高中物理電學實驗
【知識梳理】
一、描繪小燈泡的伏安特性曲線
1、實驗原理
在純電阻電路中，電阻兩端的電壓與通過電阻的電流是線性關係，但在實際電路中，由於各種因素的影響，u—i影象不再是一條直線。讀出若干組小燈泡的電壓u和電流i，然後在座標紙上以u為縱軸，以i為橫軸畫出u—i曲線。
2、實驗步驟
（1）、適當選擇電流錶，電壓表的量程，採用電流錶的外接法，按圖中所示的原理電路圖連線好實驗電路圖。
（2）、滑動變阻器採用分壓接法，把滑動變阻器的滑動片調至滑動變阻器的a端，電路經檢查無誤後，閉合電鍵s。
（3）、改變滑動變阻器滑動片的位置，讀出幾組相應的電流錶、電壓表的示數i和u，記入記錄**內，斷開電鍵s；
（4）、在座標紙上建立乙個直角座標系，縱軸表示電流i，橫軸表示電壓u，用平滑曲線將各點連線起來，便得到伏安特性曲線。
（5）、拆去實驗線路，整理好實驗器材。
3、注意事項
（1）、因本實驗要作出i—u圖線，，要求測出一組包括零在內的電壓、電流值，因此，變阻器要採用分壓接法；
（2）、本實驗中，因被測小燈泡電阻較小，因此實驗電路必須採用電流錶外接法；
（3）、電鍵閉合後，調節變阻器滑片的位置，使小燈泡的電壓逐漸增大，可在電壓表讀數每增加乙個定值（如0.5v）時，讀取一次電流值；調節滑片時應注意使電壓表的示數不要超過小燈泡的額定電壓；
（4）、電鍵閉合前變阻器滑片移到圖中的a端；
（5）、座標紙上建立座標系，橫座標所取的分度例應該適當，盡量使測量資料畫出的圖線佔滿座標紙。連線一定用平滑的曲線，不能畫成折線。
4、誤差分析
（1）、測量電路存在系統誤差，未考慮電壓表的分流，造成測得的i值比真實值偏大；
（2）、描繪i—u線時作圖不準確造成的偶然誤差。
5、知識延伸
電流錶的解法：
（1）內接法：如圖所示，待測電阻的測量值：
顯然所以
當時，，系統的相對誤差很小，可以忽略不計，所以內接法適用於測量高阻值電阻。
（2）外接法：如圖所示，待測電阻的測量值：
顯然有：所以當時，，，系統的相對誤差忽略，所以外接法適用於測量低阻值電阻。
（3）試觸法選擇內、外接法：具體方法是，在如圖所示的電路中，改變電表的連線方式，拿電壓表的乙個接線柱分別接觸m、n兩點，觀察電壓表和電流錶的示數變化，如果電流錶變化明顯，說明電壓表內阻對電路影響較大，應採用內接法；如果電壓表變化明顯，說明電流錶內阻對電路影響較大，應採用外接法。滑動變阻器的限流接法和分壓接法：
滑動變阻器的兩種電路連線都能控制調節負載的電流和電壓，但在相同條件下調節效果不同，實際應用中要根據具體情況恰當的選擇限流接法和分壓接法。
（1）通常情況下（滿足安全條件），由於限流電路能耗較小，電路結構簡單，因此應優先考慮。
（2）在下列情況下必須採用分壓接法。
①要使某部分電路的電壓或電流從零開始連續調節，只有分壓接法才能滿足。
②如果實驗所提供的電表量程或其它元件允許通過的最大電流很小，若採用限流接法，無論怎樣調節，電路中實際電流（或電壓）都會超過電表量程或元件允許的最大電流（或電壓），為了保護電表或其它元件，必須採用分壓接法。
③伏安法測電阻實驗中，當滑動變阻器的阻值遠小於待測電阻時，若採用限流接法，待測電阻上的電流（或電壓）變化很小，不利於多次測量求平均值或用影象處理資料，也起不到保護用電器的作用，應選用分壓接法。
【例1】某研究性學習小組為了製作一種感測器，需要選用一電器元件。圖為該電器元件的伏安特性曲線，有同學對其提出質疑，先需進一步驗證該伏安特性曲線，實驗室備有下列器材：
①為提高實驗結果的準確程度，電流錶應選用 ；電壓表應選用滑動變阻器應選用以上均填器材代號）
②為達到上述目的，請在虛線框內畫出正確的實驗電路原理圖，並標明所用器材的代號。
③若發現實驗測得的伏安特性曲線與圖中曲線基本吻合，請說明該伏安特性曲線與小電珠的伏安特性曲線有何異同點？
相同點不同點
解析：①影象中電流0～0.14a，電流錶選a2；電源電壓6v，但影象只要求電壓在0～3v之間調整，為了測量準確電壓表選v1；由於繪製影象的需要，要求電壓從0～3v之間調整，所以滑動變阻器只能採用分壓式接法，為了能很好調節電壓，滑動變阻器應選用阻值較小的r1。
②該元件約幾十ω，，電壓表的分流作用可以忽略，所以採用電流錶外接法；實驗資料的採集要求從零開始，所以滑動變阻器採用分壓式接法。
③從影象的形狀和斜率變化趨勢上去找相同點和不同點，突出都是「非線性」，影象上某點與原點連線的斜率是電阻的倒數。
二、電壓表和電流錶
1、電流錶原理和主要引數
電流錶g是根據通電線圈在磁場中受磁力矩作用發生偏轉的原理製成的，且指什偏角θ與電流強度i成正比，即θ＝ki，故表的刻度是均勻的。電流錶的主要引數有，表頭內阻rg：即電流錶線圈的電阻；滿偏電流ig：
即電流錶允許通過的最大電流值，此時指標達到滿偏；滿偏電壓u：即指標滿偏時，加在表頭兩端的電壓，故ug＝igrg
2、半偏法測電流錶內阻rg
方法：合上s1，調整r的阻值，使電轉到滿流表指標刻度，再合上開關s2，調整r′的阻值（不可再改變r），使電流錶指標偏轉到正好是滿刻度的一半，可以認為rg = r′。 條件:
當 r比r′大很多
3、電壓表的改裝
（1）原理：很小，不能直接換刻度測電壓，需要串聯乙個如圖所示的分壓電阻。
（2）分壓電阻的計算：由串聯電路的特點知：
則： 因為電壓擴大表頭量程的倍數：所以
注：相同的表頭改裝成的不量程的電壓表串聯，指標偏轉角度相同。
4、電流錶的改裝
（1）原理：很小，不能直接換刻度測電流，需要併聯乙個如圖所示的分流電阻。
（2）分流電阻的計算：由併聯電路的特點知則：因為電流擴大表頭量程的倍數：所以
注：相同表頭改裝成量程不同的電流錶併聯，指標偏轉角度相同。
三、測量電源電動勢和電阻
1. 實驗原理
根據閉合電路的歐姆定律，其方法有：
（1）如圖甲所示，改變變阻器的阻值，從電流錶、電壓表中讀出幾組u和i的值，由可得，。
（2）為減小誤差，至少測出六組u和i值，且變化範圍要大些，然後在u—i圖中描點作圖，由圖線縱截距和斜率找出e，，如圖乙所示。
2. 實驗步驟
（1）恰當選擇實驗器材，照圖連好實驗儀器，使開關處於斷開狀態且滑動變阻器的滑動觸頭滑到使接入電阻值最大的一端。
（2）閉合開關s，接通電路，記下此時電壓表和電流錶的示數。
（3）將滑動變阻器的滑動觸頭由一端向另一端移動至某位置，記下此時電壓表和電流錶的示數。
（4）繼續移動滑動變阻器的滑動觸頭至其他幾個不同位置，記下各位置對應的電壓表和電流錶的示數。
（5）斷開開關s，拆除電路。
（6）在座標紙上以u為縱軸，以i為橫軸，作出u—i圖象，利用圖象求出e、r。
3. 實驗誤差分析
（1）偶然誤差：主要**於電壓表和電流錶的讀數以及作u—i圖象時描點不很準確。
（2）系統誤差：系統誤差**於未計電壓表分流，近似地將電流錶的示數看作幹路電流。實際上電流錶的示數比干路電流略小。
如果由實驗得到的資料作出圖中實線（a）所示的圖象，那麼考慮到電壓表的分流後，得到的u—i圖象應是圖中的虛線（b），由此可見，按圖所示的實驗電路測出的電源電動勢，電源內電阻。
說明：①外電路短路時，電流錶的示數（即干路電流的測量值）等於幹路電流的真實值，所以圖中（a）、（b）兩圖線交於短路電流處。②當路端電壓（即電壓表示數）為時，由於電流表示數小於幹路電流，所以（a）、（b）兩圖線出現了圖中所示的差異。
4. 注意事項
（1）電流錶要與變阻器靠近，即電壓表直接測量電源的路端電壓。
（2）選用內阻適當大一些的電壓表。
（3）兩表應選擇合適的量程，使測量時偏轉角大些，以減小讀數時的相對誤差。
（4）盡量多測幾組u、i資料（一般不少於6組），且資料變化範圍要大些。
（5）作u—i圖象時，讓盡可能多的點落在直線上，不落在直線上的點均勻分布在直線兩側。
5. 資料處理的方法
（1）本實驗中，為了減小實驗誤差，一般用圖象法處理實驗資料，即根據各次測出的u、i值，作u—i圖象，所得圖線延長線與u軸的交點即為電動勢e，圖線斜率的值即為電源的內阻r，即。
（2）應注意當電池內阻較小時，u的變化較小，圖象中描出的點呈現如圖（甲）所示狀態，下面大面積空間得不到利用，所描得的點及作出的圖線誤差較大。為此，可使縱軸不從零開始，如圖（乙）所示，把縱座標比例放大，可使結果誤差小些。此時，圖線與縱軸的交點仍代表電源的電動勢，但圖線與橫軸的交點不再代表短路狀態，計算內阻要在直線上選取兩個相距較遠的點，由它們的座標值計算出斜率的絕對值，即為內阻r。
6. 實驗儀器的選擇
本實驗的系統誤差**於未計電壓表的分流。為減小該誤差，需要減小電壓表的分流。減小電壓表分流的方法有二方面，一是選取阻值範圍小的滑動變阻器，二是在滿足量程要求的前提下選取內阻較大的電壓表。
由於選用了阻值範圍小的滑動變阻器，所以電路中電流較大，因而，還需要滑動變阻器的額定電流較大。綜上所述，本實驗中滑動變阻器的選擇原則是：阻值範圍較小而額定電流較大；電壓表的選擇原則是：
在滿足量程要求的前提下選取內阻較大的；電流錶的選擇需根據電源電動勢和選用的滑動變阻器來確定。
【例2】某同學通過查詢資料自己動手製作了乙個電池。該同學想測量一下這個電池的電動勢e 和內電阻，但是從實驗室只借到乙個開關、乙個電阻箱（最大阻值為9.999，科當標準電阻用） 乙隻電流錶（量程=0.
6a,內阻）和若干導線。
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