书城科普读物动手做实验丛书--电学实验改进设计实践
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第15章 恒定电流的实验操作与改进设计(3)

以电动势ε=150V,内阻r=10Ω的1号电池为例。设外电路电阻分别为R1=10Ω,R2=5Ω。从理论上说,对应的电流及路端电压应分别是:I1=1510+1A=0136A,U=15V-0136×1V=146V;I2155+1A=025A,U2=15V-025×1v=125v。但一般中学实验用的仪表都是25级的,即读数的误差可能达到满刻度的25%。当用电流表的06A档和电压表的3V档测以上电流、电压值时,读数的绝对误差分别可达±△I=±06A×25%=±0015A,±△U=±3V×25%≈±008V。因此,即使不考虑读数时技术上的原因,单从仪表本身的误差来说,实际测得的电流、电压值应分别是I1=0136A±0015A,U1=146V±008V;I2=025A±0015A,U2=125V±008V,它们在这误差范围内,是完全不确定的。

如果I1,U1取可能读数的上限,I2、U2取下限,则可求得:

r上=U1上-U2下I2下-I1上=(146+008)-(125-008)(025-0015)-(0136+0015)Ω=51Ω。

ε上=U1上+I1上r上=(146+008)V+(0136+0015)×51V=23V。

反之,如I1,U1取下限,I2,U2取上限,则可求得:

r下=U1下-U2上I2上-I1下=035Ωε下=U1下+I1下r下=14V,即测得的ε在14V至23V之间,不能确定;r在035Ω至51Ω之间不能确定。显然。这样的实验是没有多大意义的。

怎样减少仪表读数误差对最后结果的影响?

由解析式ε=U1I2-U2I1I2-I1和有关的误差理论,我们可以求得电动势的相对误差为:

△εε=(U1+U2)△IU1I2-U2I1+(I2+I1)△IU1I2-U2I1+2△II2-I1。

这相对误差必然比电流表或电压表单独造成的误差大好几倍。事实上,设U′、I′分别表示U1、U2及I1、I2中较大的一个,即可推得下列不等式:

(U1+U2)△IU1I2-U2I1=△IU1I2U1+U2-U2U1U1+U2=△II21+U2I1=I11+U1U2>△II′,(I2+I1)△UU1I2-U2I1=△UU1I2I2+I1-U2I1I2+I1=△IU11+I1I2-U21+I2I1>△UU′2△II2-I1>2△II′,故△εε>△UU′+3△II′。

为了减少这误差,测电动势时最好是只用电压表来进行实验,就是用电压表测出电源在开路时的电压。此时电流测量的误差不存在(已确知为0),△εε=△UU。同理,由解析式r=U1-U2I1-I2及有关误差理论,求得内电阻的相对误差:

△rr=△2△UU1-U2+2△II2-I1要使这误差尽可能小,应使|U1-U2|及|I2-I1|尽可能大,这只有在电源开路和短路两个极端情况下才能实现。因此,若仅考虑仪表读数的误差对结果的影响,实验应这样做:

在电源开路情况下,测定路端电压,这路端电压即可认为等于电源电动势。

在电源短路情况下,测得电路中的电流强度,由式=εr求得内电阻r。

事实上,许多电源是不允许短路的,这时可在电源容量允许的范围内选一尽可能小的外电阻R测得电流,由I=εR+r求得r。

必须指出,这一部分的讨论,忽略了电流表、电压表接入电路对电路中电流、电压分布情况的影响。

关于图线法。

从式U=ε-Ir可知,U与I的关系在U-I图上可用一直线表示。令I=0,即得U开=ε,令U=0,得I,而内阻r=R开I短。

用图线法来求实验结果。可免去繁琐的计算,对解决误差问题也有重要意义。如果我们改变外电路的电阻,测出U1、I1;U2、I2,等多组值。由于仪表读数的误差,在U-I图上,这些点并不真正分布在一直线上。如实验中我们偶然选中了①、②、④、⑤、⑥、⑦,这几对U、I值以求得ε、r的平均值(这几对数据的特点是△U较小,△I较大,即εr值偏小),和选中③、④,⑤、⑥等几对U、I值来求得ε、r的平均值(这几对数据的特点是△U较大,△I较小,即ε、r值偏大),其结果是完全不同的。虽然我们尽可能增加实验的次数,有可能减少最后平均值的误差,但它的偶然性很大且计算十分繁琐。我们若按各组U、I值作一条折衷的直线,使直线两边点的数目基本相同,再按图线法求得ε、r的值,显然可以大大减少实验的偶然误差。这样分析虽很粗略,但对中学生来说已可以了。

一种内阻可变的新型实验电池

高中《物理》电学教学中,采用的直流电源为干电池或蓄电池,由于上述电源内阻大小,所以在教学中的几个实验不得不通过串联一个电阻做假内阻的办法来解决。这样做,往往给学生以假象,容易得出错误的概念,有的实验依靠假内阻的办法还难以解决。

江苏武进湖塘中学沈晓明老师设计了一种内阻可调,电动势较稳定的蓄电池,能较好地完成“闭合电路欧姆定律”、“用电流表和电压表测定电池的电动势和内阻”、“研究电源的输出功率”等实验。该电池还可当作普通电池使用。

结构和特点:

1、2铅板3改变内阻的通道4上下可移动的形∩管5底座6提手该蓄电池备有两个电液槽、电液槽间的电液沟通依靠处在两槽间上部的通道(3),电液处在通道以下,两电液槽不通,在两槽中各插入一付铅板(1、2),经充电后即成两个各自独立的铅蓄电池,串联后,电动势4V,容量大于1安培·小时,可作为一般直流电源供学生实验用。

在两电液槽内各插入一块正负铅极板,并在两槽间插入“∩”形管(4),上下移动“∩”管(∩形管的定位是依靠紧贴在通道侧面的塑料上),改变通道内电液面的大小(电池盒外刻有刻度),以致电池内阻发生变化。作“闭合电路欧姆定律”实验时,在两液槽中分别插入探针即可。

该电池结构紧凑、合理。造型美观、电池设有提手,手提方便;地池底座较大,且呈凹形,不仅增加了电池稳度,而且可盛偶尔溢出的电液,电池整体结构均采用耐酸塑料,无金属件,不怕腐蚀。

用该电池作“闭合电路欧姆定律”实验时,电池内阻可调在20Ω以上,作“用电流表和电压表测定电池的电动势和内阻”实验时,内阻可调在5Ω左右。作“研究电源的输出功率”实验时,内阻同上。具体实验作法与一般相同,这里不再赘述。

伏打电验电器的一种新方法

某些以往的物理演示实验仪器只需稍加改进仍可继续使用,1782年制作的Alessandro伏打电容式验电器就是一例。至今它仍能有效地演示怎样用9V半导体电池使验电器带电。这个演示有助于学生理解通常用静电方法产生的各种现象亦可用动态电再现。

原来的电容式验电器,复制自Ganot(1868)。改进了验电器是用一金属平板代替顶部的圆球。给与此金属平板大小相同的另一金属平板上,涂一层薄绝缘材料(例如清漆),并安装一玻璃手柄,放在验电器的金属板上。由于两板之间是绝缘的,所以验电器上就有了一个可调平行板电容器。

用一带电棒接触下极板(叫伏打电集板),同时用手指使放置在下极板上的上极板(叫接地板)接地,使电容器充电。如果下极板带的是负电,上极板就带上了正电。

然后移去手指再取走带电棒,那么电容器就充了电。在两极板上,电量相等,符号相反,量值不变。抓住绝缘手柄,提起上极板,于是验电器的金箔就张开了。

当验电器不附加此电容器时,如果用带相同电量的带电棒直接给验电器的球上带电,那为什么金箔不易张开呢?事实上,答案在于验电器指示的是电势,而不是电量。注意整个验电器各部分叶片和下极板是同一电势V,且V=Q/C,这里Q是其中一极板上的电量,C是电容器的电容量。提起上极板,将使C减小,而整个验电器的电势V将增大,如果说直接带电的验电器的电势是V0,有电容器的带电验电器具有电势αV0,这里α是一常数。当两极板分离时,电容量减小为1/α,则电势增大为α倍。

用导线把9V半导体电池连接到平行板电容器上

新近,它是用了一个较简易独立的电容器(APSSC教科书中已有一圆板安装在咖啡瓶上,因此可用原先的伏打验电器)。电容器的两极板直径大约10cm,用一张蜡纸作为电介质(绝缘层),最好是聚酯薄膜。用玻璃或塑料作上、下极板的绝缘手柄和支架。用短线连接下极板和验电器。再把电池的两极分别与上、下极板连接。移去上极板,金箔就张开了。此时将验电器与下极板很快断开。

把已知带电棒靠近验电器,观察金箔张角的变化,就可检验出验电器所带电荷的正负号,这个演示启示了根据规定的电荷符号(例如,猫皮摩擦过的硬橡胶棒,丝绸摩擦过的玻璃棒)可比较出9V电池接线柱上的正负极的方法。

简便明显的“电流热效应”演示的改进

在0-100℃的红色水银温度计的下端绕上5Ω的电阻丝,在电阻丝两端接上电压为6V的电源(4节干电池或学生电源),由开关接成闭合电路。合上开关,30秒钟可使温度计升高40℃左右,其优点是:演示时间短,速度快,且效果明显;比220V的电炉、电烙铁既安全又直观;取材方便,结构简单,体积小,容易自制,携带方便;在没有交流电源情况下也能进行演示(用干电池)。

怎样判断电度表走得是否准确

电度表板面上都有标明每用一度电,圆盘所转动的圈数。如标着2400π/kWh,则表示每消耗一度电,圆盘转2400圈。一度电即是一千瓦小时,由此可以推算:一百瓦电器一小时用零点一度电,圆盘应转二百四十圈,平均每分钟转四圈;若是二十五瓦的电器则为一分钟转一圈。据此,苏州市苏州轻工技校唐本仁老师建议可以接上一百瓦或二十五瓦的灯泡进行测试。如用一百瓦的灯泡,电表每分钟转四圈,二十五瓦灯泡每分钟转一圈,就说明电表是准确的。反之说明电度表有毛病,应送有关部门检修。

焦耳定律实验的改进(一)

按初中物理课本的装置来实验焦耳定律需要较长的时间,效果不明显。通过课本中演示热膨胀受到启发,在相同条件下固、液、气三种状态气体膨胀得最大。于是把焦耳定律实验改装成两个瓶子里是空气、不装煤油,山东莱西县河头店联中张俊生老师设计的装置如附图:

用两个250ml的圆底烧瓶,分别装入4Ω和2Ω的电阻丝,用漆包线作引线,瓶口用橡胶塞塞紧,两根L形的玻璃管短端穿过橡胶塞分别与瓶内相通,引线穿过橡胶塞用蜡封紧瓶口和引线处,使瓶子不漏气,两个瓶口向下,用铁片固定在竖直的木板上,用胶头滴管向两根L形的玻璃管里装红墨水(若红墨水之间有气泡则可用金属线来回穿过气泡使气泡跑出),使两根玻璃管中水柱等高。在木板上与玻璃管中水平面相平处向上划上刻度。

实验时,把两条电阻丝串联起来,接在低压电源或者干电池(4V左右),对比木板上的刻度,可明显得看出接4Ω电阻的瓶子联的玻璃管中水柱升高的比2Ω的快得多,这说明串联电路中电阻越大的导体产生的热量越多。改变电流强度,两根玻璃管中红墨水升高的快慢明显变化,于是可看出通电导体中产生的热量与电阻、电流强度、时间有关系。

注意:

(1)瓶口和引线处要封紧,不然瓶子漏气,实验不会成功。

(2)电流强度高于1A时,通电时间不能太长,不然会使红墨水溢出玻璃管外;电流强度低于05A时,玻璃管中的红墨水上升得太慢,看不出需要观察的效果。

焦耳定律实验的改进(二)

在研究电流产生的热量与哪些因素有关时,初中教材中介绍了如下演示实验。

按此装置实验,在教学中发现,实际演示起来所花的时间较长,同时效果也不明显。因为实验时用电池做电源,电流通过导体时放出的热量少,而煤油的比热较大、体胀系数又较小。故现象不显着,学生不易观察。为此,河北尚义县大青沟镇中黄有金老师做了如下改进。

还是用原来的烧瓶,但不用煤油,而改用空气来代替。再仿图示做两支弯管,插入瓶内,并用水柱将瓶内空气密封。其它部分都与原实验相同。然后接通电源,让学生通过观察水柱上升情况来比较两根电阻丝产生的热量(为了使学生更易观察,实验时,可用有色水柱来做)。

此装置由于利用了空气的热性质,而空气的体膨效果要比煤油明显得多。故实验效果也比较显着。通电后液柱移动很快,整个实验所需时间也极短,几乎一接通电源,就有现象发生。

实验所用的器材也较方便,易找。电阻丝的阻值有几十欧姆即可(我们用的是30Ω、510Ω)。电源有几节干电池就行。演示时,只要注意空气密封就行。