第3讲 基本的电学实验学生.docx
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第3讲基本的电学实验学生
第3讲 电学基本实验
实验三 测定电源的电动势和内阻
热点一 伏安法测电源电动势和内阻
[例1] [2015·四川理综,8
(2)]用实验测一电池的内阻r和一待测电阻的阻值Rx。
已知电池的电动势约6V,电池内阻和待测电阻阻值都为数十欧。
可选用的实验器材有:
电流表A1(量程0~30mA);
电流表A2(量程0~100mA);
电压表V(量程0~6V);
滑动变阻器R1(阻值0~5Ω);
滑动变阻器R2(阻值0~300Ω);
开关S一个,导线若干条。
某同学的实验过程如下:
Ⅰ.设计如图3所示的电路图,正确连接电路。
Ⅱ.将R的阻值调到最大,闭合开关,逐次调小R的阻值,测出多组U和I的值,并记录。
以U为纵轴,I为横轴,得到如图所示的图线。
Ⅲ.断开开关,将Rx改接在B、C之间,A与B直接相连,其他部分保持不变。
重复Ⅱ的步骤,得到另一条U-I图线,图线与横轴I的交点坐标为(I0,0),与纵轴U的交点坐标为(0,U0)。
回答下列问题:
①电流表应选用________,滑动变阻器应选用________;
②由图4的图线,得电源内阻r=________Ω;
③用I0、U0和r表示待测电阻的关系式Rx=________,代入数值可得Rx;
④若电表为理想电表,Rx接在B、C之间与接在A、B之间,滑动变阻器滑片都从最大阻值位置调到某同一位置,两种情况相比,电流表示数变化范围________,电压表示数变化范围________。
(选填“相同”或“不同”)
[变式训练]1.实验室中现有器材如实物图甲所示,有:
电池E,电动势约10V,内阻约1Ω;
电流表A1,量程约10A,内阻r1约0.2Ω;
电流表A2,量程300mA,内阻r2约5Ω;
电流表A3,量程250mA,内阻r3约5Ω;
电阻箱R1,最大阻值999.9Ω,最小阻值改变量为0.1Ω;
滑动变阻器R2,最大阻值100Ω;开关S,导线若干。
要求用图乙所示的电路测量图中某电流表A的内阻。
(1)在所给的三个电流表中,哪几个可以用此电路精确测出其内阻?
答:
______________________________________________________。
(2)在可测的电流表中任选一个作为测量对象,在实物图甲上连成测量电路。
(3)你要读出的物理量是________。
用这些物理量表示待测内阻的计算公式是___________________。
热点二 实验的拓展与创新(测定电源电动势和内阻的其他方法)
以本实验为背景,通过改变实验条件、实验仪器设置题目,不脱离教材而又不拘泥教材,体现开放性、探究性、设计性等特点。
1.实验方法、方案的拓展(一电表,一电阻箱法)
实验
电路
实验
原理
E=I1(R1+r)E=I2(R2+r)
E=
r=
E=U1+
rE=U2+
r
E=
r=
图像
2.实验器材的灵活选用
如:
①定值电阻可以作为保护电阻②定值电阻可以当电压表使用
③定值电阻可以当电流表使用④内阻已知的电压表可以当小量程的电流表使用
[例2] (2015·天津理综,9)用电流表和电压表测定由三节干电池串联组成的电池组(电动势约4.5V,内电阻约1Ω)的电动势和内电阻,除待测电池组、电键、导线外,还有下列器材供选用:
A.电流表:
量程0.6A,内电阻约1Ω
B.电流表:
量程3A,内电阻约0.2Ω
C.电压表:
量程3V,内电阻约30kΩ
D.电压表:
量程6V,内电阻约60kΩ
E.滑动变阻器:
0~1000Ω,额定电流0.5A
F.滑动变阻器:
0~20Ω,额定电流2A
(1)为了使测量结果尽量准确,电流表应选用________,电压表应选用________,滑动变阻器应选用________(均填仪器的字母代号)。
(2)如图为正确选择仪器后,连好的部分电路。
为了使测量误差尽可能小,还需在电路中用导线将________和________相连、________和________相连、______ 和 相连(均填仪器上接线柱的字母代号)。
(3)实验时发现电流表坏了,于是不再使用电流表,剩余仪器中仅用电阻箱替换掉滑动变阻器,重新连接电路,仍能完成实验。
实验中读出几组电阻箱的阻值R和对应电压表的示数U。
用图像法处理采集到的数据,为在直角坐标系中得到的函数图像是一条直线,则可以 为纵坐标,以 为横坐标。
[变式训练]2.为测定电源的电动势和内阻,实验室提供了如下器材:
A.电源(电动势约为9V)
B.电压表(视为理想电压表,量程0~3V)
C.电阻箱R(0~999.9Ω)
D.定值电阻R0(铭牌上的数字模糊,末位只显示数字“0”)
E.开关、导线若干
(1)用欧姆表(×1Ω)测定定值电阻R0,欧姆表的指针如图所示,
则R0= Ω;
(2)为达到测定的目的,请将图8所示仪器连成一个完整的
实验电路;
(3)某同学应用所测得的数据,绘出
-R(图9)图像是一条直线,测得直线的斜率k=
,纵坐标的截距为b=
,则电源的电动势E= ,内阻r= 。
【课堂反馈】
1.(2015·四川内江一诊)某同学采用如图甲所示的电路测定电源电动势和内电阻。
已知干电池的电动势约为1.5V,内阻约为1Ω;电压表(0~3V,3kΩ)、电流表(0~0.6A,1.0Ω)、滑动变阻器R1(10Ω,2A)和R2(100Ω,0.1A)各一只。
(1)实验中滑动变阻器应选用 (填“R1”或“R2”)。
(2)在图乙中用笔画线代替导线连接实验电路。
(3)在实验中测得多组电压和电流值,得到如图丙所示的U-I图线,由图可较准确地求出该电源电动势E= V;内阻r= Ω。
2.(2016·四川成都月考)在研究性课题的研究中,小刚、小聪和小明所在的小组收集了手机的电池以及从废旧收音机上拆下的电阻、电容器、电感线圈等电子器件。
现从这些材料中选取两个待测元件进行研究,一是电阻Rx(阻值约2kΩ),二是手机中常用的锂电池(电动势E的标称值为3.4V)。
在操作台上还准备了如下实验器材:
A.电压表V(量程4V,内阻RV约10kΩ)
B.电流表A1(量程100mA,内阻RA1约5Ω)
C.电流表A2(量程2mA,内阻RA2约50Ω)
D.滑动变阻器R(0~40Ω。
额定电流1A)
E.电阻箱R0(0~999.9Ω)
F.开关S一只、导线若干
(1)小刚采用伏安法测定Rx的阻值,他使用的电源是待测的锂电池。
图11是他连接的部分实验器材,请你完成实物连接。
小刚选用的电流表应是 (填“A1”或“A2”);他用电压表的读数除以电流表的读数作为Rx的测量值,则测量值 真实值(填“大于”或“小于”);
(2)小聪和小明设计了图甲所示的电路图测量锂电池的电动势E和内阻r。
a.小聪的实验操作是:
闭合开关S,调节电阻箱的阻值为R1时,读出电压表的示数为U1;调节电阻箱的阻值为R2时,读出电压表的示数为U2。
根据小聪测出的数据可求得该电池的电动势,其表达式为E= ;
b.小明认为用线性图像处理数据更便于分析。
他在实验中多次改变电阻箱阻值,获取了多组数据,画出的
-
图像为一条直线(见图乙)。
则该图像的函数表达式为
= ,由图乙可知该电池的电动势E= V,内阻r= Ω。
3.(2015·安徽理综,21,Ⅱ)某同学为了测量一节电池的电动势和内阻,从实验室找到以下器材:
一个满偏电流为100μA、内阻为2500Ω的表头,一个开关,两个电阻箱(0~999.9Ω)和若干导线。
(1)由于表头量程偏小,该同学首先需将表头改装成量程为50mA的电流表,则应将表头与电阻箱 (填“串联”或“并联”),并将该电阻箱阻值调为 Ω。
(2)接着该同学用改装的电流表对电池的电动势及内阻进行测量,实验电路如
图所示,通过改变电阻R测相应的电流I,且作相关计算后一并记录如下表。
1
2
3
4
5
6
R(Ω)
95.0
75.0
55.0
45.0
35.0
25.0
I(mA)
15.0
18.7
24.8
29.5
36.0
48.0
IR(V)
1.42
1.40
1.36
1.33
1.26
1.20
①根据表中数据,图中已描绘出四个点,请将第5、6两组数据也描
绘在图中,并画出IR-I图线;
②根据图线可得电池的电动势E是 V,内阻r是 Ω。
实验四 练习使用多用电表
热点一 考查多用电表的原理及读数
[例1] (2013·新课标全国卷Ⅰ,23)某学生实验小组利用图所示电路,
测量多用电表内电池的电动势和电阻“×1k”挡内部电路的总电阻。
使用的器材有:
多用电表;
电压表:
量程5V,内阻十几千欧;
滑动变阻器:
最大阻值5kΩ;导线若干。
回答下列问题:
(1)将多用电表挡位调到电阻“×1k”挡,再将红表笔和黑表笔 ,调零点。
(2)将图1中多用电表的红表笔和 (选填“1”或“2”)端相连,黑表笔连接另一端。
(3)将滑动变阻器的滑片调到适当位置,使多用电表的示数如图2所示,这时电压表的示数如图3所示。
多用电表和电压表的读数分别为 kΩ和 V。
(4)调节滑动变阻器的滑片,使其接入电路的阻值为零。
此时多用电表和电压表的读数分别为12kΩ和4.00V。
从测量数据可知,电压表的内阻为 kΩ。
(5)多用电表电阻挡内部电路可等效为由一个无内阻的电池、一个理想电流表和一个电阻串联而成的电路,如图4所示。
根据前面的实验数据计算可得,此多用电表内电池的电动势为 V,电阻“×1k”挡内部电路的总电阻为 kΩ。
[变式训练]1.如图所示为多用电表的刻度盘。
若选用倍率
为“×100”的欧姆挡测电阻时,表针如图5所示,则:
(1)所测电阻的阻值为 Ω;如果要用此多用电表测量一个阻值约为2.0×104Ω的电阻,为了使测量结果比较精确,应选用的欧姆挡是 (选填“×10”、“×100”或“×1k”)。
(2)用此多用电表进行测量,当选用量程为50mA的电流挡测量电流时,表针指于图示位置,则所测电流为 mA;当选用量程为250mA的电流挡测量电流时,表针指于图示位置,则所测电流为 mA。
(3)当选用量程为10V的电压挡测量电压时,表针也指于图示位置,则所测电压为 V。
热点二 多用电表的使用
[例2] [2014·重庆理综,6
(1)]某照明电路出现故障,其电路如图6所示,该电路用标称值12V的蓄电池为电源,导线及其接触完好。
维修人员使用已调好的多用表直流50V挡检测故障。
他将黑表笔接在c点,用红表笔分别探测电路的a、b点。
(1)断开开关,红表笔接a点时多用表指示如图7所示,读数为 V,说明 正常(选填:
蓄电池、保险丝、开关、小灯)。
(2)红表笔接b点,断开开关时,表针不偏转,闭合开关后,多用表指示仍然和图7相同,可判定发生故障的器件是 。
(选填:
蓄电池、保险丝、开关、小灯)
[变式训练]2.小明同学想测量一节旧干电池的电动势和内电阻,
身边仅有下列器材:
一个多用电表、一个定值电阻R1、一个滑
动变阻器R2(0~20Ω)、一个开关S、导线若干。
小明设计了实验
原理图(如图8所示),并进行了如下实验:
①根据原理图,连接实验器材,且S断开;
②多用电表选择欧姆表的“×1”挡,先 ,后用红表笔接a端,黑表笔接b端,记录下R1示数(如图9所示);
③S闭合,多用电表选择“直流电压2.5V”挡, 表笔接a端, 表笔接b端(选填“红”或“黑”),记录下示数U1,然后再测出b、c间的电压,记录下示数U2;
④调节滑动变阻器,重复步骤③,得到如下表所示的6组数据。
U1/V
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
U2/V
1.05
0.90
0.75
0.70
0.45
0.30
(1)请你完成上述操作步骤中的三处填空;
(2)由图9可知R1测量值为 Ω;
(3)请在如图10所示的坐标纸中画出U2-U1关系图;
(4)该电池的内电阻为 Ω。
(保留两位有效数字)
【课堂反馈】
1.某同学想通过一个多用电表的欧姆挡直接测量某电压表(量程为10V)的内阻(大约为几十千欧),该多用电表刻度盘上电阻刻度的中间值为15。
(1)欧姆挡的选择开关拨至 (选填“×1k”或“×100”)挡,先将红、黑表笔短接调零后,选用图中 (选填“A”或“B”)方式连接。
(3)如图甲所示,某同学读出欧姆表的读数为 Ω;
如图乙所示,电压表的读数为 V,
欧姆表电池的电动势为 V。
2.在“测金属丝电阻率”实验中:
(1)测长度时,金属丝的起点、终点位置如图(a)所示,则长度为 cm;
(2)用螺旋测微器测金属丝直径,示数如图(b),则直径为 mm;
(3)用多用电表“×100”欧姆挡估测其电阻,示数如图(c),则阻值为 Ω;
(4)用此多用电表进行测量,当选用量程为50mA的电流挡测量电流时,指针位于图(d)位置,则所测电流为 mA;当选用的量程为250mA的电流挡测量电流时,指针仍位于图(d)位置,则所测电流为 mA;
(5)当选用量程为10V的直流电压挡测量电压时,表针也位于图(d)位置,则所测电压为 V;若选用量程为50V的直流电压挡测量电压时,表针位于图(d)位置,则所测电压为 V。
3.某实验小组利用一滑动变阻器和未知内阻的微安表,来测量多用电表“×1k”挡内部电池的电动势E。
(1)该小组采用图甲的电路进行实验,
请将图乙中的实物连线连接完整。
(2)请将下面的实验步骤补充完整:
a.插上红、黑表笔,把多用电表的选择开关拨
到欧姆挡的“×1k”位置,将红、黑表笔 ,
调整“欧姆调零旋钮”,使指针指到“0Ω”。
b.按照电路图连接好电路。
c.接通开关,改变滑动变阻器的阻值,得到多用电表
和微安表的示数分别如图所示。
多用电表和微安表的
读数分别为 kΩ和 μA。
d.断开开关,拔下红、黑表笔,把多用电表的选择开关扳到 位置。
(3)由以上信息可得多用电表“×1k”挡内部电池的电动势为 V(保留两位有效数字)。
能力课时 破解高考实验题的方法技巧
突破一 破解常规型实验题的方法
常规实验题主要考查教材上基本实验的实验原理、器材的选择、实验的操作、数据的处理和误差分析。
复习时要从领会实验原理出发,全方位理解和掌握实验器材、实验操作、实验步骤、实验数据的处理,误差分析和电学实验实物图的连接、电路图的设计等,对每一个实验都应做到心中有数。
因此,必须做到“四会”,(即“会读”、“会选”、“会画”、“会析”。
)才能轻松破解常规实验题。
一、会读
刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器、天平、秒表、电火花计时器或电磁打点计时器、弹簧测力计、电流表、电压表、多用电表、滑动变阻器、电阻箱等基本仪器是高考考查的重点。
“会读”是指能正确地读出基本仪器的读数,读数直接影响实验结果,为使读数正确必须做到以下三点:
(1)要注意量程。
(2)要弄清所选量程对应的每一大格和每一小格所表示的量值。
(3)要掌握需要估读的基本仪器的读数原则。
读数的基本原则:
凡仪器最小刻度是“1”的,要求读到最小刻度后再往下估读一位;凡仪器最小刻度是“2”和“5”的,只要求读到最小刻度所在的这一位,不再往下估读。
[例1]
(1)[2014·江苏单科,10
(1)]某同学通过实验测量一种合金的电阻率。
用螺旋测微器测量合金丝的直径。
为防止读数时测微螺杆发生转动,读数前应先旋紧图3所示的部件 (选填“A”、“B”、“C”或“D”)。
从图中的示数可读出合金丝的直径为 mm。
(2)[2014·安徽卷,21,Ⅱ
(1)]某同学为了测量一个量程为3V的电压表的内阻,进行了如下实验。
他先用多用表进行了正确的测量,测量时指针位置如图4所示,得到电压表的内阻为3.00×103Ω,此时电压表的指针也偏转了。
已知多用表欧姆挡表盘中央刻度值为“15”,表内电池电动势为1.5V,则电压表的示数应为 V(结果保留两位有效数字)。
二、会选
“会选”是指根据实验原理及可行性选择实验方案、实验器材。
选择操作性强的实验方案及合适的实验器材,可以减小实验误差,提高实验的精确度。
[例2] (2014·北京理综,21)利用电流表和电压表测定一节干电池的电动势和内电阻。
要求尽量减小实验误差。
(1)应该选择的实验电路是图中的
(选填“甲”或“乙”)。
(2)现有电流表(0~0.6A)、开关和导线若干,
以及以下器材:
A.电压表(0~15V) B.电压表(0~3V)
C.滑动变阻器(0~50Ω) D.滑动变阻器(0~500Ω)
实验中电压表应选用 ;滑动变阻器应选用 。
(选填相应器材前的字母)
三、会画
“会画”一方面指在进行实验数据处理时多数情况要求找出两个物理量的线性关系,由实验数据画出其线性关系图线,图线经过大多数点,不在图线上的点要尽可能对称分布在图线的两侧,根据线性图线斜率、截距的物理意义求解相关物理量;另一方面指会根据所选的器材和电路原理图连接实物图。
连电路实物图的要点:
(1)从电源的正极出发,先将干路中各器件依次连接到电源负极,再将支路中的元件和电压表并联到电的某两点之间;
(2)连好实物图后,对照电路图检查一遍,注意检查导线的连接点是否都接在接线柱上(导线中不应有交叉),电表正负极连接是否恰当,滑动变阻器的滑片是否处于恰当位置等。
[例3](2014·浙江理综,22)小明对2B铅笔芯的导电性能感兴趣,于是用伏安法测量其电阻值。
(1)左图是部分连接好的实物电路图,请用电流表外接法完成接线并在右图中画出。
(2)小明用电流表内接法和外接法分别测量了一段2B铅笔芯的伏安特性,并将得到的电流、电压数据描到U-I图上,如图7所示。
在图中,由电流表外接法得到的数据点是用 (填“○”或“×”)表示的。
(3)请你选择一组数据点,在图7上用作图法作图,并求出这段铅笔芯的电阻为 Ω。
四、会析
“会析”是指对高中物理实验的误差作一些简单的分析。
中学物理对实验误差分析的要求不高,从高考来看,一般涉及的问题是定性分析系统误差,对误差的定量分析不作要求。
在实验复习中,同学们要知道误差的来源,掌握误差分析的基本方法,对高中物理实验进行一些简单的误差分析。
[例4](2014·海南单科,12)用伏安法测量一电池的内阻。
已知该待测电池的电动势E约为9V,内阻约数十欧,允许输出的最大电流为50mA,可选用的实验器材有:
电压表V1(量程5V);电压表V2(量程10V);
电流表A1(量程50mA);电流表A2(量程100mA);
滑动变阻器R(最大阻值300Ω);
定值电阻R1(阻值为200Ω,额定功率为
W);定值电阻R2(阻值为220Ω,额定功率为1W);
开关S;导线若干。
测量数据如图坐标纸上U-I图线所示。
(1)在下面的虚线方框内画出合理的电路原理图,并标明
所选器材的符号。
(2)在设计的电路中,选择定值电阻的根据是____________________________________________。
(3)由U-I图线求得待测电池的内阻为 Ω。
(4)在你设计的电路中,产生系统误差的主要原因是______________________________________。
突破二 破解探究型、设计型实验题的方法
创新探究、设计实验通常是将课本上的实验做适当的变化、创新。
试题的“创新”点主要体现在:
改变实验探究的条件、改变实验探究的结论、改变实验探究的思路、改变实验考查的方法、体现实验探究结果的开放性、评估实验探究的过程与结果等方面。
从命题趋势上看,实验考查向着拓展实验、创新实验方向发展,注重考查同学们的知识迁移能力和解决实际问题的能力。
解此类实验一般可分三步进行:
(1)找原型:
先根据实验目的和给出的条件把教材中的实验原型在头脑中完整地重现出来;
(2)做对比:
将实验中所给器材与原型中器材进行对比,看一下少了什么器材或什么器材的量程不满足要求;再看一下多给了什么器材,注意多给的器材可能就是解决问题的“金钥匙”;
(3)定方案:
根据对比结果设计电路。
[例5] [2014·天津理综,9(3)]现要测量一个未知电阻Rx的阻值,除Rx外可用的器材有:
多用电表(仅可使用欧姆挡);
一个电池组E(电动势6V);
一个滑动变阻器R(0~20Ω,额定电流1A);
两个相同的电流表G(内阻Rg=1000Ω,满偏电流Ig=100μA);
两个标准电阻(R1=29000Ω,R2=0.1Ω)
一个开关S、导线若干。
(1)为了设计电路,先用多用电表的欧姆挡粗测未知电阻,采用“×10”挡,调零后测量该电阻,发现指针偏转非常大,最后几乎紧挨满偏刻度停下来,下列判断和做法正确的是 (填字母代号)。
A.这个电阻阻值很小,估计只有几欧姆
B.这个电阻阻值很大,估计有几千欧姆
C.如需进一步测量可换“×1”挡,调零后测量
D.如需进一步测量可换“×1k”挡,调零后测量
(2)根据粗测的判断,设计一个测量电路,要求测量尽量准确并使电路能耗较小,画出实验电路图,并将各元件字母代码标在该元件的符号旁。
规律总结:
在设计性实验或改编类实验中经常用到电表的替代和改装,常用到的替代或改装有:
(1)内阻已知的电压表相当于小量程的电流表;
(2)内阻已知的电流表则相当于小量程的电压表;
(3)灵敏电流计串大电阻改装成电压表;
(4)灵敏电流计并小电阻改装成电流表;
(5)电阻箱与电流表串联相当于电压表;
(6)电阻箱与电压表并联相当于电流表;
(7)内阻较小的电源串定值电阻相当于内阻较大的电源。
【课堂反馈】
1.(2015·山东理综,22)如图所示的电路中,恒流源可为电路提供恒定电流I0,R为定值电阻,电流表、电压表均可视为理想电表。
某同学利用该电路研究滑动变阻器RL消耗的电功率。
改变RL的阻值,记录多组电流、电压的数值,得到如图所示的U-I关系图线。
回答下列问题:
(1)滑动触头向下移动时,电压表示数 (填“增大”或“减小”)。
(2)I0= A。
(3)RL消耗的最大功率为 W(保留一位有效数字)。
2.(2015·江苏单科,10)小明利用如图
所示的实验装置测量一干电池的电动
势和内阻。
(1)图中电流表的示数为 A。
(2)调节滑动变阻器,电压表和电流表的示数记录如下:
U/V
1.45
1.36
1.27
1.16
1.06
I/A
0.12
0.20
0.28
0.36
0.44
请根据表中的数据,在下面的方格纸上(如图)作出U-I图线。
由图线求得:
电动势E=
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