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高三物理教案電磁學實驗總復(fù)習
一、實驗儀器的讀數(shù)
高考要求會正確使用的電學儀器有：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所指位置直接讀出的，不再向下估讀。
例1. 右圖是電壓表的刻度盤。若當時使用的是該表的0-3V量程，那么電壓表讀數(shù)為多少?若當時使用的是該表的0-15V量程，那么電壓表度數(shù)又為多少?
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. 右圖是電阻箱示意圖，試讀出當時電阻箱的阻值。
解：電阻箱面板上有6個旋鈕，每個旋鈕上方都標有倍率。將每個旋鈕的指針所指的數(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84580.2。
二、恒定電流實驗常規(guī)
1.伏安法測電阻
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。
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I/I和U/U)。
2.滑動變阻器的兩種接法
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
(1)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;
(2)對限流電路，只需用筆畫線當作導(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)。
(3)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接線柱的分布，將伏安法部分接入該兩點間。
三、考試大綱規(guī)定的學生實驗
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電極相當于正點電荷，與電池負極相連的B相當于負點電荷。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
�、� ⑵ ⑶ ⑷
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接電源負極，模擬負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.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5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1伏特計要求用0-3V量程，內(nèi)阻約幾k電源電動勢為6V;滑動變阻器最大阻值20。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式為=__________。
解：
(1)米尺;
(2)螺旋測微器;
(3)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 。
3.用電流表和電壓表測電池的電動勢和內(nèi)電阻
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：有時縱坐標的起始點不是0，求內(nèi)阻的一般式應(yīng)該是r=|U/I |)。
例5. 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0.1和1k。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。
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=___。
解：1.46，0.719
4.練習用多用電表測電阻
(1)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)該進行機械調(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。
(2)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。)
(3)使用歐姆擋時，在選好倍率后，還必須進行歐姆調(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200就應(yīng)該選10的倍率。⑵進行歐姆調(diào)零。⑶將紅黑表筆接被測電阻兩端進行測量。
(4)將指針示數(shù)乘以倍率，得測量值。
(5)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)角度太小(即指針所指的刻度值太大)，應(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(即指針所指的刻度值太小)，應(yīng)該減小倍率重新調(diào)零后再測。
(6)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。
例6. 多用電表表頭的示意圖如右。在正確操作的情況下：
(1)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___________。
(2)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___________。
(3)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___________。
(4)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：___________，____________，____________。
(5)全部測量結(jié)束后，應(yīng)將選擇開關(guān)撥到__________或者___________。
(6)無論用多用電表進行何種測量(限于直流)，電流都應(yīng)該從色_____表筆經(jīng)______插孔流入電表。
解：
(1)直流電壓，12.4V。
(2)直流電流，49mA。
(3)電阻，17k。
(4)該用1k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，讀出指針所指刻度，再乘以倍率得測量值。
(5)OFF，交流電壓500V檔位置。
(6)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、的關(guān)系是 。
2.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
例7. 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)電阻的表達式。
解：與學生實驗相比，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：
(1) 按電路圖接好實驗電路
(2)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。
(3)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：
�、冉夥匠探M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8. 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。(1)實驗中還需要什么測量儀器?
(2)將實物連成電路圖。
(3)寫出測量Rx的實驗步驟，并寫出利用測量數(shù)據(jù)表示Rx的表達式。
解：
(1)還需要米尺(測量左右兩部分電阻絲的長度L1、L2)。
(2)實物連接圖略。
(3)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9. 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，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。
(1)所須選用的器材有：__________________(填器材前的字母即可)。
(2)所須測量的物理量有：_____ 、_____、 _____、 _____。
(3)根據(jù)實驗測得的以上數(shù)據(jù)計算電阻膜厚度d的物理表達式為：d=________________。
(4)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k，滑動變阻器的總阻值為50)。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)。
解：
(1)A(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)
(2)MN間距離L、管的外徑D、電流I、電壓U
(3)
(4)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10. 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。測量電路圖如右。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。
(1)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。
(2)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小?
解：
(1)圖略。
(2)閉合K2后，回路的總電阻減小，總電流將增大。因此當電流表讀數(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11. 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行測量，可以消除這種系統(tǒng)誤差。
(1)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)：_________________________。
(2)由以上記錄數(shù)據(jù)計算被測電阻RX的表達式是RX=___________。
(3)將右圖中給出的儀器按照電路圖的要求連接起來。
解：
(1)將電鍵S2接1，讀出這時電壓表和電流表的示數(shù)U2、I2。
(2)
(3)圖略。
例12. 某同學選用一只標有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圖象如右。
(1)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________。
(2)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10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：
(1)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。
(2)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13. 隨著居民生活水平的提高，純凈水已經(jīng)進入千家萬戶。某市對市場上出售的純凈水質(zhì)量進行了抽測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)競有九成樣品的細菌超標或電導(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)。(1)不合格的純凈水的電導(dǎo)率一定是偏_____(填大或小)。
(2)對純凈水樣品進行檢驗所用的設(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(要求測量盡可能準確，已知水的電導(dǎo)率遠小于金屬的電導(dǎo)率，所用滑動變阻器的阻值較小)。
解：
(1)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。
(2)測量部分用內(nèi)接法，供電部分用分壓電路。
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