京津鲁琼专用版高考物理大二轮复习专题七第2讲电学实验与创新讲义.docx
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京津鲁琼专用版高考物理大二轮复习专题七第2讲电学实验与创新讲义
第2讲 电学实验与创新
本部分在高考试题中每年都出现,实验原理、仪器的选择、电路的分析是高考的重点.在备考过程中要:
(1)掌握基本仪器的原理和使用;
(2)掌握基本的实验目的、原理和实验思想,如伏安法测电阻,电流表的内、外接法及滑动变阻器的连接方式;(3)掌握处理实验数据的基本方法,如图象法、平均值法等.涉及电源电动势和内阻的实验、电路故障分析、实物图的连接是实验命题的重点.
热点题型一 电表改装与多用电表的使用
实验
仪表图及原理图
使用方法及原理
考查热点
练习使用多用电表及掌握内部结构
①电压、电流挡:
相当于电压表、电流表
②欧姆挡:
闭合电路欧姆定律
③调零:
机械调零、欧姆调零
④电流方向:
红表笔进,黑表笔出
⑤原理:
串联分压、并联分流
①考读数:
电压、电流、电阻挡的读数
②考使用:
欧姆表选挡、调零、规范操作等
③考黑箱:
多用电表探测黑箱内的元件
④电表改装:
所需电阻或改后量程的计算
(2019·高考全国卷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.18mA B.21mA
C.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=________.
[解析]
(1)量程为250μA的微安表改装成量程为20mA的电流表,量程扩大了80倍,需要将定值电阻与微安表并联,然后根据题图(a)的原理图连线.
(2)当标准毫安表示数为16.0mA时,对应的微安表读数为160μA,说明量程扩大了100倍,因此所改装的电表量程是25mA,选项C正确.
(3)当标准毫安表示数为16.0mA时,对应的微安表读数应为200μA,而实际测量时微安表读数为160μA,实际测量时微安表读数偏小,若R值计算无误,而微安表内阻测量错误,则说明微安表实际内阻大于1200Ω,选项A正确,B错误;若微安表内阻测量无误,而R值计算错误,则并联接入的电阻的阻值偏小,R的分流较大,导致微安表中电流较小,选项C正确,D错误.
(4)预期目的是将量程为250μA的微安表改装成量程为20mA的电流表,量程扩大80倍,根据并联电路规律有IgRg=79IgkR;当标准毫安表示数为16.0mA时,对应的微安表读数为160μA,量程扩大了100倍,根据并联电路规律有IgRg=99IgR;联立解得k=
.
[答案]
(1)连线如图所示
(2)C (3)AC (4)
多用电表测电阻的“五步”“一注意”
(1)多用电表测电阻的五步骤
①选倍率:
一般要选择比被测电阻的估计值低一个数量级的倍率,如估计值为200Ω,就应该选“×10”的倍率.
②进行欧姆调零.
③将红、黑表笔接被测电阻两端进行测量.
④读出指针示数乘以倍率,得测量值.
⑤测量结束后,将选择开关扳到“OFF”挡或交流电压最高挡.
(2)多用电表测电阻的注意点:
用欧姆挡测电阻时,如果指针偏转角度太小(即指针所指的欧姆刻度值太大),应该适当增大倍率重新调零后再测量;如果指针偏转角度太大(即指针所指的欧姆刻度值太小),应该适当减小倍率重新调零后再测量. K
1.(2019·高考全国卷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.
解析:
(1)由题知当两表笔间接入15kΩ的电阻时,电流表示数为50μA,由闭合电路欧姆定律有
=
,代入数据解得R=900Ω,所以滑动变阻器选择R1.
(2)欧姆表的内阻R′g=Rg+r+R0+R=15kΩ,当电流为
25μA时有
=
⇒R′x=3Rx=45kΩ;当电流为75μA时有
=
⇒R″x=
Rx=5kΩ.
(3)红、黑表笔短接,调节滑动变阻器,使欧姆表指针指向0处.题图(c)中电阻箱读数为35000.0Ω.
答案:
(1)如图所示 900 R1
(2)45 5
(3)0 35000.0
热点题型二 电阻的测量
实验
两种测量电路图
两种控制电路图
考查热点
电阻的测量
①考读数:
U、I
②考电路:
电路设计或选择、实物连线或改错,器材选择
③考数据:
数据处理、误差分析
(2018·高考全国卷Ⅲ)一课外实验小组用如图所示的电路测量某待测电阻Rx的阻值,图中R0为标准定值电阻(R0=20.0Ω);V可视为理想电压表;S1为单刀开关,S2为单刀双掷开关;E为电源;R为滑动变阻器.采用如下步骤完成实验:
(1)按照实验原理线路图(a),将图(b)中实物连线;
(2)将滑动变阻器滑动端置于适当的位置,闭合S1;
(3)将开关S2掷于1端,改变滑动变阻器滑动端的位置,记下此时电压表V的示数U1;然后将S2掷于2端,记下此时电压表V的示数U2;
(4)待测电阻阻值的表达式Rx=________(用R0、U1、U2表示);
(5)重复步骤(3),得到如下数据:
1
2
3
4
5
U1/V
0.25
0.30
0.36
0.40
0.44
U2/V
0.86
1.03
1.22
1.36
1.49
3.44
3.43
3.39
3.40
3.39
(6)利用上述5次测量所得
的平均值,求得Rx=________Ω.(保留1位小数)
解析:
开关S2掷于1端,由欧姆定律可得通过Rx的电流I=
,将开关S2掷于2端,R0和Rx两端电压为U2,Rx两端电压为U=U2-U1,由欧姆定律可得待测电阻阻值Rx=
=
R0=(
-1)R0.5次测量所得
的平均值为
(3.44+3.43+3.39+3.40+3.39)=3.41,代入得Rx=(3.41-1)×20.0Ω=48.2Ω.
答案:
(1)实物连线如图 (4)(
-1)R0 (6)48.2
测电阻的两种典型方法
(1)最精确的电阻测量方法——等效替代法
电流等效替代
电压等效替代
(2)最专一的电表内阻测量方法——半偏法
①用半偏法测电流表内阻,如图所示,电阻箱应和电流表并联,然后与大电阻滑动变阻器串联,R测 ②若测电压表内阻,如图所示,电阻箱应和电压表串联,然后与小电阻滑动变阻器并联,R测>R真. 2.(2018·高考天津卷)某同学用伏安法测定待测电阻Rx的阻值(约为10kΩ),除了Rx、开关S、导线外,还有下列器材供选用: A.电压表(量程0~1V,内阻约10kΩ) B.电压表(量程0~10V,内阻约100kΩ) C.电流表(量程0~1mA,内阻约30Ω) D.电流表(量程0~0.6A,内阻约0.05Ω) E.电源(电动势1.5V,额定电流0.5A,内阻不计) F.电源(电动势12V,额定电流2A,内阻不计) G.滑动变阻器R0(阻值范围0~10Ω,额定电流2A) (1)为使测量尽量准确,电压表选用________,电流表选用________,电源选用________.(均填器材的字母代号) (2)画出测量Rx阻值的实验电路图. (3)该同学选择器材、连接电路和操作均正确,从实验原理上看,待测电阻测量值会________其真实值(填“大于”“小于”或“等于”),原因是________________________________________________________________________. 解析: 若选用电动势为1.5V的电源,则实验中电流最大值仅为0.15mA,两个电流表均无法准确测量,故选用电动势为12V的电源F;此时,实验中最大电流约为1.2mA,故电流表选用C;电压表选用B.由于滑动变阻器的最大阻值远小于待测电阻的阻值,所以滑动变阻器采用分压式接法;待测电阻的阻值远大于电流表内阻,所以电流表内接.由于电流表的分压作用,电阻测量值偏大,所以电阻测量值大于其真实值. 答案: (1)B C F (2)如图所示 (3)大于 电压表的读数大于待测电阻两端实际电压 热点题型三 描绘小电珠的伏安特性曲线 实验 电路图 实验原理 考查热点 描绘小电珠的伏安特性曲线 ①电路: 伏安法外接;滑动变阻器分压式 ②图象: U-I图象为曲线(温度升高,灯丝电阻增大) ①考电路: 电路设计或选择、实物连线或改错,器材选择 ②考作图: 描点、连线画U-I图象 ③考运算: 由U-I图象求电阻、电功率 (2017·高考全国卷Ⅰ)某同学研究小灯泡的伏安特性.所使用的器材有: 小灯泡L(额定电压3.8V,额定电流0.32A);电压表V(量程3V,内阻3kΩ);电流表A(量程0.5A,内阻0.5Ω);固定电阻R0(阻值1000Ω);滑动变阻器R(阻值0~9.0Ω);电源E(电动势5V,内阻不计);开关S;导线若干. (1)实验要求能够实现在0~3.8V的范围内对小灯泡的电压进行测量,画出实验电路原理图. K (2)实验测得该小灯泡伏安特性曲线如图(a)所示.由实验曲线可知,随着电流的增加小灯泡的电阻________(填“增大”“不变”或“减小”),灯丝的电阻率________(填“增大”“不变”或“减小”). (3)用另一电源E0(电动势4V,内阻1.00Ω)和题给器材连接成图(b)所示的电路,调节滑动变阻器R的阻值,可以改变小灯泡的实际功率.闭合开关S,在R的变化范围内,小灯泡的最小功率为________W,最大功率为________W.(结果均保留2位小数) [解析] (1)要实现在0~3.8V的范围内对小灯泡的电压进行测量,则滑动变阻器需要设计成分压接法;电压表V应与固定电阻R0串联,将量程改为4V.由于小灯泡正常发光时电阻约为12Ω,所以需将电流表外接. (2)由小灯泡伏安特性曲线可知,随着电流的增加小灯泡的电阻增大.根据电阻定律可知,灯丝的电阻率增大. (3)当滑动变阻器接入电路中的阻值最大为9.0Ω时,流过小灯泡的电流最小,小灯泡的实际功率最小,把滑动变阻器视为等效电源内阻的一部分,在题图(a)中画出等效电源E′0(电动势4V,内阻1.00Ω+9.0Ω=10Ω)的伏安特性曲线,函数表达式为U=4-10I(V),图线如图中Ⅰ所示,故小灯泡的最小功率为Pmin=U1I1=1.75×0.225W≈0.39W.当滑动变阻器接入电路中的阻值最小为零时,流过小灯泡的电流最大,小灯泡的实际功率最大,在题图(a)中画出电源E0(电动势4V,内阻1.00Ω)的伏安特性曲线,函数表达式为U=4-I(V),图线如图中Ⅱ所示,故小灯泡的最大功率为Pmax=U2I2=3.68×0.318W≈1.17W. [答案] (1)实验电路原理图如图所示 (2)增大 增大 (3)0.39 1.17 描绘小电珠的伏安特性曲线电路的连接方式 (1)电流表应采用外接法: 因为小电珠(3.8V,0.3A)的电阻很小,与量程为0.6A的电流表串联时,电流表的分压影响很大. (2)滑动变阻器应采用分压式接法: 目的是使小电珠两端的电压能从0开始连续变化. 3.(2019·高考全国卷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V1和V2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U-t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V1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V1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V1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). 解析: (1)实验中硅二极管与定值电阻R0串联,由欧姆定律可知,定值电阻两端电压U1=IR0=50.0μA×100Ω=5.00mV;由图(b)可知,当控温炉内温度升高时,硅二极管两端电压减小,又图(b)对应的电流恒为50.0μA,可知硅二极管的正向电阻变小,由“串反”规律可知,定值电阻R0两端电压增大,即电压表V1示数增大,应增大滑动变阻器接入电路的阻值以减小电路中的电流,从而使电压表V1示数保持不变,故应将R的滑片向B端移动. (2)由图(b)可知 = V/℃=2.8×10-3V/℃. 答案: (1)5.00 变小 增大 B (2)2.8 热点题型四 测定金属的电阻率 实验 电路图 实验原理 考查热点 测定金属的电阻率 ①测Rx∶Rx= (伏安法) ②算ρ: Rx=ρ ,ρ= ①考读数: U、I、L及d ②考电路: 电路设计或选择、实物连线或改错,器材选择 ③考运算: 由U-I图象求Rx,ρ (2019·高考天津卷)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”). [解析] (1)由螺旋测微器的读数规则可知,该金属丝的直径应为0mm+20.0×0.01mm=0.200mm; (2)对提供的实验器材分析可知,由于滑动变阻器的总电阻比待测电阻的阻值小得多,因此滑动变阻器应采用分压接法,由于没有提供电压表,因此可以用内阻已知的电流表充当电压表,即将A1作为电压表,由于A1的内阻已知,因此A2应采用外接法; (3)由电路图可知,Rx= ,由于A1的内阻已知,因此该实验不存在系统误差,测量值与真实值相等. [答案] (1)0.200(0.196~0.204均可) (2)如图 (3) 相等 测金属丝电阻率的三点说明 (1)在求Rx的平均值时可用两种方法: ①用Rx= 分别算出各次的数值,再取平均值. ②用U-I图线的斜率求出. (2)电流表外接法: 本实验中被测金属丝的阻值较小,故采用电流表外接法. (3)电流控制: 电流不宜过大,通电时间不宜过长,以免金属丝温度过高,导致电阻率在实验过程中变大. 4.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,除被测的金属丝外,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________(填器材符号). (2)根据所选的器材,在如图所示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). 解析: (1)电源电动势约为4.5V,被测金属丝电阻约为6Ω,干路中的最大电流约为0.75A,故电流表选A1,电压表选V1,滑动变阻器R1的最大允许电流0.2A太小,影响测量的范围,所以滑动变阻器选R2. (2)待测金属丝电阻较小,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) 热点题型五 测定电源的电动势和内阻 实验 电路图 实验原理 考查热点 测定电源的电动势和内阻 ①伏安法: E=U+Ir ②安阻法: E=I(R+r) ③伏阻法: E=U+ r ①考电路: 电路设计或选择、实物连线或改错,器材选择 ②考作图: 描点连线画图线 ③考运算: 由U-I或I-1-R或U-1-R-1图象,求E、r (2019·日照模拟)某同学设计了一个“测定电池电动势和内阻”的实验,可供选择的器材如下: A.待测干电池一节 B.电流表A(量程为0~60mA,内阻RA=18Ω) C.电压表V(量程为0~3V,内阻RV约为3kΩ) D.滑动变阻器R1(阻值为0~5Ω) E.滑动变阻器R2(阻值为0~30Ω) F.定值电阻R3(阻值为2Ω) G.定值电阻R4(阻值为10Ω) (1)为完成实验,滑动变阻器应该选________,定值电阻应该选________.(填器材后面的代号) (2)请完善图(a)中的电路图. (3)根据图(b)中已描出的点画出U-I图象,由图象得该电源的电动势E=________V,内阻r=________Ω.(结果保留三位有效数字) [解析] (1)因为电池的内阻较小,约为几欧,故为了能起到控制调节作用,滑动变阻器应采用总阻值为30Ω的R2;因为给出的电流表量程为0~60mA,量程偏小,为了能准确测量,可以采用串联定值电阻的方法来减小电流,需要的电阻R= =25Ω,两定值电阻均达不到要求,所以应考虑改装电流表,为了让量程变大,应将较小的电阻与电流表并联,电流表改装后的量程为I=Ig+ =60mA+ mA=600mA,符合实验要求. (2)根据 (1)中分析可知,电路图如图所示. (3)根据已描出的点画出的U-I图象如图所示.设电压表示数为U,电流表示数为I,则根据闭合电路的欧姆定律有U=E-10Ir,可知电路的U-I图线与纵轴的交点即为电源的电动势,故E=1.49V,图线的斜率k= Ω=10r,则r=1.05Ω. [答案] (1)R2 R3 (2)图见解析 (3)图见解析 1.49(1.47~1.49均可) 1.05(1.04~1.07均可) 用实验数据求E、r的处理方法 (1)列方程求解: 由U=E-Ir得 ,解得E、r. (2)用作图法处理数据,如图所示. ①图线与纵轴交点为E; ②图线与横轴交点为I短= ; ③图线的斜率表示r=| |. 5.某同学用伏安法测一节干电池的电动势和内阻,现备有下列器材: A.被测干电池一节 B.电流表1: 量程0~0.6A,内阻r=0.3Ω C.电流表2: 量程0~0.6A,内阻约为0.1Ω D.电压表1: 量程0~3V,内阻未知 E.电压表2: 量程0~15V,内阻未知 F.滑动变阻器1: 0~10Ω,2A G.滑动变阻器2: 0~100Ω,1A H.开关、导线若干 伏安法测电池电动势和内阻的实验中,由于电流表和电压表内阻的影响,测量结果存在系统误差,在现有器材的条件下,要尽可能准确地测量电池的电动势和内阻. (1)在上述器材中请选择适当的器材(填写器材前的字母): 电流表选择__________,电压表选择________,滑动变阻器选择________. (2)实验电路图应选择下图中的__________(填“甲”或“乙”). (3)根据实验中电流表和电压表的示数得到了如图丙所示的U-I图象,则在修正了实验系统误差后,干电池的电动势E=__________V,内电阻r=__________Ω. 解析: (1)因为一节干电池的电动势为1.5伏左右,故电压表选择D;通过电源的电流不超过0.6A,因B电流表的内阻已知,故电流表选择B,滑动变阻器选择F. (2)因电流表内阻已知,故实验电路图应选择图中的甲. (3)电池的电动势E=1.5V,内电阻r= -RA= Ω=0.7Ω. 答案: (1)B D F (2)甲 (3)1.5 0.7热点题型六 传感器的简单应用 实验 电路图 实验原理 考查热点 传感器的简单应用 传感器能够将感受到的物理量(力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量) ①考热敏: 热敏电阻特性(欧姆表法、伏安法) ②考光敏: 光敏电阻特性(欧姆表法、伏安法) 现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统,要求当热敏电阻的温度达到
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