新教材人教版高中物理必修第三册全册实验汇总新高考一轮复习.docx
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新教材人教版高中物理必修第三册全册实验汇总新高考一轮复习
人教版必修第三册实验
实验一 导体电阻率的测量
1.螺旋测微器的使用
(1)构造:
如图所示,B为固定刻度,E为可动刻度。
(2)原理:
测微螺杆F与固定刻度B之间的精密螺纹的螺距为0.5mm,即旋钮D每旋转一周,F前进或后退0.5mm,而可动刻度E上的刻度为50等份,每转动一小格,F前进或后退0.01mm,即螺旋测微器的精确度为0.01mm。
读数时估读到毫米的千分位上,因此,螺旋测微器又叫千分尺。
(3)读数
测量值(mm)=固定刻度数(mm)(注意半毫米刻度线是否露出)+可动刻度数(估读一位)×0.01(mm)。
如图所示,固定刻度示数为2.0mm,半毫米刻度线未露出,可动刻度上的示数为15.0,最后的读数为2.0mm+15.0×0.01mm=2.150mm。
2.游标卡尺
游标卡尺的读数应注意以下几点
(1)第一看→看清精确度
刻度格
数(分度)
刻度总长度
每小格与
1mm的差值
精确度
(可精确到)
10
9mm
0.1mm
0.1mm
20
19mm
0.05mm
0.05mm
50
49mm
0.02mm
0.02mm
如图甲所示。
易错读成11mm+4×0.1mm=11.40mm
正确的读数应为11.4mm,游标卡尺不需要估读,后面不能随意加0或去0。
(2)第二看→游标尺上的零刻度线位置,区分零刻度与标尺最前端。
如图乙所示。
易错读成13mm+10×0.05mm=13.50mm
正确的读数应为14mm+10×0.05mm=14.50mm。
(3)第三看→主尺上的单位
主尺上标识的1、2、3等数字通常是指厘米,读数时应将毫米和厘米分清,游标卡尺主尺上的最小刻度是1mm。
如图丙所示。
易错读成5mm+4×0.05mm=5.20mm
正确的读数应为50mm+4×0.05mm=50.20mm。
3.电流表和电压表的读数
(1)若刻度盘上每一小格为1、0.1、0.01、…时,需估读到最小刻度值的下一位。
(2)若刻度盘上每一小格为2、0.2、0.02、5、0.5、0.05、…时,只需估读到最小刻度值的位数。
4.伏安法测电阻的电路选择
R<
时,用电流表外接法;R>
时,用电流表内接法。
5.测量金属的电阻率
(1)先测直径,再连接电路。
应该把所测量的待测金属丝的两个端点之间的长度接入电路。
(2)本实验中被测金属丝的电阻值较小,应采用电流表外接法。
(3)开关S闭合前,滑动变阻器的阻值要调至最大。
(4)电流不宜太大(电流表用0~0.6A量程),通电时间不宜太长,以免金属丝温度升高,导致电阻率在实验过程中变大。
1.测量金属丝直径、长度以及电流、电压带来误差。
2.电路中电流表及电压表对电阻测量的影响,因为电流表外接,所以R测 ,知ρ测<ρ真。 3.通电电流过大,时间过长,致使电阻丝发热,电阻率变化带来误差。 考点1 基本测量仪器的读数 (1)如图甲所示的三把游标卡尺,它们的游标尺从上至下分别为9mm长10等分、19mm长20等分、49mm长50等分,它们的读数依次为________mm、________mm、________mm。 (2)使用螺旋测微器测量金属丝的直径,示数如图乙所示,则金属丝的直径是________mm。 (3)①如图丙所示的电表使用0~0.6A量程时,对应刻度盘上每一小格代表________A,图中表针示数为________A;当使用0~3A量程时,对应刻度盘中每一小格代表________A,图中表针示数为________A。 ②如图丁所示的电表使用较小量程时,每小格表示________V,图中表针示数为________V。 若使用的是较大量程,则表盘刻度每小格表示________V,图中表针示数为________V。 【自主解答】 解析: (1)题图甲中最上面图的读数: 整毫米是16,不足1毫米数是7×0.1mm=0.7mm,最后结果是16mm+0.7mm=16.7mm。 中间图的读数: 整毫米是23,不足1毫米数是17×0.05mm=0.85mm,最后结果是23mm+0.85mm=23.85mm。 最下面图的读数: 整毫米是3,不足1毫米数是7×0.02mm=0.14mm,最后结果是3mm+0.14mm=3.14mm。 (2)固定刻度示数为1.0mm,不足半毫米的从可动刻度上读,其示数为15.0,最后的读数为1.0mm+15.0×0.01mm=1.150mm。 (3)①使用0~0.6A量程时,刻度盘上的每一小格为0.02A,表针示数为0.44A;当使用0~3A量程时,每一小格为0.1A,表针示数为2.20A。 ②电压表使用0~3V量程时,每小格表示0.1V,表针示数为1.70V;使用较大量程时,每小格表示0.5V,表针示数为8.5V。 答案: (1)16.7 23.85 3.14 (2)1.150(1.149~1.151均可) (3)①0.02 0.44 0.1 2.20(2.19~2.21均可) ②0.1 1.70(1.69~1.71均可) 0.5 8.5 考点2 仪器的选取和电路设计 在“测定金属的电阻率”的实验中,被测金属丝的电阻大约为6Ω,先用刻度尺测出金属丝的长度l以及金属丝的直径d,接着用伏安法测出金属丝两端的电压U和通过金属丝的电流I,计算出它的电阻,再根据电阻公式计算出该金属材料的电阻率。 在用伏安法测定金属丝的电阻时,除被测金属丝外,还有如下供选择的实验器材: 直流电源E: 电动势约为4.5V,内阻很小; 电流表A1: 量程0~0.6A,内阻为0.125Ω; 电流表A2: 量程0~3A,内阻为0.025Ω; 电压表V1: 量程0~3V,内阻为3kΩ; 电压表V2: 量程0~15V,内阻为15kΩ; 滑动变阻器R1: 最大阻值10Ω,允许通过的最大电流为0.2A; 滑动变阻器R2: 最大阻值20Ω,允许通过的最大电流为1.0A; 开关,导线若干。 要求有较高的测量精度,并能测得多组数据。 (1)在可供选择的器材中,应该选用的电流表是________,应该选用的电压表是________,应该选用的滑动变阻器是________。 (均填器材符号) (2)根据所选的器材,在如图所示的虚线框中画出实验电路图。 (3)用测得的物理量表示电阻率的表达式为ρ=________(用字母表示)。 【自主解答】 解析: (1)电源电动势约为4.5V,被测金属丝的电阻约为6Ω,干路中的最大电流约为0.75A,为使电表读数误差较小,故电流表选A1,电压表选V1,滑动变阻器R1允许通过的最大电流0.2A太小,所以滑动变阻器选R2。 (2)待测金属丝的电阻较小,电流表应采用外接法,要求能测得多组数据,故滑动变阻器应采用分压式接法,电路图如图所示。 (3)由R= 及R=ρ ,又S=π = ,得 ρ= = = 。 答案: (1)A1 V1 R2 (2)见解析图 (3) 【技法总结】 电流表内、外接法的比较及选取 (1)电流表、电压表测电阻两种方法的比较 电流表内接法 电流表外接法 电路图 误差原因 电流表分压U测=Ux+UA 电压表分流I测=Ix+IV 电阻的 测量值 R测= =Rx+RA>Rx,测量值大于真实值 R测= = 适用条件 RA≪Rx RV≫Rx (2)两种接法的选择 ①阻值比较法: 先将待测电阻的估计值与电压表、电流表内阻进行比较,若Rx较小,宜采用电流表外接法;若Rx较大,宜采用电流表内接法。 简单概括为“大内偏大,小外偏小”。 ②临界值计算法 Rx< 时,用电流表外接法; Rx> 时,用电流表内接法。 ③实验试探法: 按如图所示连接好电路,让电压表的一根接线柱P先后与a、b处接触一下,如果电压表的示数有较大的变化,而电流表的示数变化不大,则可采用电流表外接法;如果电流表的示数有较大的变化,而电压表的示数变化不大,则可采用电流表内接法。 考点3 数据分析与误差分析 (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)螺旋测微器如图甲所示。 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。 甲 (2)选择电阻丝的________(选填“同一”或“不同”)位置进行多次测量,取其平均值作为电阻丝的直径。 (3)图乙中Rx为待测电阻丝。 请用笔画线代替导线,将滑动变阻器接入图丙实物电路中的正确位置。 乙丙 (4)为测量Rx,利用图乙所示的电路,调节滑动变阻器测得5组电压U1和电流I1的值,作出的U1I1关系图像如图丁所示。 接着,将电压表改接在a、b两端,测组电压U2和电流I2的值,数据见下表: U2/V 0.50 1.02 1.54 2.05 2.55 I2/mA 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 请根据表中的数据,在方格纸上作出U2I2图像。 丁 (5)由此,可求得电阻丝的电阻Rx=________Ω。 根据电阻定律可得到电阻丝的电阻率。 【自主解答】 解析: (1)旋转微调旋钮C。 (2)电阻丝的粗细不一定均匀,为保证测量结果准确,应在不同位置测量直径,然后取平均值作为测量值。 (3)滑动变阻器采用分压式接法接入电路,注意线不能交叉,如图甲所示。 甲 (4)将所给的5组数据标注在UI图像中,用过原点的直线把它们连在一起,让尽可能多的点落在直线上,如图乙所示。 乙 (5)由题意知 =Rx+RA+R0,由U1I1图线的斜率可得 =49.0Ω。 =RA+R0,由作出的U2I2图线的斜率可得 =25.5Ω。 故Rx=(49.0-25.5)Ω=23.5Ω。 答案: (1)C (2)不同 (3)见解析图甲 (4)见解析图乙 (5)23.5(23.0~24.0均可) 考点4 实验的改进与创新 国标(GB/T)规定自来水在15℃时的电阻率应大于13Ω·m。 某同学利用图甲电路测量15℃自来水的电阻率,其中内径均匀的圆柱形玻璃管侧壁连接一细管,细管上加有阀门K以控制管内自来水的水量,玻璃管两端接有导电活塞(活塞电阻可忽略),右活塞固定,左活塞可自由移动。 实验器材还有: 电源(电动势约为3V,内阻可忽略),电压表V1(量程为0~3V,内阻很大),电压表V2(量程为0~3V,内阻很大),定值电阻R1(阻值4kΩ),定值电阻R2(阻值2kΩ),电阻箱R(最大阻值9999Ω),单刀双掷开关S,导线若干,游标卡尺,刻度尺。 甲 乙 丙 实验步骤如下: A.用游标卡尺测量玻璃管的内径d; B.向玻璃管内注满自来水,并用刻度尺测量水柱长度L; C.把S拨到1位置,记录电压表V1示数; D.把S拨到2位置,调整电阻箱阻值,使电压表V2示数与电压表V1示数相同,记录电阻箱的阻值R; E.改变玻璃管内水柱的长度,重复实验步骤C、D,记录每一次水柱长度L和电阻箱阻值R; F.断开S,整理好器材。 (1)测量玻璃管的内径d时,游标卡尺示数如图乙所示,则d=________mm。 (2)玻璃管内水柱的电阻Rx的表达式为Rx=________(用R1、R2、R表示)。 (3)利用记录的多组水柱长度L和对应的电阻箱阻值R的数据,绘制出如图丙所示的R 关系图像。 自来水的电阻率ρ=________Ω·m(结果保留2位有效数字)。 (4)本实验中若电压表V1内阻不是很大,则自来水电阻率的测量结果将________(选填“偏大”“不变”或“偏小”)。 【自主解答】 解析: (1)根据游标卡尺的读数规则,玻璃管的内径d=30mm+0×0.05mm=30.00mm。 (2)把S拨到1位置,记录电压表V1示数,得到通过水柱的电流I1= ,由闭合电路欧姆定律,有E=U+ Rx。 把S拨到2位置,调整电阻箱阻值,使电压表V2示数与电压表V1示数相同,记录电阻箱的阻值R,得到该支路的电流I2= ,由闭合电路欧姆定律,有E=U+ R2,联立解得Rx= 。 (3)由电阻定律Rx=ρ ,Rx= ,联立解得R= · 。 R 关系图线的斜率k=0.4× 103Ω·m,k= ,S= ,代入数据解得ρ= =14Ω·m。 (4)本实验中,若电压表V1内阻不是很大,则通过水柱的电流I1大于测量值,得到Rx> ,即自来水电阻的测量值偏大,自来水电阻率的测量结果将偏大。 答案: (1)30.00 (2) (3)14 (4)偏大 【核心归纳】 “测定金属的电阻率”的实验核心是导线电阻的测量,除伏安法外,本实验的主要创新点体现在测量目的、测量方法等,要注意实验原理、实验手段的迁移。 常见创新视角如下: (1)实验原理的创新 教材中的实验是测量金属丝的电阻率,可以采用教材实验的原理测定导线的长度或导线的电阻。 (2)实验器材的创新 ①实验中若没有螺旋测微器测电阻丝的直径,可将电阻丝紧密缠绕在圆柱形铅笔上30~50匝,测总长度,然后求出直径。 ②还可以把电压表、电流表更换为电压、电流传感器。 (3)测量对象的创新 可以将测量金属丝的电阻率,改为测量圆柱体金属、圆桶形薄片、电解液等的电阻率。 实验二 练习使用多用电表 1.使用多用电表的注意事项 (1)使用前要先机械调零。 (2)两表笔在使用时,电流总是“红进黑出”。 (3)测电阻时 ①指针指中值附近较准,否则换挡。 ②每换一挡必须重新欧姆调零。 ③读出示数要乘以倍率。 (4)使用完毕,选择开关置于“OFF”挡或交流电压最高挡,长期不用应取出电池。 2.电路故障检测注意事项 将多用电表拨到直流电压挡作为电压表使用。 在电源完好时,将电压表与外电路的各部分电路并联。 若电压表示数等于电源电动势,则说明该部分电路内有断点。 1.偶然误差 (1)估读时带来的误差。 (2)表头指针角度偏转过大或过小都会使误差增大。 2.系统误差 (1)电池用旧后,电动势会减小,内阻会变大,致使电阻测量值偏大,要及时更换电池。 (2)测电流、电压时,由于电表内阻的影响,测得的电流、电压值均小于真实值。 考点1 多用电表的原理及使用 图甲为某同学组装完成的简易多用电表的电路图。 图中E是电池;R1、R2、R3、R4和R5是定值电阻,R6是可变电阻;表头Ⓖ的满偏电流为250μA,内阻为480Ω。 虚线方框内为换挡开关,A端和B端分别与两表笔相连。 该多用电表有5个挡位,5个挡位为: 直流电压1V挡和5V挡,直流电流1mA挡和2.5mA挡,欧姆“×100Ω”挡。 甲 乙 (1)图甲中的A端与______(选填“红”或“黑”)色表笔相连接。 (2)关于R6的使用,下列说法正确的是________。 A.在使用多用电表之前,调整R6使电表指针指在表盘左端电流“0”位置 B.使用欧姆挡时,先将两表笔短接,调整R6使电表指针指在表盘右端电阻“0”位置 C.使用电流挡时,调整R6使电表指针尽可能指在表盘右端电流最大位置 (3)根据题给条件可得R1+R2=________Ω,R4=________Ω。 (4)某次测量时,该多用电表指针位置如图乙所示。 若此时B端是与“1”相连的,则多用电表的读数为________;若此时B端是与“3”相连的,则读数为____________;若此时B端是与“5”相连的,则读数为________。 (结果均保留3位有效数字) 【自主解答】 解析: (1)与欧姆表内电源正极相连的是黑表笔。 (2)R6是可变电阻,它的作用就是欧姆表调零,也就是使用欧姆挡时,先将两表笔短接,调整R6使电表指针指在表盘右端电阻“0”位置,故B正确。 (3)换挡开关接2时,是量程较小的电流表,所以 R1+R2= =160Ω 换挡开关接4时,是量程较小的电压表,这时表头与R1、R2并联组成新表头,新表头的内阻 r= =120Ω 新表头的量程是0~1mA,所以 R4= -r= Ω-120Ω=880Ω。 (4)某次测量时,该多用电表的指针位置如题图乙所示。 若此时B端与“1”相连,则多用电表是量程为0~2.5mA的电流表,则读数为1.44mA;若此时B端与“3”相连,多用电表是欧姆“×100Ω”挡,则读数为11.0×100Ω,即1.10×103Ω;若此时B端与“5”相连,多用电表是量程为0~5V的电压表,则读数为2.89V。 答案: (1)黑 (2)B (3)160 880 (4)1.44mA 1.10×103Ω 2.89V 考点2 用多用电表判断电路故障 如图所示是某同学连接的实验电路实物图。 若灯L1、L2都不亮,他采用下列两种方法进行故障检查: (1)使用多用电表的直流电压挡进行检查,那么选择开关应置于的量程是( ) A.0~2.5VB.0~10V C.0~50VD.0~250V (2)该同学的测试结果如表1所示,在测试a、b间直流电压时,红表笔应接触________(选填“a”或“b”)。 根据测试结果,可以判定故障是( ) A.灯L1短路B.灯L2短路 C.cd段断路D.df段断路 表1 测试点 a、b c、d d、f 电压表示数情况 有示数 无示数 有示数 (3)将开关断开,再选择欧姆挡测试,测试结果如表2所示,那么进一步检查出的故障是( ) A.灯L1断路 B.灯L2断路 C.灯L1、灯L2都断路 D.de段断路 表2 测试点 c、d d、e e、f 指针偏转情况 【自主解答】 解析: (1)四节干电池的总电动势为6V,应用多用电表的直流电压的10V挡进行测量,故选B。 (2)在测试a、b间直流电压时,因为电流必须从多用电表的正接线柱流入,所以红表笔应当接触a。 若灯L1短路,则灯L1不亮,而灯L2亮,这与题述不符,故A错误;若灯L2短路,则灯L2不亮,而灯L1亮,这与题述不符,故B错误;若cd段断路,则d、f间没有电压,无示数,故C错误;若df段断路,电路中无电流,两灯都不亮,a、b和d、f间有电压,c、d间无电压,与题述相符,故D正确。 (3)欧姆表的无穷大刻度在最左端,零刻度在最右端,电路断路时,其电阻为无穷大。 根据欧姆表的读数可知,d、e间电阻无穷大,说明d、e间导线断路,故D正确。 答案: (1)B (2)a D (3)D 【核心归纳】 使用多用电表检测故障的三点注意事项 (1)电流挡检测: 将电流表串联在电路中,若示数为0,说明与电流表串联的部分电路断路。 (2)电压挡检测: 将电压表与部分电路并联,若示数为0或小于电动势,说明该部分电路完好。 若示数等于电动势,说明该部分电路中有断点。 (3)欧姆挡检测: 将各元件与电源断开,然后接到红、黑表笔间,若电阻无穷大说明此元件断路。 考点3 用多用电表探索黑箱内的电学元件 如图甲所示的黑箱中有三只完全相同的电学元件,小明使用多用电表对其进行探测。 (1)在使用多用电表前,发现指针不在左边“0”刻度线处,应先调整图中多用电表的________(选填“A”“B”或“C”)。 (2)在用多用电表的直流电压挡探测黑箱a、b接点间是否存在电源时,一表笔接a,另一表笔应________(选填“短暂”或“持续”)接b,同时观察指针偏转情况。 (3)在判定黑箱中无电源后,将选择开关旋至欧姆“×1”挡,调节好多用电表,测量各接点间的阻值。 测量中发现,每对接点间正、反向阻值均相等,测量记录如表所示。 两表笔分别接a、b时,多用电表的示数如图乙所示。 请将记录表补充完整,并在黑箱图甲中画出一种可能的电路。 两表笔接的接点 多用电表的示数 a、b ________Ω a、c 10.0Ω b、c 15.0Ω 【自主解答】 解析: (1)使用多用电表前应先调整“指针定位螺丝”A,使指针指到左边的“0”刻度线处。 (2)为保护多用电表的内部元件,在测量黑箱中是否存在电源时,应短暂接触接点b。 (3)欧姆表的读数为5.0×1Ω=5.0Ω;每对接点间正、反向电阻均相同,说明黑箱中没有二极管元件,根据表格中两接点间电阻的数值,可设计的电路图如图甲、乙所示。 答案: (1)A (2)短暂 (3)5.0 见解析图 【核心归纳】 判断元件 应用挡位 现象 电源 电压挡 两接线柱正、反接时均无示数,说明无电源 电阻 欧姆挡 两接线柱正、反接时示数相同 二极管 欧姆挡 示数很小说明黑表笔接二极管正极,示数很大说明黑表笔接二极管负极 电容器 欧姆挡 指针先指向某一小阻值后逐渐增大到“∞”,且指针摆动越来越慢 考点4 实验的改进与创新 某兴趣小组对市场中的电线进行调查。 (1)如图甲所示,采用绕线法测得该电线直径为________mm。 (2)取长度为100m的电线,欲测其电阻: ①先用多用电表进行粗略测量,将多用电表的选择开关置于“×10”挡并调零后,两表笔接触待测电阻的两端进行测量,表盘指针如图乙所示。 为了使测量值更准确,选择开关应置于________(选填“×1”“×100”或“×1k”)挡,并将两表笔短接,调节图丙中的________(选填“A”或“B”)重新调零后进行测量。 ②用伏安法测量其电阻,并设计如图丁所示的电路,则电压表的另一端应接________(选填“a”或“b”),测得电压表示数为4.50V,而电流表示数如图戊所示,则所测的电阻为________Ω。 【自主解答】 解析: (1)由题图甲可知,10匝导线的直径之和为12.0mm,则该导线的直径为 mm=1.20mm。 (2)①欧姆表偏转角度过大,说明待测电阻的阻值较小,应换用小倍率挡;换挡后,需要重新进行欧姆调零,方法是将两表笔短接,调节题图丙中的B旋钮(欧姆调零旋钮),使指针指到欧姆零刻度处。 ②因待测电阻的阻值较小,应采用电流表外接法,故电压表的另一端应接a;电流表量程为0~3A,分度值为0.1A,则读数为2.50A,故电阻R= Ω=1.80Ω。 答案: (1)1.20 (2)①×1 B ②a 1.80 实验三 电源电动势和内阻的测量 1.电池选取: 应选用内阻较大的旧电池。 2.实验操作: 实验中不宜将电流调得过大,电表读数要快,每次读完数后立即断开开关。 3.数据要求: 要测出不少于6组的(I,U)数据,且变化范围要大些。 4.描点画图: 画UI图线时,应使图线通过尽可能多的点,并使不在直线上的点均匀分布在直线的两侧,个别偏离直线太远的点可舍去。 5.纵轴标度的确定: 纵轴的刻度可以不从0开始,而是依据测得的数据从某一恰当值开始(横坐标I必须从0开始)。 但这时图线和横轴的交点不再是短 路电流,而图线与纵轴的截距仍为电源电动势,图线斜率的绝对值仍为内阻。 1.偶然误差 (1)由于电表读数不准确引起误差
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