第18讲 电学实验专题解析版.docx
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第18讲电学实验专题解析版
2020年高考物理二轮精准备考复习讲义
第七部分实验
第十八讲电学实验专题
一、理清单,记住干
1.对电压表、电流表读数问题,要先弄清楚电表的精确度,即每小格的数值,再确定估读的方法,是
、
还是
估读,明确读数的小数位数.
2.使用多用电表时,不管测量什么,电流都要从电表的“+”插孔(红表笔)流入电表,从“-”插孔(黑表笔)流出电表,即“红入黑出”.
3.欧姆表的读数:
①为了减小读数误差,指针应指在表盘中央刻度附近;②电阻值等于指针示数与所选倍率的乘积.
4.实验器材的选择
(1)电源的选择:
一般根据待测电学元件的额定电流或额定电压选择符合需要的直流电源。
(2)电表的选择:
一般根据电源的电动势或待测用电器的额定电压选择电压表;根据待测电流的最大电流选择电流表。
电表的指针摆动的幅度要尽量大一些,一般应使指针能达到半偏。
5.电流表内接法与外接法的比较
比较项目
电流表内接法
电流表外接法
电路
误差原因
由于电流表内阻的分压作用,电压表测量值偏大
由于电压表内阻的分流作用,电流表测量值偏大
测量结果
R测=
=RA+Rx>Rx,电阻的测量值大于真实值
R测=
=
适用条件 Rx≫RA,大电阻 Rx≪RV,小电阻 6.电流表内接法与外接法的选择 (1)比较法 若 < ,即R >RARV时,Rx为大电阻,电流表内接法误差小,应选用内接法;若 > ,即R =RARV时,内、外接法均可。 (2)试触法: 当无法估计电阻的阻值,难以比较 及 的大小时,可采用电压表试触法观察电流表、电压表示数变化大小来确定,若电流表示数较电压表示数变化明显,说明电流表外接时电压表分流作用大,Rx为大电阻,应采用内接法;若电压表示数较电流表示数变化明显,说明电流表内接时电流表的分压作用大,Rx为小电阻,应采用外接法。 7.滑动变阻器分压式接法与限流式接法的选择 “以小控大用分压,相差无几用限流”。 即当滑动变阻器的阻值较小时,常采用分压式接法;当滑动变阻器的阻值与负载相差不大时,常采用限流式接法。 另外,必须采用分压式接法的情况有三种: ①要求电压从零开始变化;②滑动变阻器阻值太小,不能起到限流的作用;③限流式接法不能获取有区分度的多组数据。 若两种接法均可,则采用限流式接法,因为限流式接法损耗功率小。 8.滑动变阻器的选择 (1)当采用分压式接法时,一般应选用最大阻值较小、而额定电流较大的滑动变阻器. (2)当采用限流式接法时,一般应选用最大阻值比待测电阻稍大或差不多的滑动变阻器. 二、研高考,探考情 【2019·天津高考】现测定长金属丝的电阻率。 (1)某次用螺旋测微器测量金属丝直径的结果如图所示,其读数是________mm。 (2)利用下列器材设计一个电路,尽量准确地测量一段金属丝的电阻。 这段金属丝的电阻Rx约为100Ω,画出实验电路图,并标明器材代号。 电源E(电动势10V,内阻约为10Ω) 电流表A1(量程0~250mA,内阻R1=5Ω) 电流表A2(量程0~300mA,内阻约为5Ω) 滑动变阻器R(最大阻值10Ω,额定电流2A) 开关S及导线若干 (3)某同学设计方案正确,测量得到电流表A1的读数为I1,电流表A2的读数为I2,则这段金属丝电阻的计算式Rx=________。 从设计原理看,其测量值与真实值相比________(填“偏大”“偏小”或“相等”)。 【答案】 (1)0.200(0.196~0.204均可) (2)图见解析 (3) 相等 【解析】 (1)d=20.0×0.01mm=0.200mm。 (2)本题要测量金属丝的电阻,无电压表,故用已知内阻的电流表A1充当电压表,由于电流表A1的满偏电压UA1=ImR1=1.25V,比电源电动势小得多,故电路采用分压式接法,电路图如图所示。 (3)当电流表A1、A2读数分别为I1、I2时,通过Rx的电流为I=I2-I1,Rx两端电压U=I1·R1,故Rx= = 。 不考虑读数误差,从设计原理看,测量值等于真实值。 【2019·全国卷Ⅰ】某同学要将一量程为250μA的微安表改装为量程为20mA的电流表。 该同学测得微安表内阻为1200Ω,经计算后将一阻值为R的电阻与该微安表连接,进行改装。 然后利用一标准毫安表,根据图a所示电路对改装后的电表进行检测(虚线框内是改装后的电表)。 (1)根据图a和题给条件,将图b中的实物连线。 (2)当标准毫安表的示数为16.0mA时,微安表的指针位置如图c所示。 由此可以推测出所改装的电表量程不是预期值,而是________。 (填正确答案标号) A.18mAB.21mAC.25mAD.28mA (3)产生上述问题的原因可能是________。 (填正确答案标号) A.微安表内阻测量错误,实际内阻大于1200Ω B.微安表内阻测量错误,实际内阻小于1200Ω C.R值计算错误,接入的电阻偏小 D.R值计算错误,接入的电阻偏大 (4)要达到预期目的,无论测得的内阻值是否正确,都不必重新测量,只需要将阻值为R的电阻换为一个阻值为kR的电阻即可,其中k=________。 【答案】 (1)图见解析 (2)C (3)AC (4) 【解析】 (1)微安表改装为大量程的电流表,应并联电阻R,实物连线如图所示。 (2)串联电路中电流处处相等,毫安表示数为16.0mA时,对应微安表的示数为160μA,根据比例关系得,当微安表指针指到满量程250μA时,毫安表的示数应为25mA,即为改装后电表的量程,C正确。 (3)根据IgRg=(I-Ig)R,得I= +Ig。 产生上述问题的原因可能是微安表内阻测量错误,实际内阻大于1200Ω,或者并联的电阻R值计算错误,接入的电阻偏小,A、C正确。 (4)设微安表的满偏电压为U,则对并联的电阻R有 U=(25-0.25)×10-3A×R 对并联的电阻kR有 U=(20-0.25)×10-3A×kR 解得k= 。 【2019·全国卷Ⅱ】某小组利用图a所示的电路,研究硅二极管在恒定电流条件下的正向电压U与温度t的关系,图中 和 为理想电压表;R为滑动变阻器,R0为定值电阻(阻值100Ω);S为开关,E为电源。 实验中二极管置于控温炉内,控温炉内的温度t由温度计(图中未画出)测出。 图b是该小组在恒定电流为50.0μA时得到的某硅二极管Ut关系曲线。 回答下列问题: (1)实验中,为保证流过二极管的电流为50.0μA,应调节滑动变阻器R,使电压表 的示数为U1=________mV;根据图b可知,当控温炉内的温度t升高时,硅二极管正向电阻________(填“变大”或“变小”),电压表 示数________(填“增大”或“减小”),此时应将R的滑片向________(填“A”或“B”)端移动,以使 示数仍为U1。 (2)由图b可以看出U与t成线性关系。 硅二极管可以作为测温传感器,该硅二极管的测温灵敏度为 =________×10-3V/℃(保留2位有效数字)。 【答案】 (1)5.00 变小 增大 B (2)2.8 【解析】 (1) 、 是理想电压表,则R0与硅二极管串联,电流相等, R0两端电压U1=IR0=50.0×10-6×100V=5.00×10-3V=5.00mV。 由Ut图象知,当控温炉内温度t升高时,U变小,又I=50.0μA不变,故硅二极管正向电阻变小;当控温炉内温度升高时,硅二极管电阻变小,反过来影响电路中电流,由闭合电路欧姆定律知,电路中电流增大, 示数增大;要保持 示数不变,需增大滑动变阻器的阻值,即将滑片向B端移动。 (2)由Ut图象的斜率可知: = V/℃=2.8×10-3V/℃。 【2019·全国卷Ⅲ】某同学欲将内阻为98.5Ω、量程为100μA的电流表改装成欧姆表并进行刻度和校准,要求改装后欧姆表的15kΩ刻度正好对应电流表表盘的50μA刻度。 可选用的器材还有: 定值电阻R0(阻值14kΩ),滑动变阻器R1(最大阻值1500Ω),滑动变阻器R2(最大阻值500Ω),电阻箱(0~99999.9Ω),干电池(E=1.5V,r=1.5Ω),红、黑表笔和导线若干。 (1)欧姆表设计 将图a中的实物连线组成欧姆表。 欧姆表改装好后,滑动变阻器R接入电路的电阻应为________Ω;滑动变阻器选________(填“R1”或“R2”)。 (2)刻度欧姆表表盘 通过计算,对整个表盘进行电阻刻度,如图b所示。 表盘上a、b处的电流刻度分别为25和75,则a、b处的电阻刻度分别为________、________。 (3)校准 红、黑表笔短接,调节滑动变阻器,使欧姆表指针指向________kΩ处;将红、黑表笔与电阻箱连接,记录多组电阻箱接入电路的电阻值及欧姆表上对应的测量值,完成校准数据测量。 若校准某刻度时,电阻箱旋钮位置如图c所示,则电阻箱接入的阻值为________Ω。 【答案】 (1)如图所示 900 R1 (2)45 5 (3)0 35000.0 【解析】 (1)欧姆表内各元件串联,且红表笔接电源负极,黑表笔接电源正极。 欧姆表的中值刻度为欧姆表的内阻,即R内=r+R0+RA+R=15kΩ,解得R=900Ω。 由于滑动变阻器R2的最大阻值为500Ω,所以滑动变阻器选R1。 (2)根据闭合电路欧姆定律,得Ia= 和Ib= ,代入数据解得Ra=45kΩ,Rb=5kΩ。 (3)使用欧姆表测量电阻时,首先要进行电阻调零,此时应将红、黑表笔短接,调整滑动变阻器,使欧姆表指针指向0kΩ处。 电阻箱的阻值为(0.1×0+1×0+10×0+100×0+1000×5+10000×3)Ω=35000.0Ω。 【2018·江苏高考】一同学测量某干电池的电动势和内阻。 (1)如图所示是该同学正准备接入最后一根导线(图中虚线所示)时的实验电路。 请指出图中在器材操作上存在的两个不妥之处____________;____________。 (2)实验测得的电阻箱阻值R和电流表示数I,以及计算的 数据见下表: R/Ω 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 I/A 0.15 0.17 0.19 0.22 0.26 /A-1 6.7 6.0 5.3 4.5 3.8 根据表中数据,在答题卡的方格纸上作出R 关系图象,由图象可计算出该干电池的电动势为________V;内阻为________Ω。 (3)为了得到更准确的测量结果,在测出上述数据后,该同学将一只量程为100mV的电压表并联在电流表的两端。 调节电阻箱,当电流表的示数为0.33A时,电压表的指针位置如图所示,则该干电池的电动势应为________V;内阻应为________Ω。 【答案】 (1)开关未断开 电阻箱阻值为零 (2)图象如图所示。 1.37(1.30~1.44都算正确) 1.20(1.0~1.4都算正确) (3)1.37(结果与 (2)问第一个空格一致) 1.00(结果比 (2)问第二个空格小0.2) 【解析】 (1)连接电路时电源应与电路断开,所以开关要断开;另一错误是电阻箱接入电路的电阻是零,这样容易烧坏电流表和电源。 (2)将数据描点连线,作出一条倾斜的直线。 根据闭合电路欧姆定律E=I(R+r)得R=E· -r,所以图线的斜率表示电源电动势,E= V=1.37V,截距绝对值表示电源内阻: r=0.4×3.0Ω=1.20Ω。 (3)用电压表与电流表并联,可测得电流表的内阻RA= = Ω=0.20Ω,考虑电表内阻对实验的影响,则E=I(R+RA+r),得R=E· -(RA+r),所以图线的斜率仍表示电动势,电动势的准确值为1.37V,图线的截距绝对值表示(RA+r),所以内阻精确值为r=(1.20-0.20)Ω=1.00Ω。 三、考情揭秘 1.分析近几年的高考,考查的方向基本不变,主要体现在: (1)基本仪器的使用及读数。 (2)电表的改装、仪器的选择。 (3)以测量电阻、电源电动势为核心的电学实验。 (4)实验原理的理解、实验数据的分析以及实验的设计。 思想方法: 等效替代法、半偏法、控制变量法、累积法、图象法。 滑动变阻器的接法: 分压式、限流式。 电流表的接法: 内接法、外接法。 应考策略: 1.掌握基本仪器的原理和使用,掌握处理实验数据的基本方法,如图象法、平均值法等. 2.掌握基本的实验目的、实验原理和实验思想.重视实验的迁移和创新问题,如由伏安法测电阻衍生的等效替代法、半偏法、差值法等测电阻方法. 四、定考点,定题型 超重点突破1电学常用仪器的读数及使用 1.电流表和电压表 量程 精确度 读数规则 电流表0~3A 0.1A 与刻度尺一样,采用 估读,读数规则较简单,只需要精确值后加一估读数即可 电压表0~3V 0.1V 电流表0~0.6A 0.02A 估读位与最小刻度在同一位,采用 估读 电压表0~15V 0.5V 估读位与最小刻度在同一位,采用 估读 2.多用电表的读数及使用 (1)电流的流向 电流从电表的“+”插孔(红表笔)流入,从“-”插孔(黑表笔)流出,即“红进黑出”. (2)“机械零点”与“欧姆零点” “机械零点”在表盘刻度左侧“0”位置,调整的是表盘下边中间的定位螺丝;“欧姆零点”在表盘刻度的右侧电阻刻度“0”位置,调整的是欧姆挡的调零旋钮. (3)欧姆表刻度不均匀的原因 当红、黑表笔短接时,调节滑动变阻器R0(即欧姆调零),使灵敏电流计满偏,Ig= ,此时中值电阻R中=Rg+R0+r,当两表笔接入电阻Rx时,I= ,电阻Rx与电路中的电流相对应,但不是线性关系,故欧姆表刻度不均匀. 【例1】 (1)如图所示为电压表和电流表的刻度盘示意图,指针位置分别如图甲、乙所示. (1)若使用的是0~3V量程的电压表,读数为______V.若使用的是0~15V量程的电压表,读数为______V. (2)若使用的是0~0.6A量程的电流表,读数为______A.若使用的是0~3A量程的电流表,读数为______A. 【答案】: (1)1.68(1.67~1.69均正确) 8.4(8.3亦可) (2)0.46 2.30(2.29~2.31均正确) 【解析】: 对于电压表,当选取0~3V量程时,每小格为0.1V,读数为1.68V,当选取0~15V量程时,每小格为0.5V,读数为8.4V;对于电流表,当选取0~0.6A量程时,每小格为0.02A,读数为0.46A,当选取0~3A量程时,每小格为0.1A,读数为2.30A. (2).如图所示为多用电表的刻度盘,若选用倍率为“×100”的电阻挡测电阻时,表针指示如图所示,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的直流电流挡测量电流时,表针指于图示位置,则所测电流为________mA;当选用量程为250mA的直流电流挡测量电流时,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. 【答案】: (1)1.5×103 ×1k (2)30.8(30.7~30.9都正确) 154 (3)6.2 【解析】: (1)欧姆表读数: 对应最上一行刻度值为15,倍率为“×100”,读数为1.5×103Ω;测2.0×104Ω电阻时应选“×1k”的欧姆挡. (2)选50mA直流电流挡,则每一大格表示10mA,每一小格表示1mA,测量的精确度为1mA,应估读到0.1mA(此时为 估读),指针对应的读数为30.8mA;选择量程为250mA的直流电流挡,则每一大格表示50mA,每一小格表示5mA,测量的精确度为5mA,应估读到1mA(此时为 估读),指针对应的读数为154mA. (3)选择10V电压挡,则每一大格表示2V,每一小格表示0.2V,测量的精确度为0.2V,应估读到0.1V(此时应为 估读),指针对应的读数为6.2V. 超重点突破2电表改装 多用电表的原理和使用 (1)电表改装 类型 电路图 原理 把电流表改装为电压表 U=Ig(Rg+R) 扩大电流表量程 I=Ig+ 把电流表改装为欧姆表 R内=R中= Rx= -R内 (2)欧姆表使用“六点注意” ①电流的流向: 使用欧姆挡时,多用电表内部电池的正极接黑表笔,负极接红表笔,从电源外部看,电流从红表笔流入,从黑表笔流出。 ②区分“机械调零”和“欧姆调零”: “机械调零”至表盘刻度左侧“0”位置,调节表盘下边的指针定位螺丝;“欧姆调零”至表盘刻度的右侧电阻刻度“0”位置,调节欧姆调零旋钮。 ③倍率选择: 使用欧姆挡测电阻时,表头指针过大或过小均有较大误差,指针偏转角度在 满偏到 满偏之间读数较准确。 ④换挡需重新进行欧姆调零。 ⑤读数之后要乘以倍率得阻值。 ⑥电池用久了,电动势变小,内阻变大,使测量结果偏大。 【例2】.(2019·四川省成都市高三模拟) (1)某同学用多用电表欧姆挡粗测一电阻Rx的阻值。 选择“×1”挡时,指针指示如图甲所示,则示数为________Ω。 (取一位有效数字) (2)为精确测量Rx的阻值,现取来两节干电池(总电动势为3V,总内阻为0.4Ω)、开关和若干导线及下列器材: A.电压表(0~3V,内阻约10kΩ) B.电流表(0~0.6A,内阻很小,可不计) C.电流表(0~3A,内阻很小,可不计) D.滑动变阻器(0~5Ω,额定电流为0.5A) E.滑动变阻器(0~10Ω,额定电流为1A) (ⅰ)电流表应选________;(填序号字母) (ⅱ)要求滑动变阻器分压连接,滑动变阻器应选________;(填序号字母) (ⅲ)实验中该同学的实物连线如图乙所示,其中有一处不妥,不妥处为________。 (填①至⑧的序号) (3)该同学将 (2)中的错误纠正并测出Rx的阻值后,又进行了以下实验: 将导线③连接在电池负极的一端改为连接在开关的右端,闭合开关,当滑片P移到某位置c(图乙中未标出)时,读出电压表示数为2.2V,电流表示数为0.4A,则变阻器的ca与cb段的电阻之比Rca∶Rcb=________。 【答案】 (1)6 (2)(ⅰ)B (ⅱ)E (ⅲ)⑦ (3)4∶1或1∶4 【解析】 (1)由表盘读出指针示数为6,又因为挡位选择“×1”挡,故电阻的大小为Rx=6×1Ω=6Ω。 (2)(ⅰ)利用欧姆定律,测量电路最大电流约为 A=0.5A,故电流表应选B; (ⅱ)要求滑动变阻器分压连接,通过滑动变阻器的电流要超过0.5A,故滑动变阻器应选E; (ⅲ)因为电流表内阻可以不计,故测量电路电流表应选择内接法,故⑦处连接不妥。 (3)设滑动变阻器连入电路的电阻为R,则由闭合电路欧姆定律,得: E=U+I(r+R),滑动变阻器两部分并联连入电路,由并联电路电阻关系,有: R= ①,且Rca+Rcb=10Ω ②,联立①②并代入数据解得: Rca=2Ω,Rcb=8Ω或Rca=8Ω,Rcb=2Ω,故Rca∶Rcb=1∶4或Rca∶Rcb=4∶1。 【针对训练2】(2019·福建南平二模)为了将小量程电流表改装成量程为3V的电压表,实验器材如下: A.电流表G: 满偏电流为300μA,内阻约100Ω B.干电池E: 电动势为3V,内阻未知 C.滑动变阻器R1: 最大阻值为500Ω,额定电流为1A D.滑动变阻器R2: 最大阻值为15kΩ,额定电流为0.5A E.电阻箱R0: 最大值为999.9Ω,额定电流为0.5A F.电阻箱R: 最大值为9999.9Ω,额定电流为0.5A G.开关两个,导线若干 请回答以下问题: (1)为尽可能准确测量电流表的内阻,应选用甲图中的________(选填“A”或“B”)电路。 (2)根据所选电路完成实物电路连接。 闭合开关S1,调节滑动变阻器使电流表的示数为300μA;接着保持滑动变阻器的滑片位置不变,闭合开关S2,调节电阻箱R0的阻值,当R0=200Ω时电流表示数如图乙所示,则流过电流表的电流为________μA,电流表内阻的测量值为________Ω。 (3)现将上述电流表与电阻箱R串联改装成量程为3V的电压表,则电阻箱R接入电路的阻值应为________kΩ。 (4)若用改装后的电压表测量某电路电压,则电压测量值________(选填“大于”“等于”或“小于”)真实值。 【答案】 (1)B (2)200 100 (3)9.9 (4)小于 【解析】 (1)由“半偏法”测量电流表内阻的原理可知,先闭合S1,调节滑动变阻器的阻值,使电流表满偏;然后闭合开关S2,调节电阻箱的阻值,使电流表半偏,读出电阻箱的阻值即为电流表的内阻。 其中当闭合开关S2时,认为电路中的总电流不变,这样必须要求滑动变阻器的阻值比电流表的内阻大得多,即滑动变阻器应选R2,电路应选择B。 (2)由图可知,电流表读数为200μA,则通过电阻箱的电流为100μA,则电阻箱R0的阻值等于电流表内阻的2倍,即电流表内阻为100Ω。 (3)将上述电流表与电阻箱R串联改装成量程为3V的电压表,则电阻箱R接入电路的阻值应为R= -rg= Ω-100Ω=9900Ω=9.9kΩ。 (4)若用改装后的电压表测量某电路电压,当电压表并联到被测电路上后,此部分电路总电阻减小,则电压表两端的电压减小,即电压测量值小于真实值。 超重点突破3 以测电阻为核心的实验 1.电流表内接法与外接法的选择 比较项目 电流表内接法 电流表外接法 电路 误差原因 由于电流表内阻的分压作用,电压表测量值偏大 由于电压表内阻的分流作用,电流表测量值偏大 测量结果 R测= =RA+Rx>Rx 电阻的测量值大于真实值 R测= = Rx 电阻的测量值小于真实值 适用条件 Rx≫RA,大电阻 Rx≪RV,小电阻 2.滑动变阻器的限流式接法和分压式接法(不计电源内阻) 限流式接法 分压式接法 对比说明 两种接法 电路图 串、并联关系不同 负载R上电压调节 范围 ≤U≤E 0≤U≤E 分压电路调节范围大 负载R上电流调节 范围 ≤I≤ 0≤I≤ 分压电路调节范围大 闭合S前滑片P 位置 b端 a端 都是为了保护电路元件 测定金属丝的电阻率 【例3】(2019·江苏高考)某同学测量一段长度已知的电阻丝的电阻率。 实验操作如下: (1)螺旋测微器如图1所示。 在测量电阻丝的直径时,先将电阻丝轻轻地夹在测砧与测微螺杆之间,再旋动________(选填“A”“B”或“C”),直到听到“喀喀”的声音,以保证压力适当,同时防止螺旋测微器的损坏。 (2)选择电阻丝的________(选填“同一”或“不同”
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