专题电学实验精讲教师用 已修改 自作.docx
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专题电学实验精讲教师用已修改自作
电学实验精讲
电学设计性实验题能有效地考查学生的实验技能和创造性思维能力，在高考中的考查频率很高．不少学生面对这类题感到无从下手．实际上，只要做到“三个明确”“三个选择”，问题便可迎刃而解．
一、电学实验的基本要求
1．明确题目的要求
解答一道电学实验设计题，首先要认真审清题意，看清题目的要求．即要看清题目要求测定什么物理量，验证、探究什么物理规律，或者要求设计达到何种标准的电路等．对实验的目的要求明确了，才能保证解题思路正确、明朗，方法对头．
2．明确实验设计的原理
测量电路、控制电路、实验仪器的选择，实验方法、步骤的确定，数据处理、误差分析等问题，都是从实验原理派生出来的，只有明确实验原理，其他问题才可得以解决．如果设计测定型实验，应弄清待测物理量可通过哪些规律、公式求得，与哪些物理量有直接联系，可用哪些物理量定量地表示，用何种方法测定相关量，进而得出待求量．如果设计验证型实验，应弄清在相应的物理现象中，何种定量关系成立，才能使待验证的结论成立．对于设计符合一定标准的电路问题，则应根据实验的要求和相关物理规律，器材的规格、性能等，合理选择、连接电路．
3．明确设计电路的原则
设计电路一般应遵循“安全性”原则、“精确性、方便性”原则，兼顾“运用仪器少，耗电少”等三条原则．
1．安全性原则
选用仪器组成电路，首先要保证实验正常进行．例如通过电流表的电流和加在电压表上的电压均不得超过其量程，滑动变阻器、被测电阻不得超过其额定电流（额定功率）等．
2．精确性、方便性原则
“精确”是指选用仪器组成实验电路时要尽可能减小测量误差，提高精确度．例如所用电流表、电压表的指针应有较大的偏转，一般应使指针偏转在满刻度的1/3以上，以减小因读数引起的偶然误差．
“方便”是指实验中便于调节控制，便于读数．例如应根据电路可能出现的电流、电压范围选择滑动变阻器．对大阻值的滑动变阻器，如果滑片稍有移动就使电路中的电流、电压有很大变化，则不宜采用．对于滑动变阻器，还要权衡用分压式电路还是限流式电路．
3．运用仪器少，耗电少原则
在达到实验目的，各项指标均符合要求的前提下，还应注意运用的仪器尽量少和节约电能．例如控制电路有限流式与分压式两种调节电路，若这两种调节电路均能满足要求，从消耗功率小，节约电能的角度，则应选用限流式电路．
4．测量电路的选择
对伏安法测电阻，应根据待测电阻的大小选择电流表不同的接法．
（1）阻值判断法：
当RV≫Rx时，采用电流表“外接法”；
当Rx≫RA时，采用电流表“内接法”．
（2）倍率比较法：
①当
＝
，即Rx＝
时，既可选择电流表“内接法”，也可选择“外接法”；
②当
＞
即Rx＜
时，采用电流表外接法；
③当
＜
即Rx＞
时，采用电流表内接法．
（3）试触法：
与
比较大小；①若
＞
，则选择电压表分流的外接法；②若
＞
，则选择电流表的内接法．
5．控制电路的选择
滑动变阻器选用限流接法和分压接法的依据：
（1）负载电阻电压要求变化范围较大，且从零开始连续可调，应选分压电路．
（2）若负载电阻的阻值Rx远大于滑动变阻器总阻值R，应选分压电路．
（3）若负载电阻的阻值Rx小于滑动变阻器总阻值R或相差不多，且没有要求电压从零可调，应选限流电路．
（4）两种电路均可时限流电路优先，因为限流电路消耗的总功率小．
6．实验器材的选择
1．安全因素：
通过电源、电表、电阻的电流不能超过允许的最大电流．
2．误差因素：
选择电表时，保证电流和电压均不超过其量程．使指针有较大偏转（一般取满偏度的
～
）；使用欧姆表选挡时让指针尽可能在中值刻度附近．
3．便于操作：
选滑动变阻器时，在满足其他要求的前提下，可选阻值较小的．
4．实验的实际要求．
二、读数
1．游标卡尺
游标卡尺的精度
刻度格数（分度）
刻度总长度
每小格与1mm的差值
精确度（可准确到）
10
9mm
0.1mm
0.1mm
20
19mm
0.05mm
0.05mm
50
49mm
0.02mm
0.02mm
读数：
若用x表示由主尺上读出的整毫米数，K表示从游标尺上读出与主尺上某一刻线对齐的游标的格数，则记录结果表达为（x＋K×精确度）mm.
估读：
不用估读
2．螺旋测微器
精度：
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：
测量时被测物体长度的整毫米数由固定刻度读出，小数部分由可动刻度读出．
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）．
估读：
估读（可动刻度数）
3．常用电表的读数
首先要弄清电表量程，即指针指到最大刻度时电表允许通过的最大电压或电流值，然后根据表盘总的刻度数确定精确度，按照指针的实际位置进行读数即可．
1．0～3V的电压表和0～3A的电流表读数方法相同，此量程下的精确度是0.1V或0.1A，看清楚指针的实际位置，读到小数点后面两位．
2．对于0～15V量程的电压表，精确度是0.5V，在读数时只要求读到小数点后面一位，即读到0.1V.
3．对于0.6A量程的电流表，精确度是0.02A，在读数时只要求读到小数点后面两位，这时要求“半格估读”，即读到最小刻度的一半0.01A.
【典例1】
（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图丙使用0.6A量程时，对应刻度盘上每一小格代表________A，图中表针示数是________A；当使用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图丁使用较小量程时，每小格表示________V，图中表针的示数为________V．若使用的是较大量程，则这时表盘刻度每小格表示________V，图中表针示数为________V.
（4）旋钮式电阻箱如图戊所示，电流从接线柱A流入，从B流出，则接入电路的电阻为________Ω.今欲将接入电路的电阻改为2087Ω，最简单的操作方法是________．若用两个这样的电阻箱，即可得到的电阻值范围为________．
[答案]
（1）17.7 23.85 3.18
（2）2.150（3）①0.02 0.44 0.1 2.20 ②0.1 1.70 0.5 8.5
（4）1987 将“×1k”旋钮调到2，再将“×100”旋钮调到00～19998Ω
【典例2】
（1）电流表量程一般有两种——0～0.6A,0～3A；电压表量程一般有两种——0～3V,0～15V．如图12所示：
图12
①接0～3V量程时读数为________V.
②接0～15V量程时读数为________V.
③接0～3A量程时读数为________A.
④接0～0.6A量程时读数为________A.
（2）
a．________mm b．________mm c．________mm
d．________mm e．________mm.
答案
（1）①1.88 ②9.4 ③0.82 ④0.16
（2）a.0.484 b．0.532 c．4.078 d．5.666 e．11.14
三、伏安法测电阻
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
电阻测量值
R测＝
＝Rx＋RA＞Rx测量值大于真实值
R测＝
＝
＜Rx测量值小于真实值
适用条件
RA≪Rx
RV≫Rx
口诀
大内偏大（大电阻用内接法测量，测量值偏大）
小外偏小（小电阻用外接法测量，测量值偏小）
【典例2】（2013·北京卷，21）某同学通过实验测定一个阻值约为5Ω的电阻Rx的阻值．
（1）现有电源（4V，内阻可不计）、滑动变阻器（0～50Ω，额定电流2A）、开关和导线若干，以及下列电表：
A．电流表（0～3A，内阻约0.025Ω）
B．电流表（0～0.6A，内阻约0.125Ω）
C．电压表（0～3V，内阻约3kΩ）
D．电压表（0～15V，内阻约15kΩ）
为减小测量误差（尽量小量程），在实验中，电流表应选用________，电压表应选用________（选填器材前的字母）；实验电路应采用图13中的________（选填“甲”或“乙”）．
图13
图14
（2）图14是测量Rx的实验器材实物图，图中已连接了部分导线．请根据在
（1）问中所选的电路图，补充完成图14中实物间的连线．
（3）接通开关，改变滑动变阻器滑片P的位置，并记录对应的电流表示数I、电压表示数U.某次电表示数如图15所示，可得该电阻的测量值Rx＝
＝________Ω（保留两位有效数字）．
图15
（4）若在
（1）问中选用甲电路，产生误差的主要原因是
________；若在
（1）问中选用乙电路，产生误差的主要原因是________．（选填选项前的字母）
A．电流表测量值小于流经Rx的电流值
B．电流表测量值大于流经Rx的电流值
C．电压表测量值小于Rx两端的电压值
D．电压表测量值大于Rx两端的电压值
（5）在不损坏电表的前提下，将滑动变阻器滑片P从一端滑向另一端，随滑片P移动距离x的增加，被测电阻Rx两端的电压U也随之增加，下列反映U－x关系的示意图中正确的是________．
图16
答案
（1）B C 甲
（2）如解析图所示 （3）5.2 （4）BD （5）AU＝
【跟踪短训】有一待测的电阻器Rx，其阻值在40～50Ω之间，实验室准备用来测量该电阻器阻值的实验器材有：
电压表V（量程0～10V，内阻约20kΩ）；
电流表A1（量程0～300mA，内阻约20Ω）；
电流表A2（量程0～800mA，内阻约4Ω）；
滑动变阻器R1（最大阻值为10Ω，额定电流为2A）；
滑动变阻器R2（最大阻值为250Ω，额定电流为0.1A）；
直流电源E（电动势为9V，内阻约为0.5Ω）；
开关及若干导线．
实验要求电表读数从零开始变化，并能多测出几组电流、电压值，以便画出U－I图线．
（1）电流表应选用________（填写器材代号）．
（2）滑动变阻器应选用________（填写器材代号）．
（3）请在如图17甲所示的方框内画出实验电路图，并将图乙中的器材连接成符合要求的电路．
图17
甲
乙
（1）A1
（2）R1 （3）实验电路图如解析图甲所示；实物连接图如解析图乙所示
【创新实验】[2013·重庆卷，6
（2）]某同学对有故障的电热毯进行探究．图18是电热毯的电路示意图，其中电热线和导线通过金属接线片连接．图19为测试电路实物图，A、B为测试表笔，电压表内阻很大，可视为理想电表．
①请在下面虚线框内画出与图19对应的电路图．
②断开K1，用上述测试电路在1和1′之间检测得知电热线无故障，然后测得电热线的UI曲线如图20所示，已知电热线材料的电阻率为2.8×10－7Ω·m，电热线的直径为0.200mm.可求得此电热线的电阻为____kΩ，总长度为________m．（结果均保留两位有效数字）
图20
③为了进一步检查故障，该同学闭合开关K1和K2，用表笔A和B分别对图18中所示的各点进行测试，部分测试结果如下表所示．由此测试结果可判断出电路有断路，位置在________之间（在“1和2”、“1′和2′”、“2和3”、“2′和3′”中选填一项）.
测试点
3和3′
1和1′
1和3
1和2′
2′和3′
电表指针
有无偏转
电压表
有
有
无
有
无
电流表
无
有
有
无
有
答案 ①电路图见图 ②0.58（0.57到0.59之间均可） 65（64到66均可） ③1′和2′
实验题一练习题
1．（2013·安徽卷，21Ⅱ）
（1）在测定一根粗细均匀合金丝电阻率的实验中，利用螺旋测微器测定合金丝直径的过程如图22所示，校零时的读数为________mm，合金丝的直径为________mm.
图22
（2）为了精确测量合金丝的电阻Rx，设计出如图23甲所示的实验电路图，按照该电路图完成图乙中的实物电路连接．
图23
答案
（1）0.007 0.638（在0.636mm～0.640mm都算正确）
（2）见解析图
2．某学习小组用伏安法测量一未知电阻Rx的阻值，给定器材及规格为：
电流表A（量程为0～5mA，内阻约为10Ω）；
电压表V（量程为0～3V，内阻约为3kΩ）；
最大阻值约为100Ω的滑动变阻器；
电源E（电动势约为3V）；开关S、导线若干．
（1）由于不知道未知电阻的阻值范围，先采用如图24甲所示的电路试测，读得电压表示数大约为2.5V，电流表示数大约为5mA，则未知电阻Rx的阻值大约为________Ω.
（2）经分析，该电路测量误差较大，需改进．请直接在图甲上改画：
①在不需要的连线上画“×”表示，②补画上需要添加的连线．
（3）对改进的电路进行测量，并根据测量数据画出了如图乙所示的U－I图象，得Rx＝________Ω.（结果保留三位有效数字）
图24
答案
（1）500
（2）如下图所示 （3）500
3．科学实验是人们认识自然的重要手段．电学实验中经常需要测量某负载的电阻．
（1）测电阻的方法有多种，现在有一只标有“220V,100W”的灯泡，它正常工作时的电阻为________Ω.若用多用电表的欧姆挡来测量这只灯泡的电阻，则测出的电阻应________灯泡正常工作时的电阻（填“大于”、“等于”或“小于”）．这是因为____________________________．
（2）请你用下列器材设计一个实验，测定灯泡正常工作时的电阻．
A．220V交流电源
B．单刀双掷开关一个
C．电阻箱一个（0～999Ω，额定电流1A）
D．交流电流表一个（0～0.6A）
E．导线若干
请画出电路原理图．
答案
（1）484 小于 灯泡电阻随温度变化而变化，温度越高电阻越大
（2）电路原理图见解析
4．为了测量一只量程为0～3V、内阻值为数千欧的电压表的内阻，可采用一只电流表与它串联后接入电路．
（1）本实验测量电压表内阻依据的公式是________．
（2）若提供的实验器材有：
A．待测电压表；
B．电流表A1（0～0.6A，内阻约0.2Ω）；
C．电流表A2（0～100mA，内阻约2Ω）；
D．电流表A3（0～10mA，内阻约50Ω）；
E．滑动变阻器（0～50Ω，额定电流0.5A）；
F．直流电源（输出电压6V）；
G．开关、导线．
为减小读数误差，多次测量取平均值．为顺利完成实验，应选用的实验器材为________（填英文序号）．
（3）画出实验电路图
答案
（1）RV＝
（2）A、D、E、F、G （3）如图所示
5．实际电流表有内阻，可等效为理想电流表与电阻的串联．测量实际电流表G1内阻r1的电路如图25所示．供选择的仪器如下：
图25
①待测电流表G1（0～5mA，内阻约300Ω）；
②电流表G2（0～10mA，内阻约100Ω）；
③定值电阻R1（300Ω）；
④定值电阻R2（10Ω）；
⑤滑动变阻器R3（0～1000Ω）；
⑥滑动变阻器R4（0～20Ω）；
⑦干电池（1.5V）；
⑧电键S及导线若干．
（1）定值电阻应选________，滑动变阻器应选________．（填写序号）
（2）将实物图连接完整．
图26
（3）补全实验步骤：
①连接好实验电路，将滑动触头移至最________端（填“左”或“右”）；
②闭合电键S，移动滑动触头至某一位置，记录G1、G2的读数I1、I2；
③多次移动滑动触头，记录相应的G1、G2读数I1、I2；
④以I2为纵坐标，I1为横坐标，作出相应图线，如图26所示．
（4）根据I2－I1图线的斜率k及定值电阻，写出待测电流表内阻的表达式：
_________.
答案
（1）③ ⑥
（2）如下图所示 （3）左（4）r1＝（k－1）R1
6．常用的电流表有内阻，现要测量电流表G1的内阻r1，电路如图甲所示．供选择的仪器如下：
A．待测电流表G1（0～5mA，内阻约300Ω）
B．电流表G2（0～10mA，内阻约100Ω）
C．定值电阻R1（30Ω）
D．定值电阻R2（300Ω）
E．定值电阻R3（3kΩ）
F．滑动变阻器R4（0～20Ω）
G．电源（电动势6.0V，内阻不计）
H．开关S及导线若干
（1）电路中与电流表G1并联的电阻应选________，保护电阻应选用________（请填写器材前的字母序号）．
（2）根据电路图在图乙中连接实物图，要求闭合开关前滑动变阻器的滑动触头P处于正确位置．
（3）补全实验步骤：
①按电路图连接电路；
②闭合开关S，移动滑动触头P至某一位置，记录G1、G2的读数I1、I2；
③________________________________________________________________________；
④以I1为纵轴，I2为横轴，作出相应图象如图丙所示．
丙
（4）根据I1－I2图线的斜率k及定值电阻，写出电流表G1内阻的表达式r1＝________.
[答案]
（1）D C
（2）见解析图（3）多次移动滑动触头，记录相应的G1、G2读数I1、I2（4）
R2
四、伏安法测电源电动势和内阻
1．实验电路：
如图甲所示．
甲
乙
2．实验原理：
闭合电路的欧姆定律．U＝E－Ir
3．数据处理：
以路端电压U为纵轴、干路电流I为横轴建立U－I坐标系，在坐标平面内描出各组（U，I）值所对应的点，然后尽量多地通过这些点作一条直线，不在直线上的点大致均匀分布在直线两侧，如图乙所示，则
（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＝
.
4．误差分析
若采用下图所示电路，图线与横轴的交点为真实的短路电流，而图线与纵轴的交点为电动势的测量值，比真实值偏小．修正后的图线如右图所示，显然，E、r的测量值都比真实值偏小，r测若采用下图所示电路，图线与纵轴的交点为真实的电动势，而图线与横轴的交点为短路的测量值，比真实值偏小，修正后的图线如右图所示，显然，E测＝E真、r测>r真．
【典例1】（2013·浙江卷，22）采用如图3所示的电路“测定电池的电动势和内阻”．
（1）除了选用照片中的部分器材外，________（填选项）；
图4
A．还需要电压表 B．还需要电流表C．还需要学生电源 D．不再需要其他器材
（2）测量所得数据如下：
测量次数
物理量
1
2
3
4
5
6
R/Ω
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
I/A
0.60
0.70
0.80
0.89
1.00
1.20
U/V
0.90
0.78
0.74
0.67
0.62
0.43
用作图法求得电池的内阻r＝________；
（3）根据第5次所测得的实验数据，求得电流表内阻RA＝________.
答案
（1）A
（2）（0.75±0.10）Ω （3）0.22Ω
【跟踪短训】
1．（2012·重庆卷，22
（2））某中学生课外科技活动小组利用铜片、锌片和家乡盛产的柑橘制作了果汁电池，他们测量这种电池的电动势E和内阻r，并探究电极间距对E和r的影响．实验器材如图5所示．
图5
①测量E和r的实验方案为：
调节滑动变阻器，改变电源两端的电压U和流过电源的电流I，依据公式________，利用测量数据作出U－I图象，得出E和r.
②将电压表视为理想表，要求避免电流表分压作用对测量结果的影响，请在图5中用笔画线代替导线连接电路．
③实验中依次减小铜片与锌片的间距，分别得到相应果汁电池的U－I图象如图6中（a）、（b）、（c）、（d）所示，由此可知：
在该实验中，随电极间距的减小，电源电动势________（填“增大”、“减小”或“不变”），电源内阻________（填“增大”、“减小”或“不变”）．
曲线（c）对应的电源电动势E＝________V，内阻r＝________Ω.当外电路总电阻为2500Ω时，该电源的输出功率P＝________mW.（均保留三位有效数字）
图6
答案 ①U＝E－Ir ②如图所示 ③不变 增大0．975 478 0.268
测量电动势和内阻的其他方法
1．安阻法：
用一个电流表和电阻箱测量，电路如图7甲所示，测量原理为：
E＝I1（R1＋r），E＝I2（R2＋r），由此可求出E和r，此种方法使测得的电动势无偏差，但内阻偏大．
图7
2．伏阻法：
用一个电压表和电阻箱测量，电路如图7乙所示，测量原理为：
E＝U1＋
r，E＝U2＋
r，由此可求出r和E，此种方法测得的电动势和内阻均偏小．
3．粗测法：
用一只电压表粗测电动势，直接将电压表接在电源两端，所测值近似认为是电源电动势，此时U＝
≈E，需满足RV≫r.
图8
4．双伏法：
用两个电压表可测得电源的电动势，电路如图8所示．测量方法为：
断开S，测得V1、V2的示数分别为U1、U2，此时，E＝U1＋U2＋
r，RV为V1的内阻；再闭合S，V1的示数为U1′，此时E＝U1′＋
r，解方程组可求得E和r.
【典例2】（2013·安徽卷，21Ⅲ）根据闭合电路欧姆定律，用图9所示电路可以测定电池的电动势和内电阻．图中R0是定值电阻，通过改变R的阻值，测出R0两端的对应电压U12，对所得的实验数据进行处理，就可以实现测量目的．根据实验数据在
－R坐标系中描出坐标点，如图10所示．已知R0＝150Ω，请完成以下数据分析和处理．
（1）图10中电阻为________Ω的数据点应剔除；
（2）在坐标纸上画出
－R的关系图线；
（3）图线的斜率是________（V－1·Ω－1），由此可得电池电动势Ex＝________V.
答案
（1）80.0
（2）见解析图所示 （3）4.44×10－31．50
【跟踪短训】
2．某同学把较粗的铜丝和铁丝相隔较近插入苹果中，制成一个苹果电池，用如下器材研究苹果电池的电动势与内阻：
开关、电阻箱（最大阻值为999Ω）、毫安表（量程Ig＝1mA，内阻忽略不计）、导线若干．
（1）在图11中用实线连接成实验电路．
图11
图12
（2）闭合开关，改变电阻箱的阻值R，记录多组I、R的数据，作出R－
图象如图12直
升级会员 