第三讲：电学实验基础.ppt

一、电电学实验设计实验设计 和仪仪器选选用的一般性原则则1、安全性原则：保证不损坏实验仪器如电学实验中要 保证不烧坏电学元件，不超过电表量程，不超过额定值 等一般应对办法是估算全电路电流电压的最大值，并 进行综合选择2、准确性原则：所选仪器尽可能精确测量，或者尽可能 减少误差在电学实验设计或仪器选用中，一般要保证 电表的示数达到量程的三分之一以上又不超量程，一般 方法是用欧姆定律估算电表的隐蔽量程值，进行比较与 选择3、经济性原则：即节操作，节器材，节能在保证实验 正常进行的前提条件下，选用器材组成的电路便于操作， 便于读数，便于进行数据处理实验时要测量数据少，易 于操作，同时器材与能耗应尽量节约磁电电式电电流表磁电电式电电流表的构造：刻度盘盘、指针针、蹄形磁铁铁、 极靴（软铁软铁 制成） 、螺旋弹弹簧、线线圈、圆圆柱形铁铁 芯（软铁软铁 制成）铁铁芯、线线圈和指针针是一个整体可以转动转动 • ［问题］电流表中磁场分布有何特点呢？• 电流表中磁铁与铁芯之间是均匀辐向分布的. • 所谓均匀辐向分布，就是说所有磁感线的延长线都通过铁芯 的中心，不管线圈处于什么位置，线圈平面与磁感线之间的夹 角都是零度.在以铁铁芯为为中心的圆圆圈上，各点的磁感应应强度B的大小是相等的.该该磁场场并非匀强磁场场［问题问题 ］该该磁场场是否匀强磁场场？［问题问题 ］该该磁场场的特点？电电流表的工作原理蹄形磁铁铁和铁铁芯间间的磁场场是均匀地辐辐射分布的，不管 通电线电线 圈转转到什么角度，它的平面都跟磁感应线应线 平行， 当电电流通过线过线 圈时线时线 圈上跟铁轴铁轴 平行的两边边都要受到安 培力，这这两个力产产生的力矩使线线圈发发生转转到，线线圈转动转动 使螺旋弹弹簧被扭动动，产产生一个阻碍线线圈转动转动 的力矩，其 大小随线线圈转动转动 的角度增大而 增大，当这这种阻碍力矩和 安培力产产生的使线线圈转动转动 的力矩相平衡时时，线线圈停 止转动转动 。

磁场对电场对电 流的作用力与电电流成正比，因而 线线圈中的电电流越大，安培力产产生的力矩也越 大，线线圈和指针针偏转转的角度也越大，因而根 据指针针的偏转转角度的大小，可以知道被测电测电 流的强弱当线线圈中的电电流方向发发生变变化时时，安培力的 方向也随之改变变，指针针的偏转转方向也发发生变变化 ，所以根据指针针的偏转转方向，可以知道被测电测电 流的方向表盘盘的刻度均匀，θ∝I二、电电表的改装 1．灵敏电电流表（表头头） (1)作用：测量微小电流和电压 (2)电路中的符号(3)三个主要参数： ①内阻Rg（几百欧） ②满偏电流Ig：指针偏转到最大刻度时的电流，一般为毫安，微安级 ③满偏电压Ug：表头通过满偏电流时，加在其两端的电压 (4)三个参数间的关系：由欧姆定律知Ug＝IgRg (5)优缺点：优点：刻度均匀，灵敏度高缺点：允许通过的最大电流弱，容易烧坏0123mAG2．电电表的改装 (1)电压表的改装： 在表头串联一个阻值较大的分压电阻IgRgRVUUgURU其中n为量程扩大倍数，串联的分压电阻越大，改 装表的量程就越大改装表的内阻：两量程电压表：一般常见0—3V—15V两量程G R1R2U1U2S12S接1时为小量程U1：S接2时为大量程U2：也可以：电压表的校准电路：R‘GVESR误差分析：Rg测量值偏小（一般用半偏法测量）， R串偏大，故改装后的示数比实际要小。

2)电流表的改装： 在表头并联一个阻值较小的分流电阻其中n为量程扩大倍数，并联的分流电阻越小，改 装表的量程就越大改装表的内阻：UIRgIgIRRAUI两量程电流表：一般常见0—0.6A—3A两量程S接1时为大量程I1：S接2时为小量程I2：GR1R2S12IIRIRRggg -=+221IIRRIRggg -+=)(12 1GR1R2 I1S1 2I2错误的两量程电流表电路图电流表的校准电路：误差分析：Rg测量值偏小（一般用半偏法测量）， R并偏小，分流偏大，以至通过量程电流时表头并未满偏，故改装后的示数比实际要小R‘G AESRR0三、两种供电方式——实验基座：提供良好的实验条件滑动变阻器两种接法：EsRabPRx限流式 EsPRxRab分压压式 1、电路图：2、实物连线：限流式特点： 变阻器起限流作用，待 测电阻Rx的电压可调范围：1.电压不能从零开始调节,调节范围较小(R越大， 调节范围相对增大）. 但电路结构较为简单 .3.电能损耗较小.3、接法选择：EsRabPRxP总=EIx待测电阻Rx的电流变化范围：2.安全性差.变阻器起分压作用，待 测电阻Rx的电压可调范围分压式电路的特点:1.电压可以从零开始调节到电源电动势 ,调节范围较大 （滑变小，调节灵敏度高）. 但电路结构较为复杂.3.电能损耗较大.EsPRxRabP总=E(Ix+Iap)待测电阻Rx的电流变化范围：2.安全性高。

限流式 分压式 调压 范围优缺点优点：连接简单耗能小 缺点：安全性差调节范围小对比分析： 电流变化范围优点：安全性好调节范围大 缺点：连接复杂耗能大接法的选择原则：1、用限流式接法时必须估算电路中的最小电流电压是否超过电表的量程2、相对于待测电路部分，大滑变用限流式，小滑变用分压式3、若要求电流电压从零开始调节，必须用分压式 4、没有要求，而两法皆可、对实验没有影响时，从耗能的角度考虑，优先用限流式1、伏安法测电阻原理：部分电路欧姆定律四、伏安法测电阻两种测量电路——电流表的内接法和外接法电流表接在电压 表两接 线 柱外侧，通常叫“外接法” AVR 电流表接在电压 表两接 线柱内侧，通常叫“内接法” AVR因为电 流表、电压 表分别有分压、分流作 用,因此两种方法测量电阻都有误差．2、伏安法测电 阻的误差分 析 电流表外接法 电压 表示数 电流表示数测量值偏小，适于测量小阻值电 阻 .说说明：误差来源于电压 表的分流，分流越小， 误差越小．所以该电 路适合测量小电阻，即外接法 内接法 误差来源 测量结果 测量条件 电压 表的分流 电流表的分压 R真＞R测 R真＜R测 R>>RA R> R’时可认为Rg= R’ 要求:R为极大滑变调整到G满 偏时R接入电路部分的阻值很 大,这样闭合S2前后干路电流才 能保证基本不变,调整到G半偏 时才能认为通过R’的电流也为 Ig /2,故R’= Rg对电源的要求:再保证 安全的条件下,选用尽可 能大的电源E= Ig(R+Rg)误差分析： S2闭合后，干路电流略大于Ig 故R’的分流 略大于Ig /2，R’ Rv,滑变越小并联电压变化越小 ，误差越小。

Es1RR‘Vs2命题规题规 律 根据电表改装原理确定电压表、电流表的量程，或改装成电流表、电压表需并联、串联多大电阻 ． [考例1] 如果两个电电流表的满满偏电电流均为为Ig＝3mA ，内阻Rg＝100Ω，欲将其改装成量程分别为别为 3V和15V的 电压电压 表，则则：(1)分别别串联联的电电阻R1和R2为为多大？ (2)将改装后的电压电压 表串联联后测电测电 路中电电阻的电压电压 时时，指针针的偏角θ1和θ2有何关系，示数U1和U2有何关系？(2)将两只电压表串联后测电压，即如图所示连接，因流过表头的电流相同，故偏角θ1＝θ2，而电压表内阻RV1、RV2有关系RV1/RV2＝1/5，故电压表示数之比为U1￿￿ U2＝1：5.[答案] (1)900 4900 (2)θ1＝θ2 1 ： 5[总结评总结评 述] 改装后电电表中表头头的满满偏电电流、电压电压并不改变变，只要将灵敏电电流表的表盘盘按扩扩大量程后的倍数加以改换换，即可从表盘盘上直接读读出电电路中的总电压总电压 或电电路的总电总电 流的数值值．两个电压电压 表甲、乙是由完全相同的电电流表改装成的，它们们的量程分别别是5V、15V，为为了测测量15～20V的电电压压，把甲、乙两个电压电压 表串联联使用，则则两表的( )A．读读数相同B．指针针偏转转角度相同C．读读数正比于表的内阻D．指针针偏转转角度正比于表的内阻[答案] BC[解析] 两电压表是由同一个电流表(表头)改装而成的，表头的内阻没有变化，其量程也没有变化，两电压表由于通过的电流相同，所以两表指针偏转角度相同；而改装后的电压表的内阻不同，它们又串联在电路中，根据串联电路的分压原理，两表的读数正比于表的内阻.命题规题规 律 根据题设要求选择适当仪器，设计符合要求的电路，并求出待测电阻值．[考例2] 如图图所示为为用伏安法测测量一个定值电值电 阻的实验实验 所需的器材实实物图图，器材规规格如下：(1)待测电测电 阻Rx(约约100Ω)(2)直流毫安表(量程0～10mA，内阻50Ω)(3)直流电压电压 表(量程0～3V，内阻5kΩ)(4)直流电电源(输输出电压电压 4V，内阻不计计)(5)滑动变动变 阻器(阻值值范围围0～15Ω，允许许最大电电流1A)(6)开关1个，导线导线 若干根据器材的规规格和实验实验 要求，在本题题的实实物图图上连连线线．[答案] 见见解析 [总结评总结评 述] 连连接实验图实验图 的基本方法： (1)分析各元件的连连接方式和控制电电路的方式． (2)画出实验电实验电 路图图． (3)画出连连接各元件，一般先从电电源正极开始，到开 关再到滑动变动变 阻器等，按顺顺序以单线连单线连 接的方式将主电电 路中要串联联的元件依次串联联起来，然后再将要并联联的元 件并联联到电电路中． (4)电压电压 表应应并联联，电电流表应应串联联，且电电流应应由正 极流入、负负极流出． (5)变变阻器的触头头位置应应保证电证电 路中用电电器的安全， 即保证电证电 路中流过过的电电流最小或加在用电电器两端的电压电压 最小． (6)连线连线 不能交叉．(2010·福建理综综)如图图所示是一些准备备用来测测量待测测电电阻Rx阻值值的实验实验 器材，器材及其规规格列表如下：器 材规 格 待测电阻Rx电源E电压表V1电压表V2电流表A滑动变阻器R开关S、导线若干阻值在900 Ω～1000 Ω之间具有一定内阻，电动势约 9.0 V量程2.0 V，内阻r1＝1000 Ω量程5.0 V，内阻r2＝2500 Ω量程3.0 A，内阻r＝0.10 Ω最大阻值约100 Ω，额定电流0.5 A为为了能正常进进行测测量并尽可能减小测测量误误差，实验实验 要求测测量时电时电 表的读读数大于其量程的一半，而且调节调节 滑 动变动变 阻器能使电电表读读数有较较明显显的变变化．请请用实线实线 代替 导线导线 ，在所给给的实验实验 器材中选择选择 若干合适的器材，连连成 满满足要求的测测量Rx阻值值的电电路．[答案] 连线连线 如图图[解析] 电阻的测量不能直接用电流表A，因为量程太大，无法测量．由于两电压表内阻已知均可当电流表使用，因此要用V1与电阻Rx串联测电流，再与V2并联来测电压，同时滑动变阻器要分压接法.命题规题规 律 利用伏伏法、安安法、电阻箱和电压表(或电流表)法、代替法等，测电阻值并设计电路．[考例3] 用以下器材测测量电电阻Rx的阻值值(900Ω～1000Ω)；电电源E，具有一定内阻，电动势约为电动势约为 9.0V；电电压压表V1，量程为为1.5V，内阻r1＝750Ω；电压电压 表V2，量程为为5V，内阻r2＝2500Ω；滑动变动变 阻器R，最大阻值约为值约为100Ω；单单刀单掷单掷 开关S，导线导线 若干．(2)若电压电压 表V1的读读数用U1表示，电压电压 表V2的读读数用U2表示，则则由已知量和测测得量表示Rx的公式为为Rx＝______ .[解析] 很多考生解析此题，首先考虑的就是伏安法，由于本题没有电流表，思维受阻，当然做不正确，本题要运用“电压表(伏特表)算电流”这一创新思维．(1)测量电阻Rx的实验电路如图所示．[答案] 见解析请同学们认真完成课后强化作业。