■上海師范大學附屬中學

同學們在高二下學期學習的實驗內容主要是選修《3-2》中的實驗，包括探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數的關系、傳感器的應用等。在這些實驗的學習過程中，我們需要注意哪些問題呢？

一、實驗原理

實驗原理是實驗設計的理論依據。比如“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數的關系”的原理是原線圈通過電流時，鐵芯中產生磁場，由于交變電流的大小和方向都在不斷變化，鐵芯中的磁場也隨之不斷的變化，變化的磁場在副線圈中產生感應電動勢，副線圈中就產生輸出電壓。再如“傳感器的應用”的原理是傳感器能夠將感受到的物理量（力、溫度、光、聲等）轉換成便于測量的量（一般是電壓、電流等電學量），其工作過程如圖1所示。

例1當夜幕降臨時，路燈就會自動亮起，這是因為路燈上安裝了（ ）。

A.溫度傳感器 B.紅外線傳感器

C.光敏傳感器 D.聲音傳感器

解析：當夜幕降臨時，路燈就會自動亮起，說明控制電路的是光敏元件，因此路燈上安裝的是光敏傳感器。選C。

例2濕敏電阻是利用濕敏材料吸收空氣中的水分而導致本身阻值發(fā)生變化這一原理制成的。當濕度增大時，濕敏電阻的阻值會減小。在室內設計如圖2所示的電路，當周圍環(huán)境的濕度增大時（ ）。

A.燈泡L變暗

B.電流表的示數變大

C.通過濕敏電阻的電流變大

D.電源的總功率變小

解析：當周圍環(huán)境的濕度增大時，濕敏電阻的阻值會減小，因此電路總電阻減小，電路總電流增大，即電流表的示數變大，選項B 正確。因為通過電源的電流變大，電源內壓變大，路端電壓變小，即燈泡L 兩端的電壓減小，所以燈泡L 變暗，選項A 正確。因為電路總電流增大，燈泡L 兩端電壓減小使得通過燈泡L的電流減小，所以通過濕敏電阻的電流增大，選項C 正確。因為電源的總功率P=EI，電動勢不變，電流變大，所以電源的總功率變大，選項D 錯誤。選ABC。

二、實驗儀器的選擇

沒有實驗儀器是不可能完成實驗的，而實驗儀器的選擇必須根據實驗原理和儀器的作用來完成。比如“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數的關系”所需實驗儀器為：兩只多用電表（兩只交直流數字電壓表）、學生電源（低壓交流電源）、可拆變壓器、開關、導線等。再如“傳感器的應用”所需實驗儀器為：熱敏電阻、光敏電阻、多用電表、鐵架臺、燒杯、冷水、熱水、小燈泡、學生電源、繼電器、滑動變阻器、開關、導線等。

例3在“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數的關系”實驗中，實驗室中有下列器材可供選擇：

A.可拆變壓器（鐵芯、兩個已知匝數的線圈）

B.條形磁鐵

C.直流電源

D.多用電表

E.開關、導線若干

（1）上述器材在本實驗中不必用到的是_____（填器材前的序號）。

（2）本實驗中還需用到的器材有_____。

解析：（1）變壓器的原理是互感現象，是原線圈磁場的變化引起副線圈中產生感應電流。若原線圈中通的是直流電源，則副線圈中不會有感應電流產生，因此本實驗不必用到的器材是條形磁鐵和直流電源。選BC。

（2）要使變壓器副線圈兩端有電壓，必須有交流電源，為使實驗安全，本實驗用到的電源是學生電源，且使用低壓交流擋。因此還需用到的器材是學生電源（低壓交流電源）。

例4某同學通過實驗制作一個簡易的溫控裝置，實驗原理電路如圖3 所示，繼電器與熱敏電阻RT、滑動變阻器R串聯(lián)接在電源E兩端，當繼電器的電流超過15 mA時，銜鐵被吸合，加熱器停止加熱，實現溫控。繼電器的電阻約為20Ω，熱敏電阻RT的阻值與溫度t的關系如表1所示。

表1

（1）實驗室提供的實驗器材有：電源E1（3V，內阻不計）、電源E2（6V，內阻不計）、滑動變阻器R1（0～200Ω）、滑動變阻器R2（0～500 Ω）、熱敏電阻RT、繼電器、電阻箱（0～999.9Ω）、開關S、導線若干。

為使該裝置實現對30 ℃～80 ℃之間任一溫度的控制，電源E應選用____（選填“E1”或“E2”），滑動變阻器R應選用____（選填“R1”或“R2”）。

（2）溫控裝置安裝完成后，該同學發(fā)現電路不工作。為了排查電路故障，用多用電表測量各接點間的電壓，則應將如圖4 所示的選擇開關旋至_____（選填“A”“B”“C”或“D”）。

（3）合上開關S，用調節(jié)好的多用電表進行排查。在圖3中，若只有b、c間斷路，則應發(fā)現表筆接入a、b時指針____，表筆接入a、c時指針____（均選填“偏轉”或“不偏轉”）。

解析：（1）若實現對30 ℃溫度的控制，根據表1 中數據可知，當t=30 ℃時，RT=199.5Ω，繼電器和RT兩端的電壓U=I（R繼+RT）=0.015×（20+199.5）V=3.29V，因此電源E應選用E2。若實現對80 ℃溫度的控制，根據表1 中數據可知，當t=80 ℃時，RT=49.1Ω，對全電路有U=I（R繼+RT+R），即6 V=0.015 A×（20Ω+49.1Ω+R），解得R=330.9Ω，因此滑動變阻器R應選用R2。

（2）用多用電表測量直流電壓時，選擇開關應旋至C（直流電壓擋）。

（3）當表筆接入a、b時，a、b間電壓為0，指針不偏轉。當表筆接入a、c時，多用電表與電源等構成回路，指針偏轉。

三、實驗步驟

選修《3-2》中的實驗都是電學實驗，大部分都要先根據實驗原理設計電路，再根據電路圖連接儀器，進行測量，然后對數據進行處理得出結論，最后整理儀器。比如“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數的關系”的實驗步驟是：（1）按電路圖連接好電路，將兩個多用電表調到交流電壓擋，并記錄兩個線圈的匝數；（2）打開學生電源，保持匝數不變多次改變輸入電壓，記錄下每次的輸入和輸出兩個電壓值；（3）保持輸入電壓、原線圈的匝數不變，多次改變副線圈的匝數，記錄下每次的副線圈匝數和對應的電壓值；（4）保持副線圈的匝數和原線圈兩端的電壓不變，多次改變原線圈的匝數，記錄下每次的原線圈匝數和對應的副線圈的電壓值；（5）整理并分析記錄的數據，從而得出“原、副線圈的電壓比與原、副線圈的匝數比相等”的結論；（6）拆除裝置，將器材按原樣整理好。再如“傳感器的應用”中探究熱敏電阻特性的實驗步驟是：（1）在燒杯內倒入少量冷水，放在鐵架臺上，將懸掛在鐵架上的溫度計放入水中；（2）將多用電表的選擇開關置于歐姆擋，將兩支表筆短接，調零后，將兩支表筆分別與熱敏電阻的兩輸出端相連；（3）將熱敏電阻放入燒杯內水中，在歐姆擋上選擇適當的倍率，重新調零，把兩支表筆接到熱敏電阻兩輸出端，觀察表盤指示的熱敏電阻的阻值和此時的溫度，記入表格內；（4）分幾次向燒杯內倒入開水，觀察不同溫度時熱敏電阻的阻值，把溫度及相應溫度下的阻值記入表格內；（5）通過比較測得的數據，確定熱敏電阻的阻值隨溫度變化的規(guī)律，得出“熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小”的結論；（6）將多用電表的選擇開關置于OFF擋，拆除裝置，將器材按原樣整理好。探究光敏電阻特性的實驗步驟是：（1）將多用電表的選擇開關置于歐姆擋，選擇適當的倍率，將兩支表筆短接，調零；（2）把多用電表的兩支表筆接到光敏電阻兩輸出端，觀察表盤指示的光敏電阻的阻值，記錄下來；（3）將手張開放在光敏電阻的上方，擋住部分照到光敏電阻上的光線，觀察表盤指示的光敏電阻阻值的變化，記錄下來；（4）上下移動手掌，觀察表盤指示的光敏電阻阻值的變化，得出“光敏電阻的阻值隨光照的增強而減小”的結論；（5）將多用電表的選擇開關置于OFF 擋，拆除裝置，將器材按原樣整理好。

例5熱敏電阻是傳感電路中常用的電子元件，現用伏安法研究熱敏電阻在不同溫度下的伏安特性曲線，要求伏安特性曲線盡可能完整。已知常溫下待測熱敏電阻的阻值在4Ω～5Ω 之間，將熱敏電阻和溫度計插入帶塞的保溫杯中，杯內有一定量的冷水，其他備用的儀表和器具有：盛有熱水的熱水瓶（圖中未畫出）、電源（3V，內阻可忽略）、直流電流表（內阻約為1Ω）、直流電壓表（內阻約為5kΩ）、滑動變阻器（0～20Ω）、開關、導線若干。

（1）畫出實驗電路圖。

（2）根據電路圖，在如圖5所示的實物圖上連線。

（3）簡要寫出完成實物圖接線后的主要實驗步驟。

解析：因為常溫下待測熱敏電阻的阻值（在4Ω～5Ω 之間）較小，所以應該選用電流表外接法；因為熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，熱敏電阻兩端的電壓由零逐漸增大，所以滑動變阻器應該選用分壓式接法。

（1）實驗電路如圖6所示。

（2）實物圖連線如圖7所示。

（3）完成實物圖接線后的主要實驗步驟是：①往保溫杯里加一些熱水，待溫度計穩(wěn)定時讀出溫度計的示數；②調節(jié)滑動變阻器接入電路的阻值，快速測出幾組電壓表和電流表的值；③重復步驟①和②，測量不同溫度下的數據；④采用描點作圖法，繪出各測量溫度下的熱敏電阻的伏安特性曲線。

例6如圖8所示，一熱敏電阻RT放在控溫容器M內：A 為毫安表，量程為6mA，內阻為數十歐姆；E為直流電源，電動勢約為3 V，內阻很?。籖為電阻箱，最大阻值為999.9Ω；S為開關。已知熱敏電阻RT在95℃時的阻值為150Ω，在20 ℃時的阻值約為550Ω?，F要求在降溫過程中測量在95 ℃～20 ℃之間的多個溫度下熱敏電阻RT的阻值。請完成下列實驗步驟中的填空：①依照實驗原理電路圖安裝實驗儀器；②調節(jié)控溫容器M內的溫度，使得熱敏電阻RT的溫度為95℃；③將電阻箱調到適當的初始值，以保證儀器安全；④閉合開關S，調節(jié)電阻箱，記錄電流表的示數I0和_____；⑤將熱敏電阻RT的溫度降為T1（20 ℃＜T1＜95 ℃），調節(jié)電阻箱，使得電流表的示數_____，記錄_____；⑥溫度為T1時熱敏電阻的阻值RT1=_____；⑦逐步降低熱敏電阻RT的溫度，直至20℃為止，在每一溫度下重復步驟⑤⑥。

解析：因為本實驗中只有一個可以用來測量或觀察的電流表，所以應該采用“替代法”思維考慮使用電流表，即保證電路的電阻不變，將熱敏電阻、電阻箱和電流表串聯(lián)形成測量電路。因為熱敏電阻在95 ℃和20 ℃時的阻值是已知的，所以若熱敏電阻的初始溫度為95 ℃，則電流表示數不變時，電阻箱與熱敏電阻的串聯(lián)電路電阻保持150Ω 加電阻箱的初始值之和不變；若熱敏電阻的初始溫度為20 ℃，則電流表示數不變時，電阻箱與熱敏電阻的串聯(lián)電路電阻保持550Ω 加電阻箱的初始值之和不變?；谏鲜鰧嶒炘砜梢詼y量熱敏電阻在任意溫度下的阻值。

完整的實驗步驟為：①依照實驗原理電路圖安裝實驗儀器；②調節(jié)控溫容器M內的溫度，使得熱敏電阻RT的溫度為95℃；③將電阻箱調到適當的初始值，以保證儀器安全；④閉合開關S，調節(jié)電阻箱，記錄電流表的示數I0和電阻箱的初始值R0；⑤將熱敏電阻RT的溫度降為T1（20 ℃＜T1＜95 ℃），調節(jié)電阻箱，使得電流表的示數仍為I0，記錄電阻箱的示數R1；⑥溫度為T1時，熱敏電阻的阻值RT1=150Ω+R0-R1；⑦逐步降低熱敏電阻RT的溫度，直至20℃為止，在每一溫度下重復步驟⑤⑥。

四、數據處理

數據處理就是對實驗中獲得的大量的數據進行歸納分析，從而得出科學結論。處理數據可用算術平均值法、公式法、列表法、圖解法等。比如“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數的關系”實驗中，分別對得到的原、副線圈匝數和原、副線圈的電壓進行計算和分析，從而得出“理想變壓器原、副線圈的電壓U1、U2之比等于原、副線圈的匝數n1、n2之比”的結論。再如“傳感器的應用”中探究熱敏電阻特性實驗的數據處理方法是利用列表法和圖解法找出RT與t的關系，從而得出“熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小”的結論；探究光敏電阻特性實驗的數據處理方法是利用列表法，分析光照逐漸減弱后光敏電阻阻值的變化，從而得出“光敏電阻的阻值隨光照的增強而減小”的結論。

例7（2018年高考全國Ⅰ卷）某實驗小組利用如圖9所示的電路探究在25 ℃～80 ℃范圍內某熱敏電阻的特性。所用器材有：置于溫控室（圖中虛線區(qū)域）中的熱敏電阻RT，其標稱值（25 ℃時的阻值）為900.0Ω；電源E（6 V，內阻可忽略）；電壓表V（量程150mV）；定值電阻R0（阻值為20.0Ω），滑動變阻器R1（最大阻值為1000Ω）；電阻箱R2（阻值范圍0～999.9Ω）；單刀開關S1，單刀雙擲開關S2。

實驗時，先按圖9連接好電路，再將溫控室中的溫度t升至80.0 ℃。將S2與1端接通，閉合S1，調節(jié)R1的滑片位置，使電壓表的讀數為某一值U0；保持R1的滑片位置不變，將R2置于最大值，將S2與2端接通，調節(jié)R2，使電壓表的讀數仍為U0；斷開S1，記下此時R2的讀數。逐步降低溫控室中的溫度t，得到相應溫度下R2的阻值，直至溫度降到25.0 ℃。實驗得到的R2和t的數據如表2所示。

表2

回答下列問題：

（1）在閉合S1前，圖9中R1的滑片應移動到____（選填“a”或“b”）端。

（2）在圖10的坐標紙上補齊表2中所給數據點，并作出R2-t曲線。

（3）由圖10可得到RT在25 ℃～80 ℃范圍內的特性。當t=44.0 ℃時，RT=_____Ω。

（4）將RT握于手心，手心溫度下R2的相應讀數如圖11 所示，該讀數為____Ω，則手心溫度為____℃。

解析：圖9 電路圖中滑動變阻器采用的是限流式接法，在閉合S1前，R1應該調節(jié)到接入電路部分的電阻最大，使電路中的電流最小，即R1的滑片應移動到b端。

（2）將溫度為60 ℃和70 ℃對 應的兩組數據畫在坐標圖上，然后用平滑曲線過盡可能多的數據點畫出R2-t曲線，如圖12所示。

（3）根據題述實驗過程可知，測量的R2數據等于對應的熱敏電阻RT的阻值。由畫出的R2-t圖像可知，當t=44.0 ℃時，對應的RT=450Ω。

（4）由圖11讀出R2的示數為620.0Ω；由R2-t圖像可知，當RT=620.0Ω 時，手心溫度t=33.0 ℃。

例8（2017年浙江選考卷）為了完成“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數的關系”實驗，必須要選用的是____（多選）。

A.有閉合鐵芯的原、副線圈

B.無鐵芯的原、副線圈

C.交流電源

D.直流電源

E.多用電表（交流電壓擋）

F.多用電表（交流電流擋）

用匝數na=60和nb=120的變壓器，實驗測量數據如表3所示。

表3

根據測量數據可判斷連接電源的線圈是匝數為____（選填“na”或“nb”）的線圈。

解析：若變壓器原線圈中通的是直流電源，則副線圈中不會有感應電流產生，因此實驗需要的是交流電源；要探究變壓器線圈兩端的電壓和匝數的關系，需要測量電壓，因此實驗需要一個測電壓的儀器。選ACE。根據表3中數據可知，電壓比與匝數比不相等，因此該變壓器為非理想變壓器?？紤]到變壓器有漏磁、鐵芯發(fā)熱、導線發(fā)熱等因素的影響，判斷出Ub為原線圈兩端的電壓，即連接電源的線圈是匝數為nb的線圈。

五、誤差分析

為了提高實驗的準確度，我們要進行誤差分析，并盡量減少誤差。比如“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數的關系”實驗過程中的誤差來源主要是：（1）由于存在磁漏，使得通過原、副線圈的磁通量不嚴格相等，造成誤差；（2）由于原、副線圈有電阻，使得原、副線圈中存在焦耳熱損耗（銅損），造成誤差；（3）由于鐵芯中有磁損耗，使得產生渦流，造成誤差。再如“傳感器的應用”實驗中的誤差主要來源于溫度計和歐姆表的讀數等。

例9在“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數的關系”實驗中，電源輸出端與變壓器線圈連接方式正確的是圖13中的____（選填“甲”或“乙”）。變壓器原、副線圈的匝數分別為120 和60，測得的電壓分別為8.2 V 和3.6V，據此可知電壓比與匝數比不相等，產生誤差的原因是什么？

解析：變壓器是靠電磁感應原理工作的，必須接交流，故連接方式正確的是圖13中的乙。理想變壓器原、副線圈兩端的電壓與匝數成正比，實際變壓器原、副線圈兩端電壓與匝數不成正比的原因是存在磁漏、鐵芯發(fā)熱、導線發(fā)熱等電能損失。

例10熱電傳感器利用了熱敏電阻對溫度變化響應很敏感的特性。某學習小組的同學擬探究某種類型的熱敏電阻的阻值隨溫度的變化情況，從室溫升到80 ℃時，所提供的熱敏電阻RT的阻值變化范圍可能是由5Ω 變到1Ω 或由5Ω 變到45Ω。除熱敏電阻外，可供選用的器材如下：溫度計（測溫范圍-10℃～100℃），電流表A1（量程3A，內阻rA=0.1Ω），電流表A2（量程0.6A，內阻約為0.2Ω），電壓表V1（量程6A，內阻rV=1.5kΩ），電壓表V2（量程3A，內阻約為1kΩ），標準電阻（阻值R1=100Ω），滑動變阻器R2（阻值范圍0～5Ω），電源E（電動勢3V，內阻不計），開關及導線若干。

（1）甲同學利用如圖14所示的電路測量室溫下熱敏電阻的阻值，要使測量誤差最小，應選下列_____組器材。

A.電流表A1和電壓表V1

B.電流表A2和電壓表V2

C.電流表A1和電壓表V2

（2）在測量過程中，隨著倒入燒杯中的開水增多，熱敏電阻的溫度升高到80 ℃時，甲同學發(fā)現電流表、電壓表的示數幾乎都不隨滑動變阻器R2的阻值的變化而改變（電路保持安全、完好），這說明熱敏電阻的阻值隨溫度升高而_____（選填“增大”或“減小”）。

解析：（1）因電源的電動勢為3 V，故電壓表選V2，又因熱敏電阻的阻值在幾歐姆到幾十歐姆之間變化，故電路中的電流較小，為盡量減小誤差，電流表選A2。選B。

（2）當調節(jié)滑動變阻器起不到改變電流的作用時，說明待測電阻較大，即熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而增大。

編后注：在電學實驗的學習過程中，除需要注意上述五大方面的問題外，還需要在實驗過程中采取一些行之有效的措施以保證實驗的安全，減小實驗誤差。比如在“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數的關系”實驗中：（1）要事先推測副線圈兩端電壓的可能值；（2）為了人身安全，只能使用低壓交流電源，所用電壓不要超過12 V，即使這樣，通電時也一定不要用手接觸裸露的導線、接線柱；（3）為了多用電表的安全，使用交流電壓擋測電壓時，應先用最大量程擋試測，大致確定被測電壓后再選用適當的擋位進行測量；（4）連接電路后要先由同組的幾位同學分別獨立檢查，再請老師確認，然后才能接通電源。再如在“傳感器的應用”實驗中：（1）在做探究熱敏電阻特性的實驗時，加開水后要等一會兒再測其阻值，以使電阻溫度與水的溫度相同，并同時讀出水溫；（2）在做探究光敏電阻特性的實驗時，若實驗效果不明顯，則可將含光敏電阻部分電路放入帶小孔的紙盒中，并通過蓋上小孔改變光敏電阻受到的光照的強度；（3）歐姆表每次換擋后都要重新調零。