以原理為支點(diǎn)，輕松撬動(dòng)電學(xué)實(shí)驗(yàn)

■甘肅省天水市二中 丁 震

以原理為支點(diǎn)，輕松撬動(dòng)電學(xué)實(shí)驗(yàn)

■甘肅省天水市二中 丁 震

高二物理中的電學(xué)實(shí)驗(yàn)頗多,如電表的改裝、半偏法測(cè)量電表的內(nèi)阻、用伏安法描繪小燈泡的伏安特性曲線、測(cè)量金屬絲的電阻率、測(cè)定電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻、練習(xí)使用多用電表等。同學(xué)們?nèi)粝胧炀氄莆諏?shí)驗(yàn)內(nèi)容,則需從實(shí)驗(yàn)原理入手,提綱挈領(lǐng)地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的復(fù)習(xí)。

一、以串聯(lián)和并聯(lián)為原理的實(shí)驗(yàn)

1.電流表改裝的實(shí)驗(yàn)原理。

把小量程的電流表G改裝成大量程的電流表,所依據(jù)的是并聯(lián)分流原理,實(shí)驗(yàn)原理電路如圖1所示。由IgRg=(IIg)R得分流電阻R=因?yàn)镮-Ig＞ Ig,所以R＜Rg,可見,要并聯(lián)一個(gè)小電阻作為分流電阻。由IgRg=因此放大倍數(shù)n=分流電阻越小,改裝后的電流表量程越大。

例1 有一個(gè)電流表G,內(nèi)阻Rg= 2 5Ω,滿偏電流Ig=3mA,要把它改裝成量程為0～0.6A的電流表,求分流電阻R和放大倍數(shù)n。

圖1

2.電壓表改裝的實(shí)驗(yàn)原理。

把小量程的電流表G改裝成電壓表,所依據(jù)的是串聯(lián)分壓原理,實(shí)驗(yàn)原理電路如圖2所示。由得分壓電阻R因?yàn)閁-Ug＞Ug,所以R＞ Rg,可見,要串聯(lián)一個(gè)大電阻作為分壓電阻。由得U= (R+Rg)Ig,因此放大倍數(shù)。分壓電阻越大,改裝后的電壓表量程越大。

圖2

例2 有一個(gè)電流表G,內(nèi)阻Rg=1 0Ω,滿偏電流Ig=3mA,要把它改裝成量程為0～3V的電壓表,求分壓電阻R和放大倍數(shù)n。

3.多用電表具有多個(gè)擋位的原理。

多用電表共用一個(gè)表頭,電流表、電壓表和歐姆表都是由靈敏電流計(jì)改裝而成的。多用電表的內(nèi)部電路如圖3所示。

(1)開關(guān)S與1、2相連時(shí),是多用電表的電流擋。并聯(lián)分流電阻越小,電流表的量程越大。

(2)開關(guān)S與5、6相連時(shí),是多用電表的電壓擋。串聯(lián)分壓電阻越大,電壓表的量程越大。

(3)開關(guān)S與3、4相連時(shí),是多用電表的歐姆擋。

4.半偏法測(cè)量電表內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)原理。

(1)用串聯(lián)分壓原理測(cè)量電壓表的內(nèi)阻。

如圖4所示,電壓表V的內(nèi)阻RV待測(cè),所用儀器有電源E、滑動(dòng)變阻器R(采用分壓式)、電阻箱R1(與電壓表串聯(lián))、開關(guān)S。必須滿足的條件是R?R1。

圖3

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：先把滑動(dòng)變阻器的滑片滑到最右端,閉合開關(guān)S,調(diào)節(jié)電阻箱的阻值使之為零,然后向左移動(dòng)滑片,使電壓表V的指針剛好達(dá)到滿偏。再將電阻箱的阻值逐漸變大,使電壓表的指針恰好指到滿刻度的一半處,即半偏位置,這時(shí)電阻箱的阻值就是待測(cè)電壓表內(nèi)阻的測(cè)量值。

注意：采用這種方法測(cè)出的電壓表內(nèi)阻的測(cè)量值大于真實(shí)值。

例3 一只量程為1V,內(nèi)阻RV約為9 0 0Ω的電壓表是由小量程電流表改裝而成的,現(xiàn)在要測(cè)量它的內(nèi)阻。實(shí)驗(yàn)室提供了以下器材：

A.待測(cè)電壓表;

B.標(biāo)準(zhǔn)電壓表(量程為1V);

C.滑動(dòng)變阻器(最大阻值為10 0 0Ω,額定電流為1A);

D.滑動(dòng)變阻器(最大阻值為1 0Ω,額定電流為1A);

E.電阻箱(最大阻值為9 9 9.9Ω,阻值最小改變量為0.1Ω);

F.電阻箱(最大阻值為9 9.9Ω,阻值最小改變量為0.1Ω);

G.電池組(電動(dòng)勢(shì)為3V,內(nèi)阻約為1Ω)。

另外有導(dǎo)線和開關(guān)若干。

圖4

為了用半偏法測(cè)量該電壓表的內(nèi)阻,某同學(xué)設(shè)計(jì)了兩種電路,如圖5所示,要使測(cè)量較精確,應(yīng)選擇電路。除電池組、導(dǎo)線、開關(guān)和待測(cè)電壓表外,還應(yīng)從提供的器材中選用(用器材前的序號(hào)字母表示)。用上述方法測(cè)出的電壓表內(nèi)阻的測(cè)量值RV(選填“大于”“等于”或“小于”)電壓表內(nèi)阻的真實(shí)值。

圖5

解析：甲圖適合測(cè)量電流表的內(nèi)阻,乙圖適合測(cè)量電壓表的內(nèi)阻。除電池組、導(dǎo)線、開關(guān)和待測(cè)電壓表外,還應(yīng)從提供的器材中選用一個(gè)滑動(dòng)變阻器和一個(gè)變阻箱。因?yàn)榛瑒?dòng)變阻器采用分壓式,所以應(yīng)該選滑動(dòng)變阻器D;電阻箱應(yīng)該選擇和電壓表內(nèi)阻相當(dāng)?shù)碾娮柘銭。因?yàn)殡娮柘渑c待測(cè)電壓表串聯(lián),與滑動(dòng)變阻器的一部分并聯(lián),當(dāng)電壓表在半偏位置時(shí),電阻箱分擔(dān)的電壓比半偏值略大,所以用上述方法測(cè)出的電壓表內(nèi)阻的測(cè)量值RV大于電壓表內(nèi)阻的真實(shí)值。

(2)用并聯(lián)分流原理測(cè)量電流表的內(nèi)阻。

如圖6所示,電流表A的內(nèi)阻RA待測(cè),所用儀器有電源E、滑動(dòng)變阻器R(采用限流式)、電阻箱R1(與電流表并聯(lián))、兩個(gè)開關(guān)S1(串聯(lián)在干路中)、S2(與電阻箱串聯(lián))。必須滿足的條件是R1?R。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：先把滑動(dòng)變阻器的滑片滑到最左端,閉合開關(guān)S1,向右移動(dòng)滑片,使電流表A的指針剛好達(dá)到滿偏。再閉合開關(guān)S2,緩慢調(diào)節(jié)電阻箱的阻值,使電流表的指針恰好指到滿刻度的一半處,即半偏位置,這時(shí)電阻箱的阻值就是待測(cè)電流表內(nèi)阻的測(cè)量值。

注意：采用這種方法測(cè)出的電流表內(nèi)阻的測(cè)量值小于真實(shí)值。

二、以歐姆定律為原理的實(shí)驗(yàn)

圖6

1.以歐姆定律為原理的三大基本實(shí)驗(yàn)。

(1)描繪小燈泡的伏安特性曲線。因?yàn)樾襞莸碾娮韬苄?所以應(yīng)該采用電流表外接法;同時(shí)要求描繪小燈泡的伏安特性曲線,電壓和電流的取值范圍應(yīng)該盡可能大,所以滑動(dòng)變阻器要用分壓式。

(2)測(cè)量金屬絲的電阻率。因?yàn)榻饘俳z的電阻都不大,所以應(yīng)該采用電流表外接法;因?yàn)橐箅妷汉碗娏鞯娜≈捣秶酱笤胶?所以滑動(dòng)變阻器應(yīng)該采用分壓式。

(3)測(cè)定電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻。電流表采用內(nèi)接法比采用外接法造成的誤差更小;為了減小電能損耗,滑動(dòng)變阻器應(yīng)該采用限流式。

例4 小燈泡燈絲的電阻會(huì)隨溫度的升高而增大。某同學(xué)為研究這一現(xiàn)象,所用的實(shí)驗(yàn)器材有：電壓表V、電流表A、滑動(dòng)變阻器(0～1 0Ω)、電源、小燈泡、開關(guān),以及導(dǎo)線若干。利用這些器材設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路并進(jìn)行實(shí)驗(yàn),將得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)描點(diǎn)的方式記錄在如圖7所示的I-U坐標(biāo)系中(I和U分別表示小燈泡上的電流和電壓)。

圖7

(1)請(qǐng)畫出實(shí)驗(yàn)電路圖。

(2)讀出圖8中的電壓表和電流表的示數(shù),并將該組數(shù)據(jù)標(biāo)注在圖7的I-U坐標(biāo)系中,然后畫出小燈泡的I-U曲線。

解析：(1)在描繪小燈泡的伏安特性曲線的實(shí)驗(yàn)中,滑動(dòng)變阻器采用分壓式,電流表采用外接法,因此實(shí)驗(yàn)電路圖如圖9所示。

圖8

圖9

(2)電壓表的讀數(shù)是0.8 0V,電流表的讀數(shù)是0.3 6 0A。把這個(gè)點(diǎn)描在坐標(biāo)紙上,然后根據(jù)圖中的點(diǎn),描出平滑的曲線,如圖1 0所示。

2.歐姆表的工作原理。

圖1 0

3.歐姆表?yè)Q擋必須重新調(diào)零的道理。

圖1 1

歐姆表不同的擋位不僅有著不同的內(nèi)阻,而且還對(duì)應(yīng)著不同的電動(dòng)勢(shì)。換擋前(調(diào)零),換擋后要使Ig=成立,則R0'必須不再是原來(lái)的R0,即換擋必須重新調(diào)零。

例5 歐姆表的刻度盤如圖1 2所示,因表頭損壞,需要換一個(gè)新表頭,現(xiàn)有甲、乙兩個(gè)新表頭。甲表頭的滿偏電流為原表頭的2倍,內(nèi)阻與原表頭相同;乙表頭的滿偏電流與原表頭相同,內(nèi)阻為原表頭的2倍。則換用甲表頭和乙表頭后,刻度盤的中值電阻分別為( )。

A.1 0 0Ω,1 0 0Ω B.2 0 0Ω,1 0 0Ω C.5 0Ω,1 0 0Ω D.1 0 0Ω,2 0 0Ω

圖1 2

(責(zé)任編輯 張 巧)