物理研究性课题.docx
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物理研究性课题
1.滑动变阻器
滑动变阻器是电路中的一个重要元件，它可以通过移动滑片的位置来改变自身的电阻，从而起到控制电路的作用。
在电路分析中，滑动变阻器既可以作为一个定值电阻，也可以作为一个变值电阻。
滑动变阻器的构成一般包括接线柱、滑片、电阻丝、金属杆和瓷筒等五部分。
工作原理
滑动变阻器是电学中常用器件之一，它的工作原理是通过改变接入电路部分电阻线的长度来改变电阻的，从而逐渐改变电路中的电流大小。
滑动变阻器的电阻丝一般是是熔点高，电阻大的镍铬合金，电阻杆一般是电阻小的金属，所以电阻丝越长，电阻越大，电阻杆越短，电阻越小。
主要作用
（1）保护电路。
即连接好电路，电键闭合前，应调节滑动变阻器的滑片P，使滑动变阻器接入电路部分的电阻最大。
（2）通过改变接入电路部分的电阻来改变电路中的电流，从而改变与之串联的导体（用电器）两端的电压。
在连接滑动变阻器时，要求：
一上一下，各用一个接线柱；实际连接应根据要求选择下面的接线柱。
主要材料
滑动变阻器的主要材料应该为“康铜丝”或电阻丝，将康铜丝或电阻丝绕制在绝缘基板上，两端用引线引出，变阻器的滑动臂接触电阻丝并可调节到两端的距离，改变滑动臂到电阻丝两端的电阻，就形成了滑动变阻器。
还有就是用电阻材料（比如碳质材料）“镀”在绝缘基板上，由中间滑动臂来调节电阻的滑动变阻器。
2.电表
（1）电流表
电流表（ammeter）又称“安培表”，是测量电路中电流大小的工具，主要采用磁电系电表的测量机构。
原理
电流表是根据通电导体在磁场中受磁场力的作用而制成的。
电流表内部有一永磁体，在极间产生磁场，在磁场中
有一个线圈，线圈两端各有一个游丝弹簧，弹簧各连接电流表的一个接线柱，在弹簧与线圈间由一个转轴连接，在转轴相对于电流表的前端，有一个指针。
当有电流通过时，电流沿弹簧、转轴通过磁场，电流切磁感线，所以受磁场力的作用，使线圈发生偏转，带动转轴、指针偏转。
由于磁场力的大小随电流增大而增大，所以就可以通过指针的偏转程度来观察电流的大小。
这叫磁电式电流表，就是我们平时实验室里用的那种。
电流表是分为直流电流表和交流电流表。
电流表的选择和使用注意事项
电流表和电压表的测量机构基本相同，但在测量线路中的连接有所不同。
因此，在选择和使用电流表和电压表时应注意以下七点。
1、类型的选择。
当被测量是直流时，应选直流表，即磁电系测量机构的仪表。
当被测量是交流时，应注意其波形与频率。
若为正弦波，只需测出有效值即可换算为其他值（如最大值、平均值等），采用任意一种交流表即可；若为非正弦波，则应区分需测量的是什么值，有效值可选用磁系或铁磁电动系测量机构的仪表，平均值则选用整流系测量机构的仪表。
电动系测量机构的仪表常用于交流电流和电压的精密测量。
2、准确度的选择。
因仪表的准确度越高，价格越贵，维修也较困难。
而且，若其他条件配合不当，再高准确度等级的仪表，也未必能得到准确的测量结果。
因此，在选用准确准确度较低的仪表可满足测量要求的情况下，就不要选用高准确度的仪表。
通常0.1级和0.2级仪表作为标准表选用；0.5级和1.0级仪表作为实验室测量使用；1.5级以下的仪表一般作为工程测量选用。
3、量程的选择。
要充分发挥仪表准确度的作用，还必须根据被测量的大小，合理选用仪表量限，如选择不当，其测量误差将会很大。
一般使仪表对被测量的指示大于仪表最大量程的1/2~2/3以上，而不能超过其最大量程。
4、内阻的选择。
选择仪表时，还应根据被测阻抗的大小来选择仪表的内阻，否则会带来较大的测量误差。
因内阻的大小反映仪表本身功率的消耗，所以，测量电流时，应选用内阻尽可能小的电流表；测量电压时，应选用内阻尽可能大的电压表。
5、正确接线。
测量电流时，电流表应与被测电路串联；测量电压时，电压表应与被测电路并联。
测量直流电流和电压时，必须注意仪表的极性，应使仪表的极性与被测量的极性一致。
6、高电压、大电流的测量。
测量高电压或大电流时，必须采用电压互感器或电流互感器。
电压表和电流表的量程应与互感器二次的额定值相符。
一般电压为100V，电流为5A。
7、量程的扩大。
当电路中的被测量超过仪表的量程时，可采用外附分流器或分压器，但应注意其准确度等级应与仪表的准确度等级相符。
另外，还应注意仪表的使用环境要符合要求，要远离外磁场。
使用规则
①电流表要与用电器串联在电路中（否则短路，烧毁电流表。
）;
②电流要从"+"接线柱入，从"-"接线柱出（否则指针反转，容易把针打弯。
）;
③被测电流不要超过电流表的量程（可以采用试触的方法来看是否超过量程。
）;
④绝对不允许不经过用电器而把电流表连到电源的两极上（电流表内阻很小，相当于一根导线。
若将电流表连到电源的两极上，轻则指针打歪，重则烧坏电流表、电源、导线。
）.
注意是：
先烧表（电流表），后毁源（电源）
（2）电压表
电压表是测量电压的一种仪器，常用电压表——伏特表符号：
V，在灵敏电流计里面有一个永磁体，在电流计的两个接线柱之间串联一个由导线构成的线圈，线圈放置在永磁体的磁场中，并通过传动装置与表的指针相连。
大部分电压表都分为两个量程。
（0—3V）（0—15V），电压表有三个接线柱，一个负接线柱，两个正接线柱，电压表的正极与电路的正极连接，负极与电路的负极连接。
电压表是个相当大的电阻器，理想的认为是断路。
原理
电压表和电流表都是根据一个原理就是电流的磁效应制作的电流越大，所产生的磁力越大，表现出的就是电压表上的指针的摆幅越大，电压表内有一个磁铁和一个导线线圈，通过电流后，会使线圈产生磁场这样线圈通电后在磁铁的作用下会旋转，这就是电流表、电压表的表头部分。
这个表头所能通过的电流很小，两端所能承受的电压也很小（肯定远小于1V，可能只有零点零几伏甚至更小），为了能测量实际电路中的电压，需要给这个电压表串联一个比较大的电阻，做成电压表。
这样，即使两端加上比较大的电压，可是大部分电压都作用在加的那个大电阻上了，表头上的电压就会很小了。
电压表是一种内部电阻很大的仪器，一般应该大于几千欧。
由于电压表要与被测电阻并联，所以如果直接用灵敏电流计当电压表用，表中的电流过大，会烧坏电表，这时需要在电压表的内部电路中串联一个很大的电阻，这样改造后，当电压表再并联在电路中时，由于电阻的作用，加在电表两端的电压绝大部分都被这个串联的电阻分担了，所以通过电表的电流实际上很小，所以就可以正常使用了。
直流电压表的符号要在V下加一个_，交流电压表的符号要再V下加一个波浪线“~”
用于测量直流电压、交流电压的机械式指示电表。
分为直流电压表和交流电压表。
电压表的选择和使用注意事项
电流表和电压表的测量机构基本相同，但在测量线路中的连接有所不同。
因此，在选择和使用电流表和电压表时应注意以下七点。
1、类型的选择。
当被测量是直流时，应选直流表，即磁电系测量机构的仪表。
当被测量是交流时，应注意其波形与频率。
若为正弦波，只需测出有效值即可换算为其他值（如最大值、平均值等），采用任意一种交流表即可；若为非正弦波，则应区分需测量的是什么值，有效值可选用磁系或铁磁电动系测量机构的仪表，平均值则选用整流系测量机构的仪表。
电动系测量机构的仪表常用于交流电流和电压的精密测量。
2、准确度的选择。
因仪表的准确度越高，价格越贵，维修也较困难。
而且，若其他条件配合不当，再高准确度等级的仪表，也未必能得到准确的测量结果。
因此，在选用准确准确度较低的仪表可满足测量要求的情况下，就不要选用高准确度的仪表。
通常0.1级和0.2级仪表作为标准表选用；0.5级和1.0级仪表作为实验室测量使用；1.5级以下的仪表一般作为工程测量选用。
3、量程的选择。
要充分发挥仪表准确度的作用，还必须根据被测量的大小，合理选用仪表量限，如选择不当，其测量误差将会很大。
一般使仪表对被测量的指示大于仪表最大量程的1/2~2/3以上，而不能超过其最大量程。
4、内阻的选择。
选择仪表时，还应根据被测阻抗的大小来选择仪表的内阻，否则会带来较大的测量误差。
因内阻的大小反映仪表本身功率的消耗，所以，测量电流时，应选用内阻尽可能小的电流表；测量电压时，应选用内阻尽可能大的电压表。
5、正确接线。
测量电流时，电流表应与被测电路串联；测量电压时，电压表应与被测电路并联。
测量直流电流和电压时，必须注意仪表的极性，应使仪表的极性与被测量的极性一致。
6、高电压、大电流的测量。
测量高电压或大电流时，必须采用电压互感器或电流互感器。
电压表和电流表的量程应与互感器二次的额定值相符。
一般电压为100V，电流为5A。
7、量程的扩大。
当电路中的被测量超过仪表的量程时，可采用外附分流器或分压器，但应注意其准确度等级应与仪表的准确度等级相符。
另外，还应注意仪表的使用环境要符合要求，要远离外磁场。
注意事项
使用电压表时应注意以下几点
1．测电压时，必须把电压表并联在被测电路的两端
2．“+”“-”接线柱不能接反
3．正确选择量程。
被测电压不要超过电压表的量程使用时接一正一负，并联在电路中。
（3）多用电表
多用电表用途
测量交流/直流电压、交流/直流电流、电阻阻值、电容器容量、电感量、音频电平、频率、晶体管NPN或PNP电流放大倍数β值等。
使用说明
使用时要注意量程，不用时要将选择开关旋转到OFF挡或交流电压最高挡，严禁把开关置于欧姆档。
开始测量前需进行机械调零，用螺丝刀旋动表面旋钮，使指针指向零刻度位置
多用表的原理
多用电表是一种多用仪表，一般可用来测量直流和交流电流，直流和交流电压以及电阻等，并且每种测量都有几个量程。
（1）测量直流电流、直流电压的原理和直流电流表、直流电压表的原理相同。
（2）测量电阻：
内部电路原理如右图所示
其原理是根据闭合回路的欧姆定律测量，即。
式中均为定值电阻，不同的rx对应不同的电流i（当然电流i和被测电阻rx不是正比的关系，所以电阻值的刻度是不均匀的）。
如果在刻度盘直接标出与电流i对应的电阻rx值，可以从刻度盘上直接读出被测量电阻的阻值。
（3）“调零”原理：
当两表笔接触时，rx=0，此时电流调到满偏值（最大值），对应电阻值为零。
（4）中值电阻：
是多用表电阻档的内阻，当被测电阻rx=Rg+R+r时，通过表头的电流，即通过表头的电流为满偏电流的一半，此时指针指在刻度盘的中央，所以一般叫电阻档的内阻称为中值电阻。
多用表的使用方法
（1）测量电流时，跟电流表一样，应把多用表串联在被测电路中，对于直流电，必须使电流从红表笔流进多用表从黑表笔流出来。
（2）测量电压时，跟电压表一样，应把多用表并联在在被测电路两端，对于直流电，必须用红表笔接电势较高的点，用黑表笔接电势较低的点。
（3）测量电阻时，在选择好档位后，要先把两表笔相接触，调整电阻档的调零旋钮，使指针指在电阻刻度的零位置，然后再把两表笔分别与待测电阻的两端相连。
应当注意：
换用欧姆档的另一个量程时，需要重新调整电阻档的调零旋钮，才能进行测量。
在测电阻前，必须将待测电阻与电源断开，否则相当于在欧姆档内又加了一个电源，这不仅会影响测量结果，还可能损坏表头。
（当多用电表为电压档或电流档的时候表量程最左端为零刻线，当为欧姆档的时候表量程最右端为零刻线）
多用表的读数方法
（1）测电阻：
万用表刻度盘面上一般标有3~4组刻度线，一般最上面的是欧姆档的，
欧姆档的刻度线不是从左到右读得，而是从右到左0、1、2、3、4、5、10……无穷大（这是倍率）。
选好档位，
用表笔分别连接电阻的两端，等指针不动了读倍率，用档位乘以倍率，就可以得到阻值了。
（2）测电流：
如用“直流10mA档测量电流”中的10mA去除以250mA（电流最大那个标250MM的）乘以图中所表示的数字（用“直流1mA档测量电流”档看（0—250）“直流100mA档测量电流”的看中间的，“直流10mA档测量电流”的看最下的）测电压也一样。
（3）注意事项：
所有电表的使用，还有一个要求：
选择合理的档次，致使指针停留在表盘刻度的“1\3---2\3”之间。
这不是一个严格要求，但确必须考虑这个“原则”。
4.分压限流电路
滑动变阻器在电路中可以作限流器用，也可以作分压器用。
在确保安全的条件下，如何选用这两种不同的形式，是由电路中的需要来决定的。
限流式
限流式
以下情况可选用限流式接法：
①待测用电器电阻接近滑动变阻器电阻（也可选用分压式接法）。
②简化电路，节约能源。
分压式
分压式
以下情况必须使用分压式接法：
①待测用电器电阻远大于或远小于滑动变阻器电阻。
②实验要求待测用电器电流及其两端电压可以由0开始连续变化（例如测小灯泡的伏安特性曲线）。
③实验要求待测用电器电流及其两端电压可变范围较大。
④采用限流式接法时，无论如何调节变阻器，电流、电压都大于对应电表的量程。
串分压公式：
U1/U2=R1/R2
串分压公式推论：
U1/U=R1/R串
并分流公式：
I1/I2=R2/R1（I代表干路电流I1代表支路1电流I3代表支路2电流）
并分流公式推论：
I1/I=R2/R1+R2即：
I=（R2/R1+R2）×I
在一个并联电路中，电路的【总电阻的（倒数）】等于各支路【电阻的（倒数）之{和}】
公式为：
1/R并=1/R1+1/R2+...........+1/Rn
5串联连接
电路中的元件或部件排列得使电流全部通过每一部件或元件而不分流的一种电路连接方式。
串联是连接电路元件的基本方式之一。
将电路元件（如电阻、电容、电感等）逐个顺次首尾相连接。
将各用电器串联起来组成的电路叫串联电路。
串联电路中通过各用电器的电流都相等。
串联电路的特点
1．串联电路电流处处相等：
I总=I1=I2=I3=……=In
2．串联电路总电压等于各处电压之和：
U原=U1+U2+U3+……+Un
3．串联电阻的等效电阻等于各电阻之和：
R总=R1+R2+R3+……+Rn
4．串联电路总功率等于各功率之和：
P总=P1+P2+P3+……+Pn【推导式：
P1P2/（P1+P2）】
5．串联电容器的等效电容量的倒数等于各个电容器的电容量的倒数之和：
1/C总=1/C1+1/C2+……+1/Cn
6．串联电路中，除电流处处相等以外，其余各物理量之间均成正比（串联电路又名分压电路）：
（电流做的功指在通电相同时间内的大小）R1∶R2=U1∶U2=P1∶P2=W1∶W2=Q1∶Q2。
7．开关在任何位置控制整个电路，即其作用与所在的位置无关。
电流只有一条通路，经过一盏灯的电流一定经过另一盏灯。
如果熄灭一盏灯，另一盏灯一定熄灭。
8.在一个电路中，若想控制所有电路，即可使用串联的电路。
9．串联电路中，只要有某一处断开，整个电路就成为断路。
即所相串联的电子元件不能正常工作。
6.并联电路
把电路中的元件并列地接到电路中的两点间，电路中的电流分为几个分支，分别流经几个元件的连接方式叫并联。
即若干二端电路元件共同跨接在一对节点之间的连接方式。
这样连成的总体称为并联组合。
其特点是：
①组合中的元件具有相同的电压；②流入组合端点的电流等于流过几个元件的电流之和；③线性时不变电阻元件并联时，并联组合等效于一个电阻元件，其电导等于各并联电阻的电导之和，称为并联组合的等效电导，其倒数称为等效电阻；④几个初始条件为零的线性时不变电容元件并联时的等效电容为；⑤几个初始条件为零的线性时不变电感元件并联时的等效电为；⑥正弦稳态下，几个复数导纳的并联组合的等效导纳为，式中Yk是并联组合中第k个导纳。
并联电路中，电阻大小的计算公式为1/R=1/R1+1/R2+1/R3+……（R1、R2、R3……表示各支路电阻大小）
在并联电路中，除各支路两端电压相等以外，电阻和其它物理量之间均成反比（在相同时间内），R1：
R2=I2：
I1=P2：
P1=W2：
W1=Q2：
Q1除电阻和电压以外，其它物理量之间又成正比I1：
I2=P1：
P2=W1：
W2=Q1：
Q2。
无论是电源还是电阻，有一个共同的特点，就是串联的时候各串联单元电流相等，电压相加，并联时各并联单元电压相等，电流相加。
7.安培表的内外接法
电压表和电流表连入电路可以有两种方法：
一种是如图所示的电路叫做电流表外接电路（简你“外接法”）；一种是如图所示电路叫做电流表内接电路（简称“内接去”）．由于电流表、电压表内阻的影响，不管采用电流表内接还是外接都将会引起误差．外接法的测量误差是由于电压表的分流作用而产生，由并联电路中电流分配与电阻成反比可知当
时，电压表的分流作用可忽略不计，此时
，可见对于小电阻的测量宜采用外接法电路．内按法产生的误差是电流表的分压作用，由串联电路的电压分配与电阻成正比可知，当
时，电流表的分压作用很小，可忽略不计，此时
，所以对大电阻应采用内接法电路．那么如何确定R值是较大还是较小呢？
根据以上分析可知，当被测电阻与电压表内阻的关系满足
即
时应采用“外接法”较准确；当被测电阻与电流表的内阻相比满足
即
时，采用“内接法”测量误差较小．若当
时，电压表的分流作用和电流表的分压作用对测量结果的影响是相同的，此时既可选择“内接法”也可选择“外接法”．
，此时的Ｒ我们常称为临界电阻．当
时，电流表的分压作用较电压表的分流作用明显，应采用外接电路，当
时，电压表的分流作用较电流表的分压作用明显，应采用内接电路．
例2有一小灯泡上标有“6V0．6Ｗ”的字样，现在要用伏安法测量这个灯泡的
图线，已知所用器材有：
是电流表（0～0．3Ａ，内阻1
）；电压表（0～15Ｖ，内阻20k
）；滑动变阻器（0～30
，2Ａ）；学生电源（直流9Ｖ）；开关一只、导线若干．为使实验误差尽量减小，画出合理的实验电路图．
分析与解因为电压表内阻远大于灯泡的最大阻值60
，因此选择电流表外接法．电路如图所示．
例３用伏安法测量阻值约为几十欧的线圈的电阻Ｒ，己知所用电流表的量程为（0～0．6Ｖ），内阻0.125
，电压表的量程为（0～15Ｖ），内阻为15k
，蓄电池组电压为12Ｖ，问应采用哪一种连接电路？
分析与解因为
，而题目给出的被测电阻阻值约为几十欧，可能大于43
，也可能小于43
，因此内接法、外接法两种电路均可采用。
在具体的实验中若
、
均不知的情况下，可用试触法判定，即通过改变电表的连接方式看电流表、电压表指针变化大小来确定．
8.电源电动势和内阻测量
1．利用电流表和电压表来测量
电路图：
有两种连接方式，如图1所示电流表内接法和如图2所示的电流表外接法。
原理：
闭合电路欧姆定律
，改变外电阻R，就能测得U、I的数据，利用两组数据代入公式可求得E、r的数值，但误差较大，通常利用多组数据作出U—I图象来求解。
误差：
利用如图1所示的电路测量时，E测＜E真，r测＜r真；利用如图2所示的电路测量时，E测=E真，r测＞r真。
2．利用一只电流表和电阻箱来测量
电路图：
如图6所示。
原理：
由闭合电路欧姆定律
。
改变电阻箱的阻值R就能得到R、I数据，利用两组数据就能求得E、r，或利用多组数据作图象来求解。
误差：
E测=E真，r测＞r真
特殊测量方法
1．利用辅助电源测量
电路图：
如图18所示。
原理：
调节滑动变阻器R和R’，使电流表G的示数为0，此时A．B两点的电势φA．φB的关系是φA=φB，读出电流表A和电压表V的示数I和U，则
，利用两组数据可求得E、r的数值。
误差：
此方法无系统误差，精确程度取决于电流表G的灵敏程度。
2．利用电桥平衡测量
电路图：
如图19所示。
原理：
调节变阻器R1和R2使电流表G的读数为0，此时电流表A1和A2的示数之和就是流过电源的电流I（即干路电流），电压表V1和V2的示数之和就是电源的路端电压U，则
，两次调节R1和R2，使电流表G的示数变为0，读出四个电表的读数，便可求出电源电动势和内阻。
假设第一次两电流表示数之和为I1，两电压表示数之和为U1，则
；第二次两电流表示数之和为I2，两电压表示数之和为U2，则
，联立可得
，
。
误差：
此方法同样无系统误差，并且不必考虑电表带来的误差，因为此时电表相当于电源的外电路电阻，精确程度取决于电流表G的灵敏程度。
3．利用电动势已知的标准电源测某电源的电动势
电路图：
如图20所示。
原理：
图20中E为供电电源，Es为为标准电源，Ex为待测电源，Rp是限流电阻，r0电流表G的保护电阻。
测量时，首先闭合开关S1，电阻丝AB上有一定的电势降落；接着将开关S2合到“1”位置，移动滑动触头C，使G指针指零，此时AC的长度为L1，AC段电压为Es；再将S2合到“2”位置，移动滑动触头C，使G指针再指零，此时AC的长度为L2，AC段电压为Ex。
由于电流表G的示数为0，则两次流过AB的电流不变，故
，得
。
误差：
此实验无系统误差，精确程度取决于电流表G的灵敏程度。
9.伏安特性曲线
伏安特性曲线图常用纵坐标表示电流I、横坐标表示电压U，以此画出的I-U图像叫做导体的伏安特性曲线图。
这种图像常被用来研究导体电阻的变化规律，是物理学常用的图像法之一。
二极管伏安特性曲线
导体A、B的伏安特性曲线
某一个金属导体，在温度没有显著变化时，电阻是不变的，它的伏安特性曲线是通过坐标原点的直线，具有这种伏安特性的电学元件叫做线性元件。
因为温度可以决定电阻的大小。
欧姆定律是个实验定律，实验中用的都是金属导体。
这个结论对其它导体是否适用，仍然需要实验的检验。
实验表明，除金属外，欧姆定律对电解质溶液也适用，但对气态导体（如日光灯管、霓虹灯管中的气体）和半导体元件并不适用。
也就是说，在这些情况下电流与电压不成正比，这类电学元件叫做非线性元件。
研究小灯泡伏安特性曲线
方法:
【目的和要求】
通过实验绘制小灯泡的伏安曲线，认识小灯泡的电阻和电功率与外加电压的关系。
【仪器和器材】
学生电源（J1202型或J1202－1型），直流电压表（J0408型或J0408－1型），直流电流表（J0407型或J0407－1型），滑动变阻器（J2354－1型），小灯泡（6．3伏、0．3安或6伏、3瓦），小灯座（J2351型），单刀开关（J2352型），导线若干。
实验方法：
伏安法
1．连接电路，开始时，滑动变阻器滑片应置于最小分压端，使灯泡上的电压为零。
2．接通开关，移动滑片C，使小灯泡两端的电压由零开始增大，记录电压表和电流表的示数。
3．在坐标纸上，以电压U为横坐标，电流强度I为纵坐标，利用数据，作出小灯泡的伏安特性曲线。
4．由R=U/I计算小灯泡的电阻，将结果填入表中。
以电阻R为纵坐标，电压U为横坐标，作出小灯泡的电阻随电压变化的曲线。
5．由P=IU计算小灯泡的电功串，将结果填入表中。
以电功率P为纵坐标，电压U为横坐标，作出小灯泡电功率随电压变化的曲线。
6，分析以上曲线。
实验原理
由于小灯泡钨丝的电阻随温度而变化，因此可利用它的这种特性进行伏安特性研究。
实验中小灯泡的电阻等于灯泡两端的电压与通过灯泡电流的比值。
改变小灯泡两端的电压，测出相应的电流值，可以得到小灯泡的电阻、电功率与
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