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专题十三 电学实验
【实验要点提醒】
一、练习使用多用电表
(一)理解多用电表的结构和原理
1．电流的流向：使用多用电表时，直流电流都要从电表的“＋”插孔(红表笔)流入，从“－”插孔(黑表笔)流出，所以使用欧姆挡时，多用电表内部电池的正极接的是黑表笔，负极接的是红表笔。
2．要区分“机械零点”与“欧姆零点”：“机械零点”在表盘刻度左侧“0”位置，用表盘下边中间的指针定位螺丝调整；“欧姆零点”在表盘刻度的右侧电阻刻度“0”位置，用欧姆调零旋钮调整。
(二)掌握多用电表的读数
1．测电流、电压时，先看准选择的量程再读数；测电阻时，读数结果注意乘倍率。
2．欧姆表的刻度不均匀，读数时要注意估读方法。如指针指在“10”位置，读数为10.0×1 Ω＝10.0 Ω，若指针指在“9”和“10”刻度线中间位置，则读为9.4 Ω而不能读为9.5 Ω。
(三)谨记使用多用电表测电阻的注意事项
1．测量前应根据估计阻值选用适当的挡位并欧姆调零。由于欧姆挡的刻度不均匀，使用欧姆挡测电阻时，指针偏转过大或过小都有较大误差，通常只使用表盘中间的一段刻度范围。
2．测量时要将电阻与其他元件断开，并且不要用手接触多用电表的表笔。
3．每变换一次挡位，都要重新进行欧姆调零。
4．多用电表使用完毕应将选择开关旋至“OFF”挡或交流电压最高挡。
二、以测电阻为核心的电学实验
(一)仪器和电路的选择原则——安全、准确、方便
1．电源的选择
一般可以根据待测元件的额定电流或额定电压选择符合需要的电源。
2．电表的选择
一般根据电源电动势或待测元件的额定电压选择电压表，再估算待测电流的最大值选择电流表。注意测量时要使电表的指针偏转角度较大。
电流表内接法 电流表外接法
电路
误差来源 电流表的分压 电压表的分流
测量结果 R测＝Rx＋RA，偏大 R测＝，偏小
适用条件 Rx RA(测大电阻) 或RA已知 RV Rx(测小电阻) 或RV已知
“3用电表” 如果知道电表的内阻，电流表、电压表就既可以测电流，也可以测电压，还可以作为定值电阻来用，即“一表3用”
3．变阻器的选择
在安全条件下，分压电路选最大阻值较小、额定电流较大的，限流电路选最大值与待测电阻差不多的。
分压电路 限流电路
电路
电压调节范围 0≤U≤E E≤U≤E
①要求待测电压或电流从0开始变化时，必须选择分压电路；②要求测量精确度高(或多测量几组数据或数据区分度大)时，应选择分压电路；③虽然没有明确的要求，但滑动变阻器的总电阻比待测电阻阻值小很多时，应选择分压电路；④其他情况优先选择限流电路(节能)。
(二)最常用的电阻测量方法——伏安法及其变式
1．“伏安法”，有电压表、电流表且电表量程恰当时选择“伏安法”。
2．“伏伏法”，电流表不能用或没有电流表的情况下，若知道电压表内阻，可以将电压表当作电流表使用，即选择“伏伏法”。
3．“安安法”，电压表不能用或没有电压表的情形下，若知道电流表内阻，可以将电流表当作电压表使用，即选择“安安法”。
4．“伏安加R法”，在运用伏安法测电阻时，由于电压表或电流表的量程太小或太大，为了满足安全、精确的要求，加保护电阻的方法就应运而生，“伏安加R法”又叫作“加保护电阻法”。
(三)最精确的电阻测量方法——等效替代法
电流等效替代 电压等效替代
(四)最专一的电表内阻测量方法——半偏法
1．用半偏法测电流表内阻，如图所示，电阻箱应和电流表并联，然后与大电阻滑动变阻器串联，R测＜R真。
2．若测电压表内阻，如图所示，电阻箱应和电压表串联，然后与小电阻滑动变阻器并联，R测＞R真。
(五)两个常考题点的注意事项——贴合实际
1．描绘小灯泡的伏安特性曲线时，为得到完整的伏安特性曲线，电压表的示数从零开始逐渐增大，滑动变阻器应采用分压式连接。
2．利用电阻箱与电压表串联测量电压表内阻时，滑动变阻器阻值越小，实验的测量误差越小。
考点三　以测电动势为核心的电学实验
(一)掌握三个常用测量方案
方案 伏安法 伏阻法 安阻法
原理 E＝U＋Ir E＝U＋r E＝IR＋Ir
电路图
关系式 U＝E－Ir ＝＋ ＝＋
图像 纵轴截距：E斜率大小：r 纵轴截距：斜率： 纵轴截距：　斜率：
误差分析 E测r真 E测r真
(二)理解定值电阻的三种作用
1．注意U I图线的斜率、截距的具体含义，并注意有些题中U I图像、I1 I2图像的纵轴起始坐标不是“0”的情况。
2．在高考电学设计性实验中，常以定值电阻的合理使用为背景来命题。求解这类问题的关键是必须弄清定值电阻在设计电路中的主要作用，一般来说，定值电阻有三种作用：
【重点题型讲练】
【例1】小明测量LED(发光二极管)在额定电压(2.5 V)时的电阻。他选择的器材有：滑动变阻器(0～10 Ω)；电压表(量程3 V，内阻3 kΩ)；电动势为3.0 V的电源；多用电表(电流挡：量程1 mA，内阻40 Ω；量程10 mA，内阻4 Ω；量程100 mA，内阻0.4 Ω)。
(1)在判断LED极性时，小明先将多用电表选择开关旋至“×10”挡，调节好多用电表，将二极管两极与表笔相接，多用电表的示数如图甲所示时，多用电表红表笔(插在A孔中)与二极管的________(选填“正”或“负”)极相接触。
(2)再将多用电表的选择开关旋至“100 mA”挡，将其接入图乙所示电路。多用电表红表笔应与________(选填“1”或“2”)连接。
(3)闭合开关，移动滑片，电压表示数为2.50 V时，多用电表示数为8 mA，则该LED在额定电压时的电阻为________Ω。
(4)为了更准确地测出LED在额定电压时的电阻，在不更换实验器材的条件下，对小明的实验提出两点改进建议：
①________________________________________________________________________；
②________________________________________________________________________。
解析：(1)由欧姆表的示数为170 Ω，说明此时二极管为反向电阻，再根据多用电表的电流方向为“红进黑出”，所以此时红表笔与二极管的正极相连。
(2)此时多用电表当作电流表使用测量流过二极管的电流，再根据多用电表的电流方向为“红进黑出”，所以此时红表笔应与2相连。
(3)根据欧姆定律可知：R＝＝ Ω＝312.5 Ω。
(4)由(3)可知，当二极管两端电压为2.5 V时，电流为8 mA(即最大电流)，所以为了减小读数误差，应将多用电表的选择开关旋至“10 mA”测量电流，由于电压表的内阻为3 kΩ，而多用电表10 mA挡的内阻为4 Ω，二极管的电阻为312.5 Ω，所以为了减小误差，应改用多用电表(电流挡)内接法。
答案：(1)正　(2)2　(3)312.5　(4)①将多用电表的选择开关旋至“10 mA”测量电流　②改用多用电表(电流挡)内接法
【练1】目前很多用电器的指示灯是发光二极管。某厂家提供的某种型号发光二极管的伏安特性曲线如图所示，该二极管的正常工作电压为3.0 V，允许通过的最大电流为56 mA。
(1)该二极管正常工作时阻值为________Ω。
(2)某同学先用中值电阻为15 Ω的多用电表欧姆挡测量该二极管的正向电阻，下列测量方法正确的是________。
(3)利用下列实验器材，验证该元件的伏安特性曲线与厂家提供的是否一致。
实验器材名称 规格
待测的发光二极管
直流电源E 电动势4.5 V，内阻忽略不计
滑动变阻器R 最大阻值为20 Ω
电压表V1 量程10 V，内阻约50 kΩ
电压表V2 量程5 V，内阻约20 kΩ
电流表A1 量程100 mA，内阻约50 Ω
电流表A2 量程60 mA，内阻约100 Ω
开关S
导线若干
①为准确、方便地进行测量，电压表应选用________，电流表应选用________。(填字母符号)
②利用现有器材设计实验电路图，并在虚线框内画出。
解析：(1)由题图读出，该二极管正常工作电压为3 V时，电流为40 mA，则阻值为R＝＝ Ω＝75 Ω；
(2)测量二极管的正向电阻，则黑表笔应该接二极管的正极，且指针应该指向中央附近，则A项正确。
(3)①为准确、方便地进行测量，电压表应选用V2，电流表应选用A2。
②因电压表的内阻远大于二极管的正向电阻，则采用电流表外接法；为了便于调节，滑动变阻器用分压电路，实验电路图如图所示：
答案：(1)75　(2)A (3)①V2　A2　②见解析图
【例2】实验小组在探究“决定电阻丝电阻的因素”实验过程中：
(1)小组同学正确操作获得金属丝的直径以及电流表、电压表的读数如图甲、乙、丙所示，则它们的读数值依次是________mm、________A、________V。
(2)已知实验中所用的滑动变阻器阻值范围为0～10 Ω，电流表内阻约几欧，电压表内阻约几十千欧，电源为干电池组(不宜在长时间、大功率状况下使用)，电动势E＝4.5 V，内阻较小。则A、B两电路图中，________(选填字母代号)电路为本次实验应当采用的较好电路，但用此电路测量的金属丝电阻仍然会比真实值偏________(选填“大”或“小”)。
(3)若已知实验所用的电流表内阻的准确值RA＝2.0 Ω，那么能准确测量出金属丝电阻Rx的电路应是上图中的________电路(选填字母代号)。使用该电路实验时，电流表示数为I、电压表示数为U，则金属丝电阻Rx＝________(用题中字母代号表示)。
解析：(1)螺旋测微器先读固定部分为0.5 mm，可动部分可估读为49.8×0.01 mm＝0.498 mm，故总示数为：0.5 mm＋0.498 mm＝0.998 mm；电流表量程为0.6 A，则最小刻度为0.02 A，指针所示为0.42 A；电压表量程为3 V，最小刻度为0.1 V，需估读一位，故可读为：2.26 V。
(2)因电源不能在大功率下长时间使用，则本实验应采用限流接法；同时电压表内阻较大，由(1)中读数可知，待测电阻的内阻约为5 Ω，故采用电流表外接法误差较小；在实验中电压表示数准确，但电流测量的是干路电流，故电流表示数偏大，则由欧姆定律得出的结果偏小，所以选A电路，此电路测量的金属丝电阻仍然会比真实值偏小。
(3)因已知电流表准确值，则可以利用电流表内接法准确求出待测电阻，故应选B电路；待测电阻及电流表总电阻：R＝，则待测电阻：Rx＝R－RA＝－RA。
答案：(1) 0.998(0.996～0.999均可)　0.42　2.26(2.24～2.28均可)　(2)A　小　(3)B　－RA
【练2】某同学测量一段长度已知的电阻丝的电阻率。实验操作如下：
(1)螺旋测微器如图所示。在测量电阻丝直径时，先将电阻丝轻轻地夹在测砧与测微螺杆之间，再旋动________(选填“A”“B”或“C”)，直到听见“喀喀”的声音，以保证压力适当，同时防止螺旋测微器的损坏。
(2)选择电阻丝的________(选填“同一”或“不同”)位置进行多次测量，取其平均值作为电阻丝的直径。
(3)如图1中Rx为待测电阻丝。请用笔画线代替导线，将滑动变阻器接入如图2所示实物电路中的正确位置。
(4)为测量Rx，利用图1所示的电路，调节滑动变阻器测得5组电压U1和电流I1的值，作出的U1 I1关系图像如图3所示。接着，将电压表改接在a、b两端，测得5组电压U2和电流I2的值，数据见下表：
U2/V 0.50 1.02 1.54 2.05 2.55
I2/mA 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0
请根据表中的数据，在方格纸上作出U2 I2图像。
(5)由此，可求得电阻丝的Rx＝________Ω。根据电阻定律可得到电阻丝的电阻率。
解析：(1)A起固定作用，便于读数；B为粗调，调节B使电阻丝与测微螺杆、测砧刚好接触；然后调节C，C起微调作用。
(2)电阻丝的粗细不一定均匀，为保证测量结果准确，应在不同位置测直径，然后取平均值作为测量值。
(3)滑动变阻器采用分压式接入电路，注意线不能交叉，如图甲所示。
(4)将所给的5组数据标注在U I图像中，用过原点的直线把它们连在一起，让尽可能多的点在直线上，如图乙所示。
(5)由题意知：＝Rx＋RA＋R0，
由U1 I1图线的斜率可得＝49.0 Ω。
＝RA＋R0，
由作出的U2 I2图线的斜率可得＝25.5 Ω。
故Rx＝(49.0－25.5)Ω＝23.5 Ω。
答案：(1)C　(2)不同　(3)见解析图甲　(4)见解析图乙 (5)23.5(23.0～24.0都算对)
【例3】利用如图甲所示的实验装置测量两节干电池组成的电源的电动势和内电阻。
(1)请在图甲中用笔画线代替导线完成电路连接。
(2)在实验操作正确的情况下测得数据记录在下表中，请在图乙中作出U I图像。
U/V 2.94 2.86 2.81 2.76 2.71 2.62
I/A 0.06 0.12 0.18 0.24 0.30 0.38
(3)根据U I图像，可得该电池组的电动势E＝________V，内电阻r＝________Ω。(结果均保留两位有效数字)
(4)本实验存在系统误差，原因是______________(选填“①电压表分流”或“②电流表分压”前面的序号)，由此造成电源内阻测量值________(选填“大于”“小于”或“等于”)真实值。
解析：(1)测电源的电动势和内电阻，应采用电流表相对电源外接法，实物连接图如图所示：
(2)在U I坐标系内，描点连线，如图所示：
(3)图像在纵轴的截距等于电源电动势，斜率的绝对值等于内阻，故E＝3.0 V，r＝1.0 Ω。
(4)本实验存在系统误差，原因是电压表分流，使得电流表示数小于干路电流；外电路短路时，电压表分流为零，实际电流等于电流表电流，电压越大，电压表分流越多，实际电流大于电流表电流越多，图像斜率的绝对值将越大，由此造成电源内阻测量值小于真实值。
答案：(1)见解析图　(2)见解析图　(3)3.0　1.0 (4)①　小于
【练3】某同学设计了如图甲所示电路，测量定值电阻的阻值、电源的电动势和内阻，使用的器材有：待测定值电阻R1(约几欧)、待测电源E、电流表A、电阻箱R2(0～999.9 Ω)、开关两个及导线若干。
(1)请用笔画线代替导线在图乙中完成实物电路的连接。
(2)测量R1的阻值时，闭合开关S1前，调节R2至________(选填“最大值”或“最小值”)，然后闭合开关S1和S2，调节R2使电流表示数为I，此时R2的值为7.8 Ω；再断开S2，将R2调到5.8 Ω时，电流表示数也为I，则R1的值为________ Ω。
(3)测量电源电动势E和内阻r时，闭合开关S1、断开S2，调节R2，得到R2和对应电流I的多组数据，作出 R2图像如图丙所示，则电源电动势E＝________ V，内阻r＝________ (计算结果均保留两位有效数字)，若电流表A的内阻不可忽略，则r的测量值________(选填“大于”“等于”或“小于”)真实值。
解析：(1)按原理图接线，如图所示：
(2)为了保护用电器，所以应使电阻箱的最大阻值接入电路，即在闭合开关前调节R2至最大值；
由闭合电路的欧姆定律得：
I＝＝，解得：R1＝2.0 Ω。
(3)由闭合电路的欧姆定律得：E＝I(R1＋R2＋r)
整理得： ＝＋R2
由图像可知， ＝ V－1, ＝ Ω/V
解得：E＝6.0 V，r＝1.0 Ω
若电流表A的内阻不可忽略，由闭合电路的欧姆定律得：
E＝I(R1＋R2＋r＋RA)
整理得：＝＋R2
即电源内阻的测量值为：r＋RA>r，即大于真实值。
答案：(1)见解析图　(2)最大值　2.0　(3)6.0　1.0　大于
3.(2019·江西重点中学联考)如图甲所示，该电路在测量电源电动势和内阻的同时也能完成对未知电阻Rx的测量。实验室提供的器材如下：
A．待测电阻Rx(约9 Ω)
B．待测电源
C．电阻箱(0～99.9 Ω)
D．电压表V1(量程6 V，可以视为理想电表)
E．电压表V2(量程3 V，内阻约为4 kΩ)
(1)如果纵坐标表示两个电压表读数之比，横坐标表示电阻箱的阻值R，实验结果的图像如图乙所示。则待测电阻Rx＝________ Ω (保留两位有效数字)。
(2)在(1)问中，由于电压表V2的分流，待测电阻Rx的测量值比真实值________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。
(3)如果纵坐标表示某电压表读数U，横坐标表示两个电压表读数之差与电阻箱阻值的比值，实验结果的图像如图丙所示。其中能读出电源电动势和内电阻的是________(选填“A图线”或“B图线”)。两图线交点的横坐标为________ A，纵坐标为________ V(结果均保留两位有效数字)。
解析：(1)根据串联电路的分压原理可知：＝，故＝＝1＋，所以纵轴截距为1，根据图像斜率k＝＝ Ω－1＝ Ω－1，解得Rx＝8.0 Ω。
(2) 由于电压表V2的分流，待测电阻Rx测量值比真实值偏小。
(3)根据闭合电路的欧姆定律可知U1＝E－r，U2＝Rx。A图线反映的是电源的特性，可知电动势E＝6 V，内电阻r＝ Ω＝6 Ω，B图线反应的是定值电阻Rx的U I关系，且Rx＝8 Ω，两图线的交点反应的是电源与定值电阻直接串联时的情况，交点的横坐标I＝＝ A≈0.43 A，纵坐标U＝E－Ir＝6 V－0.43×6 V≈3.4 V。
答案：(1)8.0　(2)偏小　(3)A图线　0.43　3.4
【练后自评反思】

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