2019-2020年高三物理《電學(xué)實驗》教學(xué)設(shè)計.doc
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2019-2020年高三物理《電學(xué)實驗》教學(xué)設(shè)計.doc
第十九章 電學(xué)實驗
2019-2020年高三物理《電學(xué)實驗》教學(xué)設(shè)計
1.用描跡法畫出電場中平面上的等勢線
2.描繪小電珠的伏安特性曲線
3.測定金屬的電阻率(同時練習(xí)使用螺旋測量器)
4.把電流表改裝為電壓表
5.用電流表和電壓表測電池的電動勢和內(nèi)電阻
6.用多用電表探索黑箱內(nèi)的電學(xué)元件
7.練習(xí)使用示波器
8.傳感器的簡單應(yīng)用
說明:1.要求會正確使用的儀器主要有:刻度尺、游標(biāo)卡尺、螺旋測微器、天平、秒表、電火花計時器或電磁打點計時器、彈簧秤、溫度表、電流表、電壓表、多用電表、滑動變阻器、電阻箱,等等
2.要求認(rèn)識誤差問題在實驗中的重要性,了解誤差的概念,知道系統(tǒng)誤差和偶然誤差;知道用多次測量求平均值的方法減小偶然誤差;能在某些實驗中分析誤差的主要來源;不要求計算誤差
3.要求知道有效數(shù)字的概念,會用有效數(shù)字表達(dá)直接測量的結(jié)果,間接測量的有效數(shù)字運算不作要求。
教學(xué)目標(biāo):
1.理解各實驗的原理、實驗?zāi)康募耙?,了解材料、用具,掌握實驗方法步驟;
2.會控制實驗條件和使用實驗儀器,會處理實驗安全問題,會觀察,分析和解釋實驗中產(chǎn)生的現(xiàn)象、數(shù)據(jù),并得出合理的實驗結(jié)論;
3.能根據(jù)要求靈活運用已學(xué)過的自然科學(xué)理論、實驗方法和儀器,設(shè)計簡單的實驗方案并處理相關(guān)的實驗問題。
教學(xué)重點:
會控制實驗條件和使用實驗儀器,會處理實驗安全問題,會觀察,分析和解釋實驗中產(chǎn)生的現(xiàn)象、數(shù)據(jù),并得出合理的實驗結(jié)論;能根據(jù)要求靈活運用已學(xué)過的自然科學(xué)理論、實驗方法和儀器,設(shè)計簡單的實驗方案并處理相關(guān)的實驗問題。
教學(xué)難點:
會控制實驗條件和使用實驗儀器,會處理實驗安全問題,會觀察,分析和解釋實驗中產(chǎn)生的現(xiàn)象、數(shù)據(jù),并得出合理的實驗結(jié)論;能根據(jù)要求靈活運用已學(xué)過的自然科學(xué)理論、實驗方法和儀器,設(shè)計簡單的實驗方案并處理相關(guān)的實驗問題。
教學(xué)方法:講練結(jié)合,計算機(jī)輔助教學(xué)
教學(xué)過程:
一、實驗儀器的讀數(shù)
高考要求會正確使用的電學(xué)儀器有:電流表、電壓表、多用電表、滑動變阻器、電阻箱等等。除了滑動變阻器以外,其它儀器都要求會正確讀出數(shù)據(jù)。讀數(shù)的基本原則是:凡儀器最小刻度是10分度的,要求讀到最小刻度后再往下估讀一位(估讀的這位是不可靠數(shù)字);凡儀器最小刻度不是10分度的,只要求讀到最小刻度所在的這一位,不再往下估讀。電阻箱是按照各個數(shù)量級上指針的對應(yīng)數(shù)值讀數(shù)的,指針必須指向某一個確定的數(shù)值,不能在兩個數(shù)值之間,因此電阻箱測量結(jié)果的各位讀數(shù)都是從電阻箱上指針?biāo)肝恢弥苯幼x出的,不再向下估讀。
【例1】下圖是電壓表的刻度盤。若當(dāng)時使用的是該表的0-3V量程,那么電壓表讀數(shù)為多少?若當(dāng)時使用的是該表的0-15V量程,那么電壓表度數(shù)又為多少?
0
1
2
3
V
0
5
10
15
解:0-3V量程最小刻度是0.1V,是10分度的,因此要向下估讀一位,讀1.15V(由于最后一位是估讀的,有偶然誤差,讀成1.14V-1.17V之間都算正確)。0-15V量程最小刻度為0.5V,不是10分度的,因此只要求讀到0.1V這一位,所以讀5.7V(5.6V-5.8V之間都算正確)。
【例2】下圖是電阻箱示意圖,試讀出當(dāng)時電阻箱的阻值。
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解:電阻箱面板上有6個旋鈕,每個旋鈕上方都標(biāo)有倍率。將每個旋鈕的指針?biāo)傅臄?shù)值(都為整數(shù))乘以各自的倍率,從最高位到低位依次讀出來,就得到這時電阻箱的實際阻值。注意圖中最左邊的兩個黑點是表示的是接線柱。若指針位置如圖所示,則阻值為84580.2Ω。
如:(04北京理綜)電阻箱各旋鈕的位置如右圖所示,電阻箱R的阻值是_________。
解析:電阻箱的讀數(shù)方法是:每擋指示數(shù)字乘以相應(yīng)倍率后相加的總和,所以86.3。
二、恒定電流實驗常規(guī)
1.伏安法測電阻
V
A
V
A
a
b
伏安法測電阻有a、b兩種接法,a叫(安培計)外接法,b叫(安培計)內(nèi)接法。外接法的系統(tǒng)誤差是由電壓表的分流引起的,測量值總小于真實值,小電阻應(yīng)采用外接法;內(nèi)接法的系統(tǒng)誤差是由電流表的分壓引起的,測量值總大于真實值,大電阻應(yīng)采用內(nèi)接法。
V
A
a
b
c
如果被測電阻阻值為Rx,伏特表和安培表的內(nèi)阻分別為RV、RA,若,則采用外接法。若,則采用內(nèi)接法。
如果無法估計被測電阻的阻值大小,可以利用試觸法:如圖將電壓表的左端接a點,而將右端第一次接b點,第二次接c點,觀察電流表和電壓表示數(shù)的變化。若電流表示數(shù)變化大,說明被測電阻是大電阻,應(yīng)該用內(nèi)接法測量;若電壓表讀數(shù)變化大,說明被測電阻是小電阻,應(yīng)該用外接法測量。(這里所說的變化大,是指相對變化,即ΔI/I和ΔU/U)。
2.滑動變阻器的兩種接法
a
b
R
R
RX
RX
滑動變阻器在實驗電路中常用的接法有兩種,分別用下面a、b兩圖表示:a叫限流接法,b叫分壓接法。采用分壓接法時,被測電阻RX上的電壓調(diào)節(jié)范圍較大。當(dāng)實驗中要求被測電阻上的電壓從零開始逐漸增大,或要求電壓調(diào)節(jié)范圍盡量大時,應(yīng)該用分壓接法。采用分壓接法時,應(yīng)該選用總阻值較小的滑動變阻器;采用限流接法時,應(yīng)該選用總阻值和被測電阻接近的滑動變阻器。
3.實物圖連線方法
A
A
V
V
⑴無論是分壓接法還是限流接法,都應(yīng)該先把測量電路(伏安法部分)接好;⑵對限流電路,只需用筆畫線當(dāng)作導(dǎo)線,從電源正極開始,把電源、電鍵、滑動變阻器、伏安法四部分依次串聯(lián)起來即可(注意電表的正負(fù)接線柱并選擇正確的量程,滑動變阻器的滑動觸頭應(yīng)調(diào)到阻值最大處)。⑶對分壓電路,應(yīng)該先把電源、電鍵和滑動變阻器的全部電阻絲三部分用導(dǎo)線連接起來,然后在滑動變阻器電阻絲兩端之中任選一個接頭,比較該接頭和滑動觸頭兩點的電勢高低,根據(jù)伏安法部分電表正負(fù)接線柱的分布,將伏安法部分接入該兩點間。
G
A
B
探針
——
+—
G
G
a
a
R
r
a
b
三、考試大綱規(guī)定的學(xué)生實驗
1.用描跡法畫出電場中平面上的等勢線
實驗所用的電流表是零刻度在中央的靈敏電流表,在實驗前應(yīng)先查明電流方向與指針偏轉(zhuǎn)方向的關(guān)系。方法是:將電流表、電池、電阻、導(dǎo)線按圖a或圖b 連接,若R是阻值很大的電阻,就按圖a連接;若r是阻值很小的電阻,就按圖b連接。然后用導(dǎo)線的a端試觸電流表的另一端,觀察電流表指針的偏轉(zhuǎn)方向,就可判定電流方向和指針偏轉(zhuǎn)方向的關(guān)系。
本實驗是用恒定電流的電流場來模擬靜電場。與電池正極相連的A電極相當(dāng)于正點電荷,與電池負(fù)極相連的B相當(dāng)于負(fù)點電荷。白紙應(yīng)放在最下面,導(dǎo)電紙應(yīng)放在最上面(涂有導(dǎo)電物質(zhì)的一面必須向上),復(fù)寫紙則放在中間。
只要電流表示數(shù)是零,就表示兩根探針針尖對應(yīng)的點電勢相等。把所有與同一個基準(zhǔn)點電勢相等的點連起來,就是等勢線。
【例3】 用恒定電流的電流場模擬靜電場描繪等勢線時,下列哪些模擬實驗的設(shè)計是合理的
M N
M
N
M N
M
⑴ ?、啤 、恰 、?
A.如圖⑴所示圓柱形電極M、N都接電源的正極,模擬等量正點電荷周圍的靜電場
B.如圖⑵所示圓柱形電極M接電源正極,圓環(huán)形電極N接電源負(fù)極,模擬正點電荷周圍附近的靜電場
C.如圖⑶所示兩個平行的長條形電極M、N分別接電源正、負(fù)極,模擬平行板電容器間的靜電場
D.如圖⑷所示圓柱形電極M接電源負(fù)極,模擬負(fù)點電荷周圍的靜電場
解:用電流場模擬靜電場,在導(dǎo)電紙上必須形成電流。由于⑴、⑷兩個方案在導(dǎo)電紙上不會形成電流,因此設(shè)計不合理。⑵、⑶兩個設(shè)計是合理的。選BC。
2.描繪小電珠的伏安特性曲線
因為小電珠(即小燈泡)的電阻較?。?0Ω左右)所以應(yīng)該選用安培表外接法。
U/V
I/A
O
小燈泡的電阻會隨著電壓的升高,燈絲溫度的升高而增大,所以U-I曲線不是直線。為了反映這一變化過程,燈泡兩端的電壓應(yīng)該由零逐漸增大到額定電壓。所以滑動變阻器必須選用分壓接法。在上面實物圖中應(yīng)該選用右面的那個圖,開始時滑動觸頭應(yīng)該位于左端(使小燈泡兩端的電壓為零)。
由實驗數(shù)據(jù)作出的I-U曲線如右,說明燈絲的電阻隨溫度升高而增大,也就說明金屬電阻率隨溫度升高而增大。(若用U-I曲線,則曲線的彎曲方向相反。)
若選用的是標(biāo)有“3.8V 0.3A”的小燈泡,電流表應(yīng)選用0-0.6A量程;電壓表開始時應(yīng)選用0-3V量程,當(dāng)電壓調(diào)到接近3V時,再改用0-15V量程。
3.測定金屬的電阻率
由于該實驗中選用的被測電阻絲的電阻較小,所以測量電路應(yīng)該選用伏安法中的電流表外接法。本實驗對電壓的調(diào)節(jié)范圍沒有特殊要求,被測電阻又較小,因此供電電路可以選用限流電路。
本實驗通過的由于金屬的電阻率隨溫度的升高而變大,因此實驗中通電時間不能太長,電流也不宜太大,以免電阻絲發(fā)熱后電阻率發(fā)生較明顯的變化。由于選用限流電路,為保護(hù)電表和電源,閉合電鍵開始實驗前應(yīng)該注意滑動觸頭的位置,使滑動變阻器接入電路部分的電阻值最大。
【例4】在測定金屬的電阻率的實驗中,待測金屬導(dǎo)線的長約0.8m,直徑小于1mm,電阻在5Ω左右。實驗主要步驟如下:⑴用______測量金屬導(dǎo)線的長度l,測3次,求出平均值;⑵在金屬導(dǎo)線的3個不同位置上用______________測量直徑d,求出平均值;⑶用伏安法測量該金屬導(dǎo)線的電阻R。在左邊方框中畫出實驗電路圖,并把右圖中所給的器材連接成測量電路。安培計要求用0-0.6A量程,內(nèi)阻約1Ω;伏特計要求用0-3V量程,內(nèi)阻約幾kΩ;電源電動勢為6V;滑動變阻器最大阻值20Ω。在閉合電鍵前,滑動變阻器的滑動觸點應(yīng)處于正確位置。 根據(jù)以上測量值,得到該種金屬電阻率的表達(dá)式為ρ=__________。
解:⑴米尺;⑵螺旋測微器;⑶測量部分用安培表外接法,電源部分用限流電路或分壓電路都可以,電阻率 。
(b)
(a)
4.把電流表改裝為電壓表
⑴用圖(a)測定電流表內(nèi)阻rg,方法是:先斷開S2,閉合S1,調(diào)節(jié)R,使電流表滿偏;然后閉合S2,調(diào)節(jié)R/,使電流表達(dá)到半滿偏。當(dāng)R比R/大很多時,可以認(rèn)為rg=R/。(當(dāng)R比R/大很多時,調(diào)節(jié)R/基本上不改變電路的總電阻,可認(rèn)為總電流不變,因此當(dāng)電流表半滿偏時,通過R/的電流也是滿偏電流的一半,兩個分路的電阻相等)。實際上,S2閉合后,總電阻略有減小,總電流略有增大,當(dāng)電流表半滿偏時,通過R/的電流比通過電流表的電流稍大,即R/比rg稍小,因此此步測量的系統(tǒng)誤差,總是使rg的測量值偏小。其中R不必讀數(shù),可以用電位器,R/需要讀數(shù),所以必須用電阻箱。
根據(jù)rg、Ig和擴(kuò)大后的量程,計算出需要給電流表串聯(lián)的電阻R1的值。
⑵用(b)圖把改裝的電壓表和標(biāo)準(zhǔn)電壓表進(jìn)行校對。校對要每0.5V校對一次,所以電壓要從零開始逐漸增大,因此必須選用分壓電路。
百分誤差的計算:如果當(dāng)改裝電壓表示數(shù)為U時,標(biāo)準(zhǔn)電壓表示數(shù)為U / ,則這時的百分誤差為|U-U / | / U /。
如果校對時發(fā)現(xiàn)改裝電壓表的示數(shù)總是偏大,則應(yīng)該適當(dāng)增大R1的阻值(使表頭的分壓減小一些),然后再次重新進(jìn)行校對。
【例5】(04年科研)一個電壓表VA的內(nèi)阻RA=1000Ω,量程為1.0V,現(xiàn)要利用電阻箱擴(kuò)大它的量程,改裝成量程為3.0V的電壓表。改裝后,再用一量程為3.0V的精確的電壓表VB對其所有刻度進(jìn)行校準(zhǔn)。除了這兩個電壓表VA、VB外,還有下列一些器材
電源 E(電動勢約為6V,內(nèi)阻較小)
變阻器 R(總電阻約10Ω)
電阻箱 R0(1-9999Ω)
電鍵 K
導(dǎo)線若干
(1)圖是以上器材和兩個電壓表VA、VB的實物示意圖,試在圖中畫出連線,連成進(jìn)行校準(zhǔn)時的實驗電路。
(2)圖中電阻箱的取值等于 Ω
(3)用上述電壓表VB和改裝后并已校準(zhǔn)過的電壓表(以下稱為VC)以及一個電鍵和一些導(dǎo)線,去測量一個電動勢大約為2V的電源的內(nèi)阻r。
寫出簡要測量步驟,并用測得的量寫出r的公式。
解:答案:① 如圖所示 ② 2000
③將電壓表Vc通過電鍵、導(dǎo)線與電源連接,讀出VC上的示數(shù)UC;再將電壓表Vc和VB串聯(lián),通過電鍵、導(dǎo)線與電源連接,讀出VC上的示數(shù)UC′和VB上的示數(shù)UB。
r =(Ω)
V
A
R
S
5.用電流表和電壓表測電池的電動勢和內(nèi)電阻
I/A
U/V
o
0.2 0.4 0.6
3.0
2.0
1.0
實驗電路如右。根據(jù)閉合電路歐姆定律:E=U+Ir,本實驗電路中電壓表的示數(shù)是準(zhǔn)確的,而電流表的示數(shù)比通過電源的實際電流小,所以本實驗的系統(tǒng)誤差是由電壓表的分流引起的。為了減小這個系統(tǒng)誤差, 滑動變阻器R的阻值應(yīng)該小一些,所選用的電壓表的內(nèi)阻應(yīng)該大一些。
為了減小偶然誤差,要多做幾次實驗,多取幾組數(shù)據(jù),然后利用U-I圖象處理實驗數(shù)據(jù)。將點描好后,用直尺畫一條直線,使盡可能多的點落在這條直線上,而且在直線兩側(cè)的點數(shù)大致相等。這條直線代表的U-I關(guān)系的偶然誤差比每一組實驗數(shù)據(jù)的偶然誤差都小。這條直線在U軸上的截距就是被測電源電動勢E(對應(yīng)的I=0),斜率的絕對值就是被測電源的內(nèi)阻r。(特別要注意:有時縱坐標(biāo)的起始點不是0,求內(nèi)阻的一般式應(yīng)該是r=|ΔU/ΔI |)。
變阻器
安培表
伏特表
電 池
電 鍵
【例6】在用電流表和電壓表測電池的電動勢和內(nèi)電阻的實驗中,所用的電流表和電壓表的內(nèi)阻分別約為0.1Ω和1kΩ。右邊為實驗原理圖,下邊為所需器材的實物圖。試按原理圖在實物圖中畫線連接成實驗電路。
V
A
U/V
I/A
0 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70
1.00
1.10
1.20
1.30
1.40
1.50
I(A)
0.12
0.20
0.31
0.32
0.50
0.57
U(V)
1.37
1.32
1.24
1.18
1.10
1.05
一位同學(xué)在實驗中記錄的6組數(shù)據(jù)如上表所示,試根據(jù)這些數(shù)據(jù)在右圖中畫出U-I圖線。根據(jù)圖線可讀出被測電池的電動勢E=____V,內(nèi)電阻r=___Ω。
解:1.46,0.719
6.用多用電表探索黑箱內(nèi)的電學(xué)元件。(二冊265-266頁)
設(shè)定黑箱上有三個接點,兩個接點間最多只能接一個元件;黑箱內(nèi)所接的元件不超過兩個。
測量步驟和判定:⑴用直流電壓擋測量,A、B、C三點間均無電壓;說明箱內(nèi)無電源。⑵用歐姆擋測量,A、C間正、反接阻值不變,說明A、C間有一個電阻。⑶用歐姆擋測量,黑表筆接A紅表筆接B時測得的阻值較小,反接時測得的阻值較大,說明箱內(nèi)有一個二極管,可能在AB間,也可能在BC間,如右圖中兩種可能。⑷用歐姆擋測量,黑表筆接C紅表筆接B測得阻值比黑表筆A紅表筆接B時測得的阻值大,說明二極管在AB間。所以黑箱內(nèi)的兩個元件的接法肯定是右圖中的上圖。
練習(xí)用多用電表測電阻
⑴使用前應(yīng)看一下指針是否指在刻度盤左端的零刻線處。如果不在,就應(yīng)該進(jìn)行機(jī)械調(diào)零:用小螺絲刀輕旋表頭正下方中央處的調(diào)零螺絲,使指針指左端零刻線。
⑵根據(jù)被測物理量及其數(shù)量級將選擇開關(guān)旋到相應(yīng)的位置。讀數(shù)時還要注意選用刻度盤上對應(yīng)的量程刻度。(如測量20mA左右的直流電流,應(yīng)將選擇開關(guān)對準(zhǔn)左邊100mA量程處,在刻度盤上,應(yīng)該看最下方的刻度,即滿偏刻度為10的刻度線,從刻度盤讀出數(shù)據(jù)后還應(yīng)再乘10,得測量結(jié)果。)
~
Ω
Ω
1k 100 10 1
Ω
OFF
2.5 10 50 250 500
2.5
50
mA
100
10
1
500
10
250
V
~
+
V
⑶使用歐姆擋時,在選好倍率后,還必須進(jìn)行歐姆調(diào)零。方法是:將紅、黑表筆短接,調(diào)節(jié)歐姆調(diào)零旋鈕,使指針指右端零刻線處。因此用多用電表的歐姆擋測電阻的操作步驟是:⑴選擋。一般比被測電阻的估計值低一個數(shù)量級,如估計值為200Ω就應(yīng)該選10的倍率。⑵進(jìn)行歐姆調(diào)零。⑶將紅黑表筆接被測電阻兩端進(jìn)行測量。⑷將指針示數(shù)乘以倍率,得測量值。⑸將選擇開關(guān)扳到OFF或交流電壓最高擋。
用歐姆擋測電阻,如果指針偏轉(zhuǎn)角度太?。粗羔?biāo)傅目潭戎堤螅?,?yīng)該增大倍率重新調(diào)零后再測;如果指針偏轉(zhuǎn)角度太大(即指針?biāo)傅目潭戎堤。瑧?yīng)該減小倍率重新調(diào)零后再測。
⑷使用多用電表時,兩只手只能握住表筆的絕緣棒部分,不能接觸表筆上的金屬部分。
~
Ω
Ω
1k 100 10 1
Ω
OFF
2.5 10 50 250 500
2.5
50
mA
100
10
1
500
10
250
V
~
+
V
【例7】多用電表表頭的示意圖如右。在正確操作的情況下:
⑴若選擇開關(guān)的位置如灰箭頭所示,則測量的物理量是______,測量結(jié)果為___________。
⑵若選擇開關(guān)的位置如白箭頭所示,則測量的物理量是______,測量結(jié)果為___________。
⑶若選擇開關(guān)的位置如黑箭頭所示,則測量的物理量是______,測量結(jié)果為___________。
⑷若選擇開關(guān)的位置如黑箭頭所示,正確操作后發(fā)現(xiàn)指針的偏轉(zhuǎn)角很小,那么接下來的正確操作步驟應(yīng)該依次為:___________,____________,____________。
⑸全部測量結(jié)束后,應(yīng)將選擇開關(guān)撥到__________或者_(dá)__________。
⑹無論用多用電表進(jìn)行何種測量(限于直流),電流都應(yīng)該從色_____表筆經(jīng)_____插孔流入電表。
解:⑴直流電壓,12.4V。⑵直流電流,49mA。⑶電阻,17kΩ。⑷該用1kΩ倍率,重新調(diào)零,將紅黑表筆分別接觸被測電阻的兩根引線,讀出指針?biāo)缚潭?,再乘以倍率得測量值。⑸OFF,交流電壓500V檔位置。⑹紅,正
四、重要的演示實驗
1.平行板電容器的電容
靜電計是測量電勢差的儀器。指針偏轉(zhuǎn)角度越大,金屬外殼和上方金屬小球間的電勢差越大。在本實驗中,靜電計指針和A板等電勢,靜電計金屬殼和B板等電勢,因此指針偏轉(zhuǎn)角越大表示A、B兩極板間的電壓越高。
本實驗中,極板帶電量保持不變。三個圖依次表示:正對面積減小時電壓增大;板間距離增大時電壓增大;插入電介質(zhì)時電壓減小。由知,這三種情況下電容分別減小、減小、增大。因此可以確定C和S、d、ε的關(guān)系是。
2.磁電式電表原理
圓柱形鐵芯的作用是在磁鐵兩極和鐵芯間
生成均勻地輻向分布的磁場。不管線圈轉(zhuǎn)到什么角度,線圈平面都跟磁感線平行,線圈受到的安培力矩的大小只跟電流大小成正比。線圈繞在鋁框上,線圈的兩端分別和兩個螺旋彈簧相接,被測電流由這兩個彈簧流入線圈。鋁框可以起到電磁阻尼的作用。指針偏轉(zhuǎn)方向與電流方向有關(guān)。因此根據(jù)指針偏轉(zhuǎn)方向,可以知道被測電流方向。
3.研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象
首先要查明電流表指針偏轉(zhuǎn)方向和電流方向的關(guān)系(方法與畫電場中平面上等勢線實驗相同)。
電鍵閉合和斷開時、電鍵閉合后滑動變阻器的滑動觸頭移動過程中、電鍵閉合后線圈A在B中插入、拔出時,都會發(fā)現(xiàn)電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn),說明有感應(yīng)電流產(chǎn)生。而電鍵保持閉合、滑動觸頭不動、線圈A 在B中不動時,電流表指針都不動,說明無感應(yīng)電流產(chǎn)生。
結(jié)論:閉合電路中有感應(yīng)電流產(chǎn)生的充分必要條件是穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化。
五、設(shè)計實驗舉例
1
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1
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10
10000
100000
1000
【例8】 利用如圖所示的一只電壓表、一個電阻箱和一個電鍵,測量一個電池組的電動勢和內(nèi)電阻。請畫出實驗電路圖,并用筆畫線作導(dǎo)線將所給器材連接成實驗電路。用記錄的實驗數(shù)據(jù)寫出電動勢和內(nèi)電阻的表達(dá)式。
解:與學(xué)生實驗相比,用電阻箱代替了電流表。由于電壓可測,由電壓、電阻就可以算出電流(這個電流是通過電阻箱的電流,比通過電池的電流偏小,系統(tǒng)誤差是由電壓表的分流造成的)。電路圖如下。實驗步驟是:
⑴按電路圖接好實驗電路
⑵改變電阻箱阻值,分別讀出兩組電阻箱阻值和對應(yīng)的路端電壓值R1、U1、R2、U2。
V
1
7
6
5
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3
2
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10000
100000
1000
⑶根據(jù)閉合電路歐姆定律列出與這兩組數(shù)據(jù)相對應(yīng)的方程:
。
⑷解方程組可得E和r:
如果只給出電阻箱和電流表,用類似的方法同樣可以測量電源的電動勢和內(nèi)電阻。
【例9】 電橋法測電阻。利用給出的電路圖和器材(G為靈敏電流表,R0為阻值均勻的電阻絲,R為已知阻值的定值電阻,Rx為被測電阻)。要求利用這些器材測未知電阻Rx。⑴實驗中還需要什么測量儀器?⑵將實物連成電路圖。⑶寫出測量Rx的實驗步驟,并寫出利用測量數(shù)據(jù)表示Rx的表達(dá)式。
G
Rx
R
R0
L1 L2
RX
R
R0
P
解:⑴還需要米尺(測量左右兩部分電阻絲的長度L1、L2)。
⑵實物連接圖略。⑶按圖接好電路后,移動滑動觸頭P,使電流表指針指在中央零刻度處。用刻度尺測量P點兩邊電阻絲的長度L1、L2;由RX∶R=L1∶L2得。
【例10】下右圖中的P是一根表面均勻地鍍有一層很薄的電阻膜的長陶瓷管(碳膜布滿圓柱體的外側(cè)面)。陶瓷管的長度約為50cm,外徑約為6cm,所用電阻膜材料的電阻率已知為ρ,管的兩端有導(dǎo)電箍M、N。該電阻的長度就是陶瓷管的長度,其截面積可看作等于膜的厚度與圓周長的乘積?,F(xiàn)有器材為:A.米尺、B.游標(biāo)卡尺、C.螺旋測微器、D.電壓表、E.電流表、F.電池組、G.滑動變阻器、H.電阻箱、I.電鍵和導(dǎo)線。請你設(shè)計一個測量該電阻膜厚度d的實驗方案。
⑴所須選用的器材有:__________________(填器材前的字母即可)。
⑵所須測量的物理量有:_____ 、_____、 _____、 _____。
⑶根據(jù)實驗測得的以上數(shù)據(jù)計算電阻膜厚度d的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:d=________________。
⑷在左下圖的方框中畫出實驗電路圖(MN間的電阻膜的電阻約幾個kΩ,滑動變阻器的總阻值為50Ω)。并將右下圖中的實物按電路圖連接起來(有3根導(dǎo)線已經(jīng)連好,不得改動)。
M
N
P
mA
V
E
A
R1
R2 K2
K1
解:⑴A(用來測量MN間的長度)、B(用來測量陶瓷管的外徑)、D、E、F、G、I(以上用來測量電阻膜的阻值) ⑵MN間距離L、管的外徑D、電流I、電壓U ⑶ ⑷測量大電阻所以要采用電流表內(nèi)接法;由于被測電阻阻值遠(yuǎn)大于滑動變阻器的總阻值,所以只有采用分壓電路才能做到多取幾組數(shù)據(jù)測電阻值,減小偶然誤差。
【例11】在實驗室中,往往利用半偏法測量電流表或電壓表的內(nèi)阻。測量電路圖如下。E為電源,其電動勢為E。R1為總阻值較大的滑動變阻器。R2為電阻箱。A為被測電流表。用此電路,經(jīng)以下步驟可近似測得電流表的內(nèi)阻RA:①閉合K1,斷開K2,調(diào)節(jié)R1,使電流表讀數(shù)等于其量程I0;②保持R1不變,閉合K2,調(diào)節(jié)R2,使電流表讀數(shù)等于I0/2;③讀出R2的值,則RA=R2。⑴按照電路圖在右邊實物圖所給出的實物圖中畫出連接導(dǎo)線。⑵若電源的內(nèi)阻忽略不計,試分析該實驗的系統(tǒng)誤差總是使電表內(nèi)阻的測量值比其真實值偏大還是偏???
μA
K2
K2
解:⑴圖略。⑵閉合K2后,回路的總電阻減小,總電流將增大。因此當(dāng)電流表讀數(shù)等于I0/2時,通過電阻箱的電流將略大于I0/2,實際上電阻箱的電阻比表頭電阻小一些,也就是說測量值比真實值偏小。
【例12】用伏安法測電阻時,由于電壓表、電流表內(nèi)阻的影響,測量結(jié)果總存在系統(tǒng)誤差。按下圖所示的電路進(jìn)行測量,可以消除這種系統(tǒng)誤差。
⑴該實驗的第一步是:閉合電鍵S1,將電鍵S2接2,調(diào)節(jié)滑動變阻器RP和r,使電壓表讀數(shù)盡量接近滿量程,讀出這時電壓表和電流表的示數(shù)U1、I1;請你接著寫出第二步,并說明需要記錄的數(shù)據(jù):_________________________。
RP
V
A
S2
1
RX
r
S1
2
V
A
S2
S1
RP
RX
⑵由以上記錄數(shù)據(jù)計算被測電阻RX的表達(dá)式是RX=___________。
⑶將右圖中給出的儀器按照電路圖的要求連接起來。
解:⑴將電鍵S2接1,讀出這時電壓表和電流表的示數(shù)U2、I2。⑵ ⑶圖略。
U/V
I/A
o
【例13】 某同學(xué)選用一只標(biāo)有“3.8V 0.3A”的小燈泡,用電流表和電壓表測量它在不同電壓下的電流,從而計算出它在不同電壓下的實際電阻值。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出的I-U圖象如圖。⑴從圖象看出,電壓越高對應(yīng)的實際電阻值越_____,這說明燈絲材料的電阻率隨溫度的升高而________。⑵若實驗室提供的器材是:電動勢為6V,內(nèi)阻很小的鉛蓄電池;量程0-0.6-3A的直流電流表;量程0-3-15V的直流電壓表;最大阻值10Ω的滑動變阻器;一只電鍵和若干導(dǎo)線。請畫出正確的實驗電路圖。并標(biāo)出開始實驗時所用的電表量程和滑動變阻器滑動觸頭的位置。
解:⑴曲線上每一點和原點的連線的斜率的倒數(shù)表示該時刻對應(yīng)的燈絲電阻。由圖象可知隨著電壓的升高燈絲的電阻增大。這說明燈絲材料的電阻率隨溫度的升高而增大。⑵正常工作時燈絲的電阻才十幾個歐姆,電壓低時電阻更小,所以應(yīng)作為小電阻處理,測量部分應(yīng)該用外接法。燈絲兩端的電壓要求從零開始逐漸增大,所以供電部分必須采用分壓電路。開始時電流表量程應(yīng)選用0.6A,電壓表量程應(yīng)選用3V(快要超過3V時再改用15V量程),滑動變阻器滑動觸頭的位置應(yīng)使燈絲兩端分到的電壓為零。
【例14】隨著居民生活水平的提高,純凈水已經(jīng)進(jìn)入千家萬戶。某市對市場上出售的純凈水質(zhì)量進(jìn)行了抽測,結(jié)果發(fā)現(xiàn)競有九成樣品的細(xì)菌超標(biāo)或電導(dǎo)率不合格(電導(dǎo)率是電阻率的倒數(shù),是檢驗純凈水是否合格的一項重要指標(biāo))。⑴不合格的純凈水的電導(dǎo)率一定是偏_____(填大或?。?。⑵對純凈水樣品進(jìn)行檢驗所用的設(shè)備原理如圖所示,將采集的水樣裝入絕緣性能良好的塑料圓柱形容器內(nèi),容器兩端用金屬圓片電極密封。請把檢測電路連接好(要求測量盡可能準(zhǔn)確,已知水的電導(dǎo)率遠(yuǎn)小于金屬的電導(dǎo)率,所用滑動變阻器的阻值較?。?。
解:⑴純水的電阻率是很大的,因此電導(dǎo)率是很小的。不合格的純凈水一定是含有雜質(zhì),因此電導(dǎo)率偏大。⑵測量部分用內(nèi)接法,供電部分用分壓電路。
A B C
6.如圖所示,一只黑箱有A、B、C三個接線柱,規(guī)定每兩個接線柱間最多只能接一個電器元件。并且已知黑箱內(nèi)的電器元件是一只電阻和一只二極管。某同學(xué)利用多用電表的歐姆擋,用正確的操作方法依次進(jìn)行了6次測量,將每次紅、黑表筆的位置和測得的阻值都填入了下表。
紅表筆接
A
A
B
B
C
C
黑表筆接
B
C
A
C
A
B
測得阻值(Ω)
100
10k
100
10.1k
90
190
由表中的數(shù)據(jù)可以判定:⑴電阻接在_______兩點間,阻值為________Ω。⑵二極管接在_______兩點間,其中正極接在_____點。二極管的正向阻值為______Ω,反向阻值為______Ω。
解:⑴電阻與電流方向無關(guān),所以AB間為電阻,阻值為100Ω。⑵阻值最大的是電流從B到C的時候,這個電阻值一定是二極管的反向電阻而且二極管一定在AC間,又因為用歐姆表時,電流從黑表筆流出,紅表筆流入,所以AC間電阻小的時侯黑表筆接的是正極,即A為正極。⑶二極管正向電阻90Ω,反向電阻10kΩ。
7.如圖所示,是用高電阻放電法測電容的實驗電路圖。其原理是測出電容器在充電電壓為U時所帶的電荷量Q,從而求出其電容C。該實驗的操作步驟如下:⑴按電路圖接好實驗電路;⑵接通電鍵S,調(diào)節(jié)電阻箱R的阻值,使微安表的指針接近滿刻度.記下這時的電壓表讀數(shù)U0=6.2V和微安表讀數(shù)I0=490μA;⑶斷開電鍵S并同時開始計時,每隔5s或10s讀一次微安表的讀數(shù)i,將讀數(shù)記錄在預(yù)先設(shè)計的表格中;⑷根據(jù)表格中的12組數(shù)據(jù),以t為橫坐標(biāo),i為縱坐標(biāo),在坐標(biāo)紙上描點(右圖中用“”表示)。根據(jù)以上實驗結(jié)果和圖象,可以估算出當(dāng)電容器兩端電壓為U0時該電容器所帶的電荷量Q0約為_________C,從而算出該電容器的電容約為________F。
解:按照圖中的點,用光滑曲線把它們依次連接起來,得到i-t圖線,圖線和橫軸所圍的面積就是放電量,即原來電容器的帶電量。每小格相當(dāng)于2.510-4C,用四舍五入法數(shù)得小方格有32個,所以Q0=810-3C。再由C= Q0/ U0,得C=1.310-3F。
i/ A
μA
0 20 40 60 80 t/s
600
500
400
300
200
100
V
S
C
R
A
μ