电路如图25所示.供选择的仪器如下:
图25
①待测电流表G1(0~5mA,内阻约300Ω);
②电流表G2(0~10mA,内阻约100Ω);
③定值电阻R1(300Ω);
④定值电阻R2(10Ω);
⑤滑动变阻器R3(0~1000Ω);
⑥滑动变阻器R4(0~20Ω);
⑦干电池(1.5V);
⑧电键S及导线若干.
(1)定值电阻应选________,滑动变阻器应选________.(填写序号)
(2)将实物图连接完整.
图26
(3)补全实验步骤:
①连接好实验电路,将滑动触头移至最________端(填“左”或“右”);
②闭合电键S,移动滑动触头至某一位置,记录G1、G2的读数I1、I2;
③多次移动滑动触头,记录相应的G1、G2读数I1、I2;
④以I2为纵坐标,I1为横坐标,作出相应图线,如图26所示.
(4)根据I2-I1图线的斜率k及定值电阻,写出待测电流表内阻的表达式:
_____________.
实验八 描绘小电珠的伏安特性曲线
实验原理:
测多组小灯泡的U、I并绘出I-U图像,由图像的斜率反应电流与电压和温度的关系
注意事项
1.电流表外接法:
本实验中被测小灯泡灯丝的电阻值较小,因此测量电路必须采用电流表外接法.
2.滑动变阻器应采用分压式连接
本实验要作出UI图线,要求测出一组包括零在内的电流、电压值,故控制电路必须采用分压接法.
3.保护元件安全:
为保护元件不被烧毁,开关闭合前变阻器滑片应位于图中的a端.加在小电珠两端的电压不要超过其额定电压.
误差分析
1.由于电压表不是理想电表,内阻并非无穷大,对电路的影响会带来误差,电流表外接,由于电压表的分流,使测得的电流值大于真实值.
2.测量时读数带来误差.
3.在坐标纸上描点、作图带来误差
热点一 对实验原理及注意事项的考查
【典例1】(2012·安徽卷,21Ⅱ)图1为“测绘小灯泡伏安特性曲线”实验的实物电路图,已知小灯泡额定电压为2.5V.
图1
(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,逐渐移动变阻器的滑片,____________;
③断开开关,……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)在虚线框中画出与实物电路相应的电路图.
【跟踪短训】
1.某同学在探究规格为“6V,3W”的小电珠伏安特性曲线实验中:
(1)在小电珠接入电路前,使用多用电表直接测量小电珠的电阻,则应将选择开关旋至________挡进行测量.(填选项前的字母)
A.直流电压10V B.直流电流5mA
C.欧姆×100 D.欧姆×1
图2
(2)该同学采用图2所示的电路进行测量.图中R为滑动变阻器(阻值范围0~20Ω,额定电流1.0A),L为待测小电珠,
为电压表(量程6V,电阻20kΩ),
为电流表(量程0.6A,内阻1Ω),E为电源(电动势8V,内阻不计),S为开关.
Ⅰ.在实验过程中,开关S闭合前,滑动变阻器的滑片P应置于最________端;(填“左”或“右)
Ⅱ.在实验过程中,已知各元件均无故障,但闭合开关S后,无论如何调节滑片P,电压表和电流表的示数总是调不到零,其原因是________点至________点的导线没有连接好;(图中的黑色小圆点表示接线点,并用数字标记,空格中请填写图2中的数字)
图3
Ⅲ.该同学描绘出小电珠的伏安特性曲线示意图如图3所示,则小电珠的电阻值随工作电压的增大而________.(填“不变”、“增大”或“减小”)
热点二 对电路的连接和实验数据处理的考查
【典例2】在做“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验时,所用器材有:
电动势为6V的电源,额定电压为2.5V的小灯泡,以及符合实验要求的滑动变阻器、电流表、电压表、开关和导线,要求能测出尽可能多的数据,图4甲所示是没有连接完的实物电路.(已连接好的导线有a、b、c、d、e、f六根)
图4
(1)请你用笔画线代替导线,将实物电路连接完整.
(2)连好电路,闭合开关,移动滑片P到某处,电压表的示数为2.2V,若要测量小灯泡的额定功率,应将滑片P向________(填“左”或“右”)端滑动.
(3)通过移动滑片P,分别记下了多组对应的电压表和电流表示数,并绘制成了如图乙所示的U-I图线,根据U-I图线提供的信息,可计算出小灯泡的额定功率为________W.
(4)小灯泡的U-I图线是曲线而不是过原点的直线,原因是__________________.
实物连线的原则
1.先串后并,接线到柱,注意量程和正负.
2.对限流电路,用笔画线代替导线,从电源正极开始,把电源、开关、滑动变阻器、“伏安法”四部分依次串联起来即可(注意电表的正负接线柱和量程,滑动变阻器应调到阻值最大处).
3.对分压电路,应该先把电源、开关和滑动变阻器的全部电阻丝三部分用导线连接起来,然后在滑动变阻器电阻丝两端之中任选一个接头,比较该接头和滑动触头两点的电势高低,根据“伏安法”部分电表正负接线柱的情况,将“伏安法”部分接入该两点间.
【跟踪短训】
2.在“描绘小电珠的伏安特性曲线”实验中,所用器材有:
小电珠(2.5V,0.6W),滑动变阻器,多用电表,电流表,学生电源,开关,导线若干.
(1)粗测小电珠的电阻,应选择多用电表________倍率的电阻挡(请填写“×1”“×10”或“×100”);调零后,将表笔分别与小电珠的两极连接,示数如图5甲所示,结果为________Ω.
图5
图6
(2)实验中使用多用电表测量电压,请根据实验原理图乙完成实物图6中的连线.
(3)开关闭合前,应将滑动变阻器的滑片P置于________端.为使小电珠亮度增加,P应由中点向________端滑动.
(4)下表为电压等间隔变化测得的数据,为了获得更准确的实验图象,必须在相邻数据点________间多测几组数据(请填写“ab”“bc”“cd”“de”或“ef”).
数据点
a
b
c
d
e
f
U/V
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
I/A
0.000
0.122
0.156
0.185
0.216
0.244
3.为探究小灯泡的电功率P和电压U的关系,小明测量小灯泡的电压U和电流I,利用P=UI得到电功率.实验所使用的小灯泡规格为“3.0V,1.8W”,电源为12V的电池,滑动变阻器的最大阻值为10Ω.
(1)准备使用的实物电路如图7所示.请将滑动变阻器接入电路的正确位置.(用笔画线代替导线)
图7
(2)现有10Ω、20Ω和50Ω的定值电阻,电路中的电阻R1应选________Ω的定值电阻.
(3)测量结束后,应先断开开关,拆除________两端的导线,再拆除其他导线,最后整理好器材.
(4)小明处理数据后将P、U2描点在坐标纸上,并作出了一条直线,如图8所示.请指出图象中不恰当的地方.
图8
3.某同学测绘标有“4.8V,0.3A”字样的小灯泡的电功率P随电压U变化的图象,要使小灯泡两端的电压从0到4.8V连续变化,为了使测量尽可能准确,除了导线和开关外,可供选择的仪器还有:
A.电流表(量程为0.6A,内阻约为1Ω)
B.电流表(量程为3A,内阻约为0.2Ω)
C.电压表(量程为6V,内阻约为2kΩ)
D.电压表(量
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