高中物理电学实验讲义(精简版)

高中物理电学实验讲义(精简版)

李老师物理教研室（高中部）为了更好地讲解电学实验，本讲义将从电表的内部结构和工作原理开始讲解，并逐步深入讲解电学系列实验知识要点。我们将把复杂的逻辑推理过程尽量归纳为公式、模板或口诀的形式，以便同学们在答题时提高解题效率，减少不必要的思考和推导过程。此外，每一小节单元模块后都附有近十年全国高考实验真题索引，以便同学们对照学习或自我检查测试。一、电表的改装在实验室中使用的电表，如电流表和电压表，都是由量程较小的电流表（又称表头G）经过改装而来。表头G的内部结构由两块永久磁铁、金属线圈、螺旋弹簧、指针和表盘等构成，其工作原理是利用通电金属线圈在磁场中受到安培力的作用发生旋转而制成。表头的三个参数是指表头线圈电阻Rg、满偏电流Ig和满偏电压Ug，三者的关系符合欧姆定律，即Ig=Ug/Rg。若要将小量程的表头G改装为大量程的电流表（安培表），则必须给表头G并联一个小电阻R来分流多余的电流I。根据并联电路的特点，可以得到公式①：R=Rg/(n-1)（n为扩大后的电流表量程为原来表头满偏电流的n倍）。同样，若要将小量程的表头G改装为大量程的电压表（伏特表），则必须给表头G串联一个大电阻R来分担多余的电压U。根据串联电路的特点，可以得到公式②：R=(n-1)Rg（n为扩大后的电压表量程为原来表头满偏电压的n倍）。以上公式①、②可以用口诀“并小串大”来记忆。关于“电表改装”相关高考题，如：2019全国Ⅰ卷23题、2018全国Ⅱ卷22题、2016海南卷12题、2015全国Ⅰ卷23题、2013全国Ⅱ卷23题、2010北京卷21题。李老师物理教研室（高中部）5.将小量程的表头G改装为欧姆表欧姆表的内部结构由小量程的电流表表头G、定值电阻R（起保护电路作用）、滑动变阻器R以及电池等构成。与电流表和电压表最大的区别是，欧姆表内有电源和滑动变阻器。根据约定俗成的规定，欧姆表外部的红表笔必须与内部电源的负极相连，黑表笔与内部电源正极相连。当红、黑表笔没有外接电阻时，整个电路处于断路状态，电流为0，电阻为无穷大，欧姆表此时读数为∞，欧姆表的指针指在最左端。当红、黑表笔短接时，调节欧姆表的滑动变阻器R（即欧姆表盘上的调零旋钮），使得指针满偏，即指在欧姆表的最右端刻度线，表示此时外接电阻为0。若此时接入电阻RX，欧姆表指针恰好指在中间，即：指针半偏，说明此时的被测电阻RX与欧姆表内阻相同，此时的RX值称为欧姆表的中值电阻。由于欧姆表的表盘上的刻度是由到∞范围内变化，因而刻度的数值变化必定是不均匀的。越靠近左端，阻值越大，表盘上的刻度值跨度也越大；而在中值电阻附近，指针偏角与待测电阻RX的大小关系比较接近线性，表盘上的刻度数值变化也相对比较均匀，易于读数。因此，为尽量减少读数时的误差，每次测量电阻时，都应使得指针尽可能指在中值电阻附近，这就是欧姆表选档的原则。（说明：欧姆表的档位通常有四挡：×1K档、×100档、×10档、×1档）（注：关于欧姆表的改装高考题，如：2019全国Ⅲ卷23题）二、多用电表的使用右图是实验室常用的指针式多用电表，主要包括直流电流表、直流电压表、交流电压表和欧姆表。使用时应注意以下几点：1.使用前要用螺丝刀（对准指针定位螺丝）进行机械调零（指针指在最左端刻度线）；2.红表笔插入“+”插孔（其实和欧姆档的电池负极相连哦），黑表笔插入“-”插孔；3.量程选择：测电流或电压时，将选择开关调至适当的量程档位，使得指针偏角尽可能大一些，相对误差较小；4.测电阻时，若指针偏转角度较小，应更换高倍率的档位；反之，若偏角太大，接近满偏，就更换低倍率的档位；换挡的原则，是要使得测量时，指针尽可能指在中值附近。明待测电阻的阻值较小，采用外接法。（2）比较：若电流表的读数比电压表的读数大，则采用内接法；反之，采用外接法。总之，根据待测电阻的阻值大小和已知电阻的阻值大小，选择合适的内接法或外接法来测量电阻，以减小测量误差。在测量前，必须将两表笔短接，并旋转欧姆调零旋钮，进行一次欧姆调零。测量结束后，选择开关应置于OFF档或交流电压的最高档，长期不用时，则应拔出红、黑表笔，取出表内电池。这些是使用电表时必须注意的事项。删除明显有问题的段落）半偏法是一种测量电表内阻的方法。其原理是利用电路中的电阻分压，将待测电表的内阻和一个已知电阻串联，通过测量电路中的电流和电压，计算出待测电表的内阻。具体实验步骤如下：1.将待测电表和一个已知电阻串联，连接到电路中；2.将电路中的电源电压调节到一定值；3.测量电路中的电流和电压；4.根据欧姆定律和电阻分压定律，计算出待测电表的内阻。需要注意的是，选择已知电阻时要保证其阻值比待测电表内阻大，且电路中的电源电压不能过大，否则会对电表造成损坏。口诀：串联内阻，分压求积（注：关于半偏法测电表内阻高考题，如：2017全国Ⅰ卷23题；2015全国Ⅰ卷23题；2014全国Ⅰ卷23题；2013全国Ⅱ卷23题；2012全国Ⅰ卷23题）在实验中，我们需要选择合适的电压表和电流表，以及滑动变阻器等仪器。为了减小实验误差，我们应该注意以下几点：首先，电流表应该与变阻器靠近，而电压表应直接测量电源的路端电压，即必须采用内接法。同时，我们应该选择内阻适当大一些的电压表，并且两表应选择合适的量程，使测量时偏转角大些，以减小读数时的相对误差。其次，我们应该尽量多测几组U、I数据，且数据变化范围要大些。在作U-I图象时，让尽可能多的点落在直线上，不落在直线上的点均匀分布在直线两侧。最后，当电池内阻较小时，U的变化较小，图象中描出的点可能呈现如图（甲）所示状态，此时大面积空间得不到利用，所描得的点及作出的图线误差较大。为此，可使纵轴不从零开始，如图（乙）所示，把纵坐标比例放大，可使结果误差小些。此时，图线与纵轴的交点仍代表电源的电动势，但图线与横轴的交点不再代表短路状态，计算内阻要在直线上选取两个相距较远的点，由它们的坐标值计算出斜率的绝对值，即为内阻r。在实验中，我们应该注意以上几点，以减小实验误差，获得更准确的实验结果。本实验的系统误差源于未考虑电压表的分流问题。为了减小这种误差，需要降低电压表的分流。有两种方法可以实现这一目的：一是选择阻值范围较小、额定电流较大的滑动变阻器；二是在满足量程要求的前提下选择内阻较大的电压表。由于我们选用了阻值范围较小的滑动变阻器，所以电路中的电流较大，因此需要滑动变阻器具有较大的额定电流。针对十年高考真题，我们可以迅速提高考试成绩！李老师物理教研室（高中部）总结了本实验中滑动变阻器和电表的选择原则：滑动变阻器应选择阻值范围较小、额定电流较大的；电压表应在满足量程要求的前提下选择内阻较大的；电流表的选择需要根据电源电动势和选用的滑动变阻器来确定。八、游标卡尺和螺旋测微器的测量原理及使用方法（一）游标卡尺的使用和读数方法1、游标卡尺由主尺和游标尺构成。2、游标卡尺的精度分为以下三种：（1）10分度的游标卡尺。游标上相邻两个刻度间的距离为0.9mm，比主尺上相邻两个刻度间距离小0.1mm。读数时先从主尺上读出毫米数，然后用游标读出0.1毫米位的数值：游标的第几条刻线跟主尺上某一条刻线对齐，0.1毫米位就读几。其读数准确到0.1mm。（2）20分度的游标卡尺。游标上相邻两个刻度间的距离为0.95mm，比主尺上相邻两个刻度间距离小0.05mm。读数时先从主尺上读出厘米数和毫米数，然后用游标读出毫米以下的数值：游标的第几条刻线跟主尺上某一条刻线对齐，毫米以下的读数就是几乘0.05毫米。其读数准确到0.05mm。（3）50分度的游标卡尺。游标上相邻两个刻度间的距离为0.98mm，比主尺上相邻两个刻度间距离小0.02mm。这种卡尺的刻度是特殊的，游标上的刻度值就是毫米以下的读数。这种卡尺的读数可以准确到0.02mm。3、读数公式为：S=L+K*n（其中，S为读数，单位是毫米；L为主尺读数，单位是毫米；K为精度；n是游标尺和主尺对其的数字）。注：关于测定电池的电动势和内阻的高考题目，如2018江苏卷10题、2018海南卷12题、2017天津卷9题、2015安徽卷21题、2015天津卷9题、2015四川卷8题、2014全国Ⅰ卷23题、2014北京卷21题、2014福建卷19题、2010江苏卷10题和2010上海卷29题。本实验旨在测定金属导线的电阻，并要求正确使用测量仪器和方法。具体操作如下：首先，使用螺旋测微器在金属导线的三个不同位置各测量一次直径，并求其平均值d。接着，使用毫米刻度尺至少测量三次接入电路中被测金属导线的有效长度，并求其平均值l。由于被测金属导线电阻较小，因此采用外接法。在选择滑动变阻器时，应根据实验要求和提供的器材规格确定采用限流式（甲图）还是分压式（乙图）。在使用伏安法测量电阻时，应注意通