北京四中高中物理实验（二）.doc

北　京　四　中
编　　稿：王运淼　　 审　　稿：陈素玉 　　责　　编：郭金娟

高中物理实验（二）
电学实验
　　1、用描迹法画出电场中平面上的等势线
　　[实验目的]
　　利用电场中电势差及等势面的知识，练习用描迹法画出电场中一个平面上的等势线。

　　[实验原理]
　　用导电纸上形成的稳恒电流场来模拟静电场，当两探针与导电纸上电势相等的两点接触时，与探针相连的灵敏电流计中通过的电流为零，指针不偏转，当两探针与导电纸上电势不相等的两点接触时，与探针相连的灵敏电流计中通过的电流就不为零，从而可以利用灵敏电流计找出导电纸上的等势点，并依据等势点描绘出等势线。

　　[实验器材]
　　学生电源或电池组（电压约为6V），灵敏电流计，开关，导电纸，复写纸，白纸，圆柱形金属电极两个，探针两支，导线若干，木板一块，图钉，刻度尺等。

　　[实验步骤]
　　1．在平整的木板上，由下而上依次铺放白纸、复写纸、导电纸各一张，导电纸有导电物质的一面要向上，用图钉把白纸、复写纸和导电纸一起固定在木板上。
　　2．在导电纸上平放两个跟它接触良好的圆柱形电极，两个电极之间的距离约为10cm，将两个电极分别与电压约为6V的直流电源的正负极相接，作为“正电荷”和“负电荷”，再把两根探针分别接到灵敏电流计的“+”、“-”接线柱上（如图所示）。
　　3．在导电纸上画出两个电极的连线，在连线上取间距大致相等的五个点作基准点，并用探针把它们的位置复印在白纸上。
　　4．接通电源，将一探针跟某一基准点接触，然后在这一基准点的一侧距此基准点约1cm处再选一点，在此点将另一探针跟导电纸接触，这时一般会看到灵敏电流计的指针发生偏转，左右移动探针位置，可以找到一点使电流计的指针不发生偏转，用探针把这一点位置复印在白纸上。
　　5．按步骤（4）的方法，在这个基准点的两侧逐步由近及远地各探测出五个等势点，相邻两个等势点之间的距离约为1cm。
　　6．用同样的方法，探测出另外四个基准点的等势点。
　　7．断开电源，取出白纸，根据五个基准点的等势点，画出五条平滑的曲线，这就是五条等势线。

　　[注意事项]
　　1．电极与导电纸接触要良好，且与导电纸的相对位置不能改变。
　　2．寻找等势点时，应从基准点附近由近及远地逐渐推移，不可冒然进行大跨度的移动，以免电势差过大，发生电流计过载现象。
　　3．导电纸上所涂导电物质相当薄，故在寻找等势点时，不能用探针在导电纸上反复划动，而应采用点接触法。
　　4．探测等势点不要太靠近导电纸的边缘，因为实验是用电流场模拟静电场，导电纸边缘的电流方向与边界平行，并不与等量异种电荷电场的电场线相似。

　　[例题]
　　1．如图为描绘电场中等势线的装置，所用的电流计电流从哪一接线柱流入，其指针就向哪一侧偏。
　　在寻找基准点O的另一等势点时，探针I与O点接触，另一探针II与导电纸上的C点接触，电流计的指针向负接线柱一侧偏转，为了尽快探测到新等势点，探针II应由C点逐渐
　　A．向上移动　 B．向下移动　 C．向左移动　 D．向右移动。
　　答案：由于指针向负极一侧偏转，所以电流由负极流入，即C点的电势高于O点的电势，探针II应向低电势移动，也就是向左移动。故选C。

　　2．某同学在做“电场中等势线的描绘实验”中，若手头没有灵敏电流计，是否可以用内阻较大的电压表代替？
　　答案：能。将电压表一端接某一电极，另一端接探针，使探针与各基准点接触并在附近移动，电压表读数相等的点即为等势点。

　　2、测定金属的电阻率
　　[实验目的]
　　用伏安法间接测定某种金属导体的电阻率；练习使用螺旋测微器。

　　[实验原理]
　　根据电阻定律公式R= ，只要测量出金属导线的长度 和它的直径d，计算出导线的横截面积S，并用伏安法测出金属导线的电阻R，即可计算出金属导线的电阻率。

　　[实验器材]
　　被测金属导线，直流电源（4V），电流表(0-0.6A)，电压表（0-3V），滑动变阻器（50Ω），电键，导线若干，螺旋测微器，米尺等。

　　[实验步骤]
　　1．用螺旋测微器在被测金属导线上的三个不同位置各测一次直径，求出其平均值d，计算出导线的横截面积S。
　　2．按如图所示的原理电路图连接好用伏安法测电阻的实验电路。
　　3．用毫米刻度尺测量接入电路中的被测金属导线的有效长度，反复测量3次，求出其平均值 。
　　4．把滑动变阻器的滑动片调节到使接入电路中的电阻值最大的位置，电路经检查确认无误后，闭合电键S。改变滑动变阻器滑动片的位置，读出几组相应的电流表、电压表的示数I和U的值，断开电键S，求出导线电阻R的平均值。
　　5．将测得的R、 、d值，代入电阻率计算公式 中，计算出金属导线的电阻率。
　　6．拆去实验线路，整理好实验器材。

　　[注意事项]
　　1．测量被测金属导线的有效长度，是指测量待测导线接入电路的两个端点之间的长度，亦即电压表两接入点间的部分待测导线长度，测量时应将导线拉直。
　　2．本实验中被测金属导线的电阻值较小，因此实验电路必须采用电流表外接法。
　　3．实验连线时，应先从电源的正极出发，依次将电源、电键、电流表、待测金属导线、滑动变阻器连成主干线路（闭合电路），然后再把电压表并联在待测金属导线的两端。
　　4．闭合电键S之前，一定要使滑动变阻器的滑动片处在有效电阻值最大的位置。
　　5．在用伏安法测电阻时，通过待测导线的电流强度I的值不宜过大（电流表用0~0.6A量程），通电时间不宜过长，以免金属导线的温度明显升高，造成其电阻率在实验过程中变化。

　　[例题]
　　1．在“测定金属的电阻率”实验中，以下操作中错误的是
　　A．用米尺量出金属丝的全长三次，算出其平均值
　　B．用螺旋测微器在金属丝三个不同部位各测量一次直径，算出其平均值
　　C．用伏安法测电阻时采用安培表的内接线路，多次测量后算出其平均值
　　D．实验中应保持金属丝的温度不变
　　答案：AC

　　2．欲用伏安法测定一段阻值约为5 左右的金属导线的电阻，要求测量结果尽量准确，现备有以下器材：
　　A．电池组（3V，内阻1 ）；
　　B．电流表（0~3A，内阻0.0125 ）
　　C．电流表（0~0.6A，内阻0.125 ）
　　D．电压表（0~3V，内阻3k ）
　　E．电压表（0~15V，内阻15k ）
　　F．滑动变阻器（0~20 ，额定电流1A）
　　G．滑动变阻器（0~2000 ，额定电流0.3A）
　　H．电键、导线。
　　（1）上述器材中应选用的是________。（填写各器材的字母代号）
　　（2）实验电路应采用电流表________接法。（填“内”或“外”）
　　（3）将图中给定的器材连成实验电路。

　　答案：（1）ACDFH；（2）外；（3）略。

　　3、用电流表和电压表测定电池的电动势和内电阻
　　[实验目的]
　　测定电池的电动势和内电阻。

　　[实验原理]
　　如图1所示，改变R的阻值，从电压表和电流表中读出几组I、U值，利用闭合电路的欧姆定律求出几组 、r值，最后分别算出它们的平均值。
　　此外，还可以用作图法来处理数据。即在坐标纸上以I为横坐标，U为纵坐标，用测出的几组I、U值画出U－I图象（如图2）所得直线跟纵轴的交点即为电动势值，图线斜率的绝对值即为内电阻r的值。

　　[实验器材]
　　待测电池，电压表（0－3V），电流表（0－0.6A），滑动变阻器（10Ω），电键，导线。

　　[实验步骤]
　　1．电流表用0.6A量程，电压表用3V量程，按电路图连接好电路。
　　2．把变阻器的滑动片移到一端使阻值最大。
　　3．闭合电键，调节变阻器，使电流表有明显示数，记录一组数据（I1、U1），用同样方法测量几组I、U的值。
　　4．打开电键，整理好器材。
　　5．处理数据，用公式法和作图法两种方法求出电动势和内电阻的值。

　　[注意事项]
　　1．为了使电池的路端电压变化明显，电池的内阻宜大些，可选用已使用过一段时间的1号干电池。
　　2．干电池在大电流放电时，电动势 会明显下降，内阻r会明显增大，故长时间放电不宜超过0.3A，短时间放电不宜超过0.5A。因此，实验中不要将I调得过大，读电表要快，每次读完立即断电。
　　3．要测出不少于6组I、U数据，且变化范围要大些，用方程组求解时，要将测出的I、U数据中，第1和第4为一组，第2和第5为一组，第3和第6为一组，分别解出 、r值再平均。
　　4．在画U－I图线时，要使较多的点落在这条直线上或使各点均匀分布在直线的两侧。个别偏离直线太远的点可舍去不予考虑。这样，就可使偶然误差得到部分的抵消，从而提高精确度。
　　5．干电池内阻较小时路端电压U的变化也较小，即不会比电动势小很多，这时，在画U－I图线时，纵轴的刻度可以不从零开始，而是根据测得的数据从某一恰当值开始（横坐标I必须从零开始）。但这时图线和横轴的交点不再是短路电流。不过直线斜率的绝对值照样还是电源的内阻。

　　[例题]
　　1．用电流表和电压表测定电池的电动势和内电阻的实验中，所用电流表和电压表的内电阻分别为 和 ，如图为所需的器材。
　　（1）请你把它们连成实验电路，注意两个电表要选用适当量程，并要求变阻器的滑动片在左端时其电阻值最大。
　　（2）一位同学记录的6组数据见下表，试根据这些数据在图中画出U－I图线，根据图线求出电池的电动势
________V，内阻 ________ 。
I/A
0.12
0.20
0.31
0.32
0.50
0.57
U/V
1.37
1.32
1.24
1.18
1.19
1.05

　　答案：（1）见下图，在这电流表对电压表来说一定要用内接法，否则测出的电源的电阻值是偏大，是电源内阻与电流表的电阻之和，误差较大；（2）1.46，0.72（见上面的讲解，最好用图象法求）。

　　2．用伏安法测电池的电动势和内阻的实验中，由于电流表和电压表内阻的影响，以下说法正确的是
　　A．用图a所示电路时， 　 B．用图a所示电路时，
　　C．用图b所示电路时， 　 D．用图b所示电路时，

　　解析：根据闭合电路的欧姆定律：ε=U+Ir。由两次测量列方程为： ，
　　解得 ，
　　若是考虑电流表和电压表的内阻，对上图a中应用闭合电路的欧姆定律： ，式中的ε与r是电动势和内阻的真实值。
　　解得： ， ，比较得 ，
　　若是考虑电流表和电压表的内阻，对上图b中应用闭合电路的欧姆定律： ，式中的ε与r是电动势和内阻的真实值。解得： ， ，比较得 ， 。由上面的分析可知应选取AB。
　　此题还可以用图象法。

　　4、练习使用多用电表（万用表）测电阻
　　[实验目的]
　　练习使用多用电表测电阻。

　　[实验原理]
　　多用电表由表头、选择开关和测量线路三部分组成（如图），表头是一块高灵敏度磁电式电流表，其满偏电流约几十到几百 A，转换开关和测量线路相配合，可测量交流电流和直流电流、交流电压和直流电压及电阻等。测量电阻部分即欧姆表是依据闭合电路欧姆定律制成的，原理如图所示，当红、黑表笔短接并调节R使指针满偏时有
　　Ig= = 　　 （1）
　　当电笔间接入待测电阻Rx时，有
　　Ix= 　　　　 （2）
　　联立（1）、（2）式解得
　　 = 　　　 （3）
　　由（3）式知当Rx=R中时，Ix= Ig，指针指在表盘刻度中心，故称R中为欧姆表的中值电阻，由（2）式或（3）式可知每一个Rx都有一个对应的电流值I，如果在刻度盘上直接标出与I对应的Rx的值，那么当红、黑表笔分别接触待测电阻的两端，就可以从表盘上直接读出它的阻值。
　　由上面的（2）可知，电流和电阻的非线性关系，表盘上电流刻度是均匀的，其对应的电阻刻度是不均匀的，电阻的零刻度在电流满刻度处。

　　[实验器材]
　　多用电表，标明阻值为几欧、几十欧、几百欧、几千欧的定值电阻各一个，小螺丝刀。

　　[实验步骤]
　　1．机械调零，用小螺丝刀旋动定位螺丝使指针指在左端电流零刻度处，并将红、黑表笔分别接入“+”、“－”插孔。
　　2．选挡：选择开关置于欧姆表“×1”挡。
　　3．短接调零：在表笔短接时调整欧姆挡的调零旋钮使指针指在右端电阻零刻度处，若“欧姆零点”旋钮右旋到底也不能调零，应更换表内电池。
　　4．测量读数：将表笔搭接在待测电阻两端，读出指示的电阻值并与标定值比较，随即断开表笔。
　　5．换一个待测电阻，重复以上2、3、4过程，选择开关所置位置由被测电阻值与中值电阻值共同决定，可置于“×1”或“×10”或“×100”或“×1k”挡。
　　6．多用电表用完后，将选择开关置于“OFF”挡或交变电压的最高挡，拔出表笔。

　　[注意事项]
　　1．多用电表在使用前，应先观察指针是否指在电流表的零刻度，若有偏差，应进行机械调零。
　　2．测量时手不要接触表笔的金属部分。
　　3．合理选择量程，使指针尽可能指在中间刻度附近（可参考指针偏转在 ~5R中的范围）。若指针偏角太大，应改换低挡位；若指针偏角太小，应改换高挡位。每次换挡后均要重新短接调零，读数时应将指针示数乘以挡位倍率。
　　4．测量完毕后应拔出表笔，选择开关置OFF挡或交流电压最高挡，电表长期不用时应取出电池，以防电池漏电。

　　[例题]
　　1．多用电表中“+”孔插______（红、黑）表笔，电流是从该表笔流______(填“进”或“出”)，欧姆表内部电池的正极是接______(填“红”或“黑”)表笔的。
　　答案：由一般的知识可知红表笔就是接正极，由上面的图形可知欧姆表的电流是由红笔流进的，由黑笔流出；欧姆表内部电池的正极是黑笔。所以上面的空应填“红”、“进”、“黑”。

　　2．一学生使用多用电表测电阻，他在实验中有违反使用规则之处。他的主要实验步骤如下：
　　A．把选择开关置于“×1”欧姆挡；
　　B．把表笔插入插孔中，先把两表笔相接触，旋转调零旋钮，使指针指在电阻刻度的零位上；
　　C．把两表笔分别与某一待测电阻的两端相连，发现这时指针偏转角度较小；
　　D．换用“×100”挡，发现这时指针偏转适中，随即记下电阻值；
　　E．把表笔从插孔中拔出后，就把多用表放回桌上原处，实验完毕。
　　这个学生已经注意到在测量时待测电阻与其它元件或电源断开，不用手碰表笔的金属杆。这个学生在实验中哪一个或哪些步骤违反了使用规则？
　　答案：D．先调零后再测R；E．将选择开关置于“OFF”或交流电压最大挡。

　　5、研究电磁感应现象
　　[实验目的]
　　认识产生电磁感应现象的条件；通过实验总结出感应电流的方向与穿过闭合电路的磁通量变化之间的关系——楞次定律。

　　[实验原理]
　　如图，将零刻度在中央的电流表与副线圈连成闭合回路。通过闭合、断开电键，改变原线圈A回路中的电流，或改变原副线圈B相对位置等方式，改变穿过副线圈B的磁通量，观察电流表指针是否偏转和偏转情况，归纳总结出产生电磁感应现象的条件和判断感生电流方向的规律。

　　[实验器材]
　　零刻度在中央的电流表（检流计），原、副线圈，直流电源，滑动变阻器，电键，定值电阻（约几十千欧），干电池（旧的更好），导线若干。

　　[实验步骤]
　　1．观察原、副线圈的绕制方法，画出相应的图示。
　　2．确定电流表中电流方向和指针偏转方向关系：用一节旧干电池串联一只几十千欧的电阻试触一下电流表，观察通入电流方向和指针偏转方向之间的关系。
　　3．按电路图把原线圈（内径较小且带铁心）、变阻器、直流电源和电键串联成一个电路；把检流计和副线圈（内径较大的）串联成另一个电路。
　　4．研究产生感应电流的条件：
　　闭合电键使原线圈通电，观察把原线圈插入副线圈过程中有无感应电流；观察原线圈置于副线圈中不动时有无感应电流；观察把原线圈从副线圈中取出过程中有无感应电流。
　　将原线圈回路中的电源反接再观察一次。
　　将原线圈插入副线圈，观察电键闭合和断开时有无感应电流。
　　原线圈插入副线圈通电后，改变原线圈回路中变阻器的阻值，从而改变原线圈中的电流，观察副线圈中有无感应电流。
　　总结出副线圈中产生感应电流的条件。
　　5．研究感应电流方向与磁通量变化关系：
　　重复4的实验过程，记下原磁场方向、变化情况、电流表指针偏转情况。
　　总结出感应电流方向和磁通量变化之间关系。

　　[注意事项]
　　1．实验前必须弄清电流表中电流方向和指针偏转方向的关系。判断时所用电池旧一些为好，通电时电键应采用瞬间接触的方式。
　　2．原线圈回路闭合电键前应使变阻器处于最大值，调节时不要使原线圈中电流强度过大，通电时间不宜过长。

　　[例题]
　　1．如果电流表中电流从正接线柱流入、负接线柱流出时，指针向右偏，把该电流表与一个线圈串联，请分别标明，图（A）中表针偏转方向、图（B）中磁铁的极性、图（C）中磁铁的运动方向、图（D）中线圈的绕制方向。
　　答案：在图A中，磁铁是插入状态，线圈的磁通量是增加的，方向向右，所以感生电流的磁场方向应是向左的，由右手定则可知电流表的电流是由负极流向正极的，电流表应是向左偏的。
　　在B图中的电流与A中是相同的，但是绕法与A相反，所以磁极也应是相反的，故在B图中磁铁的右端是S极。
　　C图中的磁铁应是远离线圈的。
　　D图中的电流与A中的电流方向是相反的，磁铁的磁极、运动方向是相同的，故其绕法也是与A是相反的。与BC线圈的绕法一至。

　　2．一位同学用如图所示器材进行“研究电磁感应现象”的实验，他的实验步骤如下：
　　A．根据所给实验器材，连接实物电路图；
　　B．接通电源，给线圈A通电，观察并记录A线圈在插入、拔出及停止在B线圈过程中，电流表指针的偏转情况；
　　C．改变线圈A中的电流方向，按步骤C重做实验和记录；
　　D．线圈A插入线圈B通电后，改变线圈A中电流大小，观察并记录电流表指针的偏转情况；
　　E．实验分析、验证。

　　试求解：
　　（1）完成该同学的实验步骤A，即按实验要求，把给出的器材连接成电路。

　　（2）该同学的上述实验步骤中漏掉什么重要步骤？

　　（3）如图，当把A线圈放在B线圈左侧附近在由近及远地远离B线圈的过程中，下面说法正确的是
　　A．电流表指针不偏转
　　B．无法判断电流表指针是否偏转
　　C．电流表指针偏转，电流可能从表的正接线柱流入电流表
　　D．电流表指针偏转，电流可能从表的负接线柱流入电流表

　　答案：（1）略；

　　　　　（2）查明A、B线圈的绕向、以及电流表中电流方向与指针偏转方向的关系；

　　　　　（3）CD。