_把电流表改装为电压表_实验的思考与改进
是平面的过失出现, 打磨过程要分三步:
第一步是将粗砂布(如80号) 整张固定在非常好的平面上(如厚度8mm 以上的平板玻璃) , 然后将木板平放在砂布上进行圆圈式打磨. 这一步打磨结束时两木板之间有比较好的啮合作用, 两木板间的摩擦系数较大.
第二步换用320号中砂布将木板的其中一个平面再进行圆圈式打磨. 这一步打磨结束后, 两木板间的啮合作用已变得很小, 其原因是两块木板的表面已基本平整, 凹凸部分能发生啮合作用的已很少.
第三步换用更细的砂布(如800号) 按上述方法再打磨, 最后将第三次磨出的木粉末放在两块木板之间进行圆圈式对磨.
在所有的打磨过程中, 禁止在木板和砂布间加水. 最后的对磨最讲究, 不能在两木板间加太大的法向力, 以保证磨出表面的光滑度. 在打磨过程中, 始终要用圆圈打磨的方法, 如果采用直线打磨, 很容易出现表面不是平面的过失
.
(2) 间接论证 实验结论间接说明: 光滑面和光滑面接触时摩擦力比粗糙面和粗糙面接触时大 , 也就间接证明了 木质材料之间的摩擦也会出现以粘附作用为主 的结论. 金属材料产生的摩擦以粘附作用为主, 木质材料产生的摩擦以啮合作用为主 的结论值得质疑.
(3) 应用和保管 该实验可应用在物理学 摩擦力 的教学中.
该实验由于是木质材料, 对周围环境的要求比较高, 笔者的保管方法是:实验后马上拆卸, 并用不漏气的塑料袋将所有的材料密封保管, 保证材料尽量少受周围环境湿度的影响, 4年过去了, 实验器材还保持原样.
把电流表改装为电压表 实验的
思考与改进
张郝
丽详
(河北大学物理科学与技术学院 河北保定 071000)
(保定外国语学校 河北保定 071000)
把电流表改装为电压表 是高中阶段一个重要的学生实验, 这个实验理论性强, 物理思想明确, 对学生的动手能力、动脑能力都提出了很高的要求.
图1
但是, 该实验在操作时, 也存在明显的缺点, 比较突出的就是实验误差比较大, 主要表现在测量电流表内阻环节.
! 实验原理∀
课本采用半偏法测电流表(灵敏电流计) 的内阻R g , 如图1所示. 实验过程中, 在开关S 1闭合、S 2
(3) 实验支架 用木材做一个支架, 如图1所示. 支架分 底座 和 支承板 两部分, 支架的上表面要求是标准平面, 并且有凸起的卡槽, 支承板 要求有卡口, 能紧密地卡在底座凸起的卡槽上. 4 实验过程
(1) 演示 将支架放在水平面上, 卡上支承板, 将一块打磨好的木板斜支在支承板上, 成为一个倾斜的支承面, 再将另一块打磨好的木板放在上面. 设计两种实验情况, 即粗糙面和粗糙面接触、光滑面和光滑面接触. 通过调整支承板位置, 可改变两接触木板的倾角, 观察到的实验现象为:在同一倾角的条件下, 粗糙面压在粗糙面上时, 上面的木板往下滑; 光滑面压在光滑面上时, 上面的木板不会往下滑. 图1
断开的情况下, 逐渐调低电位器R 的阻值, 使电流表指针满偏. 然后闭合开关S 2, 调节电阻箱R #使电
流表指针半偏. 读出此时电阻箱的示数R #, 认为R #就是电流表的内阻值(实验条件:电位器阻值R 电流表内阻R g ) .
思考1:电阻箱的示数R #与电流表的内阻R g 相等吗?
目前实验室常用电流表(灵敏电流计) 的内阻值为90 , 满偏电流I g =300 A .
我们可以计算一下不同电源电压下, R #的值与R g 之间的差距(表1).
表1 不同电源电压下的实验误差
电源电压电阻箱电
E/V 阻值R #/
[**************]0
88. 7989. 3989. 6089. 7089. 7689. 8089. 8389. 8589. 8789. 88
绝对误差
|R #-R g |/
1. 210. 610. 400. 300. 240. 200. 170. 150. 130. 12
相对误差|R #-R g |
/%R g
1. 340. 680. 440. 330. 270. 220. 190. 170. 140. 13
对比式(1) 、(2) , 因为R +R g >R +流I g
R g
, 所以电2
I g
, 则流过电阻2
I g I g
>2. 电流表与电阻箱并联, 2
加在两者上的电压相等, 则有R g >R #.
通过分析我们可以看出, 闭合开关S 2前后, 总电路的电阻发生变化, 导致了流过电阻箱的电流与流过电流表的电流不相等, 是造成误差的主要原因, 并且此为系统误差(电路不完善引入的误差) , 不可避免.
如果要减小实验误差, 就要设法保证干路中的总电阻不变.
对比闭合开关S 2前后电阻的变化:闭合前电阻为R +R g ; 闭合后电阻为R +
(R #&R g ). 2
通过比较我们发现, 总电阻的变化是有规律的,
即闭合开关S 2后, 电路中总电阻减小了电阻箱示数R #的一半. 因此, 从理论上说, 如果我们补偿的电阻为电阻箱读数的一半, 就可以减小误差. 据此, 我们重新设计电路如图2所示(R ∋为电阻箱) .
可见, 电阻箱阻值R #与电流表内阻R g 之间是有差异的, 并且与所选的电源电压密切相关, 电源电压越高, 误差越小. 因此, 适当提高实验电压, 可以减小实验误差. 但是, 一味提高实验电压, 也会造成一些其他问题, 比如, 电压提高了, 电位器的阻值就要求非常高; 操作失误, 容易烧坏电流表等等.
思考2:有没有更好的方法减小实验误差呢? 要更好地减小实验误差, 就有必要分析一下造成实验误差的主要原因. 在不计电源内阻的情况下, 应用欧姆定律分析可知, 闭合开关S 2之前电路中总电阻为R +R g , 满偏电流
(1)
R +R g
闭合开关S 2之后电路中总电阻为R +(R g %R #). 由
I g =表1可知R g 略大于R #, 所以
R +(R g %R #) &R +此时, 电路中总电流 I =
R g
R +
2
(2)
∃
R g
&R +22
图2
在实验时, 进行如下操作:
(1) 在开关S 1闭合、S 2断开、S 3闭合的情况下, 调节电位器R 使电流表满偏;
(2) 闭合开关S 2, 改变电阻箱R #的阻值, 使电流表半偏, 读出电阻箱R #的示数;
(3) 断开开关S 3, 调节R ∋, 使R ∋示数为电阻箱R #示数的一半;
(4) 重新改变电阻箱R #的阻值, 使电流表半偏, 读出此时电阻箱R #的示数.
那么, 此时R #的示数与电流表的内阻之间有多大的误差呢?
我们进行以下计算(表2).
表2
电源电压补偿前R #/V 阻值/ 0. 20. 611. 41. 82. 22. 63
77. 8585. 9587. 5788. 2688. 6588. 9089. 0789. 19
补偿后R #绝对误差相对误差
阻值/ / /%88. 2689. 8189. 9389. 9789. 9889. 9989. 9989. 99
1. 740. 190. 070. 030. 020. 010. 010. 01
1. 930. 210. 080. 030. 020. 010. 010. 01
误, 我们先来分析一下温度计的测温原理:我们使用的温度计∃∃∃玻璃液体温度计是利用液体的热胀冷缩原理工作的. 当温度计的玻璃泡与被测物接触时, 玻璃泡内的工作物质与被测物发生热交换, 工作物质的温度发生变化引起体积变化把温度显示出来. 当二者之间达到热平衡时温度计的读数等于被测物的温度值, 这时温度计的读数才是正确的. 在上述实验中, 由于被测物与工作物质的热交换需要一定时间, 而被测物的温度又是持续上升的, 二者之间一直没有达到热平衡. 也就是说, 温度计的读数是工作物质本身的温度, 不是当时被测物的即时温度值.
分析清楚这些原因, 我们可以通过改进实验方法来达到实验的目的. 笔者在采用教科版物理课本中的实验装置, 此装置中把烧杯用试管代替, 由于试管中水量少, 实验用时较少. 实验时采用间歇式加热的方法, 即每次加热半分钟然后撤去火焰, 观测温度计读数, 直到温度计读数稳定后将结果读出来. 如此继续进行下去, 直到水沸腾方可连续加热(此时水的温度不再变化, 温度计内的工作物质与沸水始终保持热平衡). 这种间歇式加热方法的特征是每次温度计的读数是温度计的工作物质与被测物达到热平衡时的读数, 即温度计的读数等于水的温度值. 表1是笔者分别用两种实验方法得到的实验结果, 通过比较可看出二者的区别.
我们看到连续式加热时水沸腾了, 但温度计读数还没有达到沸点; 间歇式加热时, 温度计读数达到100(时水沸腾. 还可以看到相应时刻间歇式加热得到的温度值大于连续式加热得到的温度值, 二者的差值是撤去火焰后温度计的温度继续上升的温度. 可见温度计与被测物达到热平衡需要一定时间.
间歇式加热的方法能客观地反映水沸腾的规律, 是一种比较科学的方法. 我们用间歇式加热的方法来探究晶体熔化的实验, 效果也很好.
通过观察我们可以发现, 即使在电源电压比较小的情况下, 通过补偿总电路电阻, 也可以取得非常好的实验效果. 如果我们再适当提高电源电压, 实验效果将更加理想.
水沸腾实验的改进
郑海林
(华北石油保定学校 河北保定 071000)
初中物理关于汽化的教学涉及一个探究水沸腾的实验. 此实验的过程是用酒精灯对烧杯中的水加热, 将温度计插入水中, 相隔一定时间读出温度计的即时读数; 根据记录的结果画出一个温度随时间变化的图像, 通过分析记录结果和图像来验证水沸腾时温度不变的汽化规律. 但是, 在教学中每次实验的结果都不尽如人意. 主要是在水刚沸腾时温度计的读数达不到沸点, 此时温度计的读数依然上升, 经过一段时间温度值才稳定下来. 如果烧杯中的水较多或酒精灯火焰较小可以使水刚沸腾时的温度值相对较接近稳定值, 但实验时间过长影响教学进程.
通过分析发现, 造成上述现象的原因是我们每次读出的温度值其实都是错误的. 为了说明这种错
表1 连续式加热与间歇式加热水温的比较
加热时间/min 连续式加热水温/(间歇式加热水温/(
0. 01818
0. 52528
1. 03443
1. 54555
2. 05665
2. 56675
3. 07685
3. 58795
3. 7592沸腾) 98
4. 099100沸腾)
4. 5101101
5. 0101101