高三物理复习专题十实验技能与创新第2课时力学实验与创新讲义.docx

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高三物理复习专题十实验技能与创新第2课时力学实验与创新讲义

第2课时　电学实验与创新

一、多用电表的使用

例1　（2013·新课标Ⅰ·23）某学生实验小组利用图1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：

图1

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.

图2　　　　　　　　　图3

（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12.0kΩ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.

图4

解析　（4）当滑动变阻器调到阻值为零时，多用电表的示数为电压表的内阻．

（5）设多用电表内电池的电动势为E，电阻“×1k”挡内部电路的总电阻为R，则由闭合电路欧姆定律及两组数据得：

E＝

R＋4.00V，E＝

[（15.0－12.0）kΩ＋R]＋3.60V

联立两式解得R＝15.0kΩ，E＝9.00V.

答案　

（1）短接　

（2）1　（3）15.0　3.60　（4）12.0

（5）9.00　15.0

以题说法　1.欧姆表的原理

（1）欧姆表内有电源，红表笔与内部电源负极相连，黑表笔与内部电源的正极相连，故其电流方向为“红表笔流进，黑表笔流出”．

（2）测电阻的原理是闭合电路欧姆定律．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．

2．欧姆表使用六注意

（1）选挡接着调零；

（2）换挡重新调零；（3）待测电阻与电路、电源要断开；（4）尽量使指针指在表盘中间位置附近；（5）读数之后要乘以倍率得阻值；（6）用完后，选择开关要置于“OFF”挡或交流电压的最高挡．

（1）用多用电表的欧姆挡测量阻值时，选择倍率为×100Ω挡，按正确的实验操作步骤测量，表盘指针位置如图5所示，该电阻的阻值约为________Ω；

图5

（2）下列关于用多用电表欧姆挡测电阻的说法中正确的是（　　）

A．测量电阻时，如果红、黑表笔分别插在负、正插孔，则不会影响测量结果

B．测量阻值不同的电阻时，都必须重新欧姆调零

C．测量电路中的电阻时，应该把该电阻与电源断开

D．欧姆表使用一段时间后，电池电动势变小，内阻变大，但仍能调零，其测量结果与原来相比不变

（3）用多用电表探测二极管的极性，用欧姆挡测量，黑表笔接a端，红表笔接b端时，指针偏转角较大，然后黑、红表笔反接指针偏转角较小，说明________（填“a”或“b”）端是二极管正极．

答案　

（1）1700　

（2）AC　（3）a

解析　

（1）欧姆表的测量值是指针读数与倍率的乘积，为17×100Ω＝1700Ω.

（2）欧姆表测电阻时，红、黑表笔插错不会影响测量结果，A正确；测不同的电阻时，只要没更换倍率，不需重新欧姆调零，B错误；测电路中的电阻时应将待测电阻与电源断开，C正确；表中的电池电动势变小、内阻变大后，会影响测量结果，D错误．

（3）二极管具有单向导电性，欧姆表的红表笔接的是表内电池的负极，接b端时，指针偏转角度大，二极管电阻小，说明b端是二极管的负极，a端是其正极．

二、以测电阻为核心的电学实验

例2　（2013·北京·21）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，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6中的________（选填“甲”或“乙”）．

图6

（2）图7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，补充完成图中实物间的连线．

图7

（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8所示，可得该电阻的测量值Rx＝

＝________Ω（保留两位有效数字）．

图8

（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Ux关系的示意图中正确的是________．

解析　

（1）为了减小误差，应使电表读数为量程的

～

，电源电动势为4V，故电压表选C.估算通过Rx的最大电流约为Im＝

A＝0.6A，所以电流表应选B.因为

＞

，所以电流表应外接，即应采用甲电路，测量误差较小．

（2）

（3）电流表、电压表的读数分别为I＝0.50A，U＝2.60V，所以Rx＝

Ω＝5.2Ω.

（4）甲电路中产生误差的主要原因是电压表的分流作用，选项B正确．乙电路中产生误差的主要原因是电流表的分压作用，故选项D正确．

（5）Rx两端的电压U＝

，其中R为滑动变阻器总阻值，L为滑动变阻器两端总长度，结合数学知识可知选项A正确．

答案　

（1）B　C　甲　

（2）见解析图　（3）5.2　（4）B　D

（5）A

以题说法　描绘小电珠的伏安特性曲线、测定金属的电阻率，其实验原理都涉及伏安法测电阻，这类实验要从以下两个方面攻克．

1．电路结构：

实验电路至少包括三个部分：

（1）测量电路；

（2）控制电路（滑动变阻器、开关）；（3）电源．

2．电路设计：

（1）电表选择注意三方面：

①安全性，要求量程不能太小，电表不反接；②准确性，要求量程不能太大，读数一般要超过量程的

；③若电表量程不合适，要利用有准确内阻的电表进行改装．

（2）测量电路设计：

若

>

，则应把电流表内接；若

<

，则应把电流表外接．

（3）控制电路：

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．另外滑动变阻器必须接为分压式的情况有三种：

①电压要求从零开始变化；②滑动变阻器太小，不能起到限流的作用；③限流式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，因为限流式损耗功率小．

　某实验小组进行“探究热敏电阻的温度特性”实验，实验室提供如下器材：

热敏电阻Rt（常温下约8kΩ）、温度计、电流表mA（量程1mA，内阻约200Ω）、电压表V（量程3V，内阻约10kΩ）、电池组E（4.5V，内阻约1Ω）、滑动变阻器R（最大阻值为20Ω）、开关S、导线若干、烧杯和水．

（1）根据提供器材的参数将图9甲所示的实物图中所缺的导线补接完整．

图9

（2）实验开始前滑动变阻器的滑动触头P应置于________（填“a”或“b”）端．

（3）利用补接完整的实验装置测量出不同温度下的电阻值，画出该热敏电阻的Rt－t图象如图10中的实测曲线，与图中理论曲线相比二者有一定的差异．除了偶然误差外，下列关于产生系统误差的原因或减小系统误差的方法叙述正确的是________．（填选项前的字母，不定项选择）

图10

A．电流表的分压造成电阻的测量值总比真实值大

B．电压表的分流造成电阻的测量值总比真实值小

C．温度升高到一定值后，电流表应改为外接法

（4）将本实验所用的热敏电阻接到一个电流较大的恒流电源中使用，当电流通过电阻产生的热量与电阻向周围环境散热达到平衡时，满足关系式I2R＝k（t－t0）（其中k是散热系数，t是电阻的温度，t0是周围环境温度，I为电流强度），电阻的温度稳定在某一值．若通过它的电流恒为50mA，t0＝20°C，k＝0.25W/°C，由实测曲线可知该电阻的温度稳定在________°C.

答案　

（1）连线如图所示

（2）a　（3）AC　（4）48（46～50均可）

解析　

（1）如果用限流法，待测电阻两端的电压将超出电压表的量程，故用分压法，因为待测电阻是大电阻，故用内接法．

（2）开始时待测电阻两端的电压应当最小，故滑动触头应置于a端．

（3）用电流表内接法测量的是待测电阻和电流表内阻的和，故测量值偏大，A正确；温度升高，热敏电阻的阻值变小，当与电流表电阻接近时，应改为电流表外接法，C正确．

（4）将I＝50mA、t0＝20°C、k＝0.25W/°C代入I2R＝k（t－t0）中可得R＝0.1（t－20）kΩ，在Rt－t图中作出该直线，找到该直线与实测Rt－t曲线的交点，交点所对应的横坐标约为48°C，所以该电阻的温度稳定在48°C.

三、以测电源的电动势为核心的电学实验

例3　（10分）在“测定电源的电动势和内阻”的实验中，提供了如图11甲、乙、丙所示的三组器材．

（1）请把能完成实验的器材都连成电路．

图11

（2）某同学根据他的实验数据作出了如图12所示的图象，由此可知该同学选用的是________（填“甲”“乙”或“丙”）组器材进行实验．根据图象可得出电源的电动势E＝______V，内阻r＝________Ω.（忽略电表内阻的影响，结果保留两位有效数字）

图12

解析　

（1）只要能取两组不同数值，列出闭合电路欧姆定律的表达式，未知量只有电动势和内阻就可以完成实验，甲图不满足要求，乙、丙两图满足要求．根据下面两幅电路图连接乙、丙的实物图．

（2）丙图中的外电阻可以通过电阻箱读出来，所以选的一定是丙图．根据闭合电路欧姆定律有E＝IR＋Ir，整理可得R＝

－r，可知图线与纵轴截距的绝对值是内阻，图线的斜率是电源的电动势．

答案　

（1）如图所示（4分，乙、丙各2分，画了甲图则此问扣1分）

（2）丙（2分）　1.4（1.3～1.5均可）（2分）　1.0（0.8～1.2均可）（2分）

以题说法　测量电源的电动势和内阻的基本原理是闭合电路欧姆定律，数据处理的主要思想方法是“化曲为直”，常用的方法有三种：

1．伏安法——利用电压表和电流表，闭合电路方程为E＝U＋Ir，利用两组数据，联立方程求解E和r；也可作出U－I图象，图线的纵截距表示电源的电动势，斜率的绝对值表示电源的内阻．

2．伏阻法——利用电压表和电阻箱．闭合电路方程为E＝U（1＋

）．利用两组数据联立方程求解或将原方程线性化，处理为

＝

·

＋

或U＝－r

＋E，作

－

图象或U－

图象，利用图线的截距和斜率求E和r.

3．安阻法——利用电流表和电阻箱．闭合电路方程为E＝I（R＋r），利用两组数据联立方程求解或将方程线性化，处理为

＝

·R＋

，作

－R图象，利用图线的截距和斜率求E和r.

　（2013·浙江·22）采用如图13所示的电路“测定电池的电动势和内阻”．

图13

（1）除了选用图14照片中的部分器材外，________（填选项）；

图14

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

在图15中用作图法求得电池的内阻r＝________；

图15

（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

解析　

（1）除照片中的器材外，还需要电压表，故应选A.

（2）作出U－I图象，如图所示，由图象斜率可求得电池的内阻r＝（0.75±0.10）Ω.

（3）由U＝I（R＋RA）和第5组数据，得：

电流表的内阻

RA＝

－R＝（

－0.4）Ω＝0.22Ω.

15．从原理迁移中突破电学实验题

审题示例

（9分）在“测定电池的电动势和内阻”的实验中，备有如下器材：

A．干电池

B．电流表（0～0.6A，内阻约0.1Ω）

C．灵敏电流计（满偏电流Ig＝200μA、内阻rg＝500Ω）

D．滑动变阻器（0～20Ω、2.0A）

E．电阻箱R

F．开关、导线若干

（1）由于没有电压表，要把灵敏电流计改装成量程为2V的电压表，需串联一个阻值为________Ω的电阻．

（2）改装后采用如图16甲所示电路进行测量，请在图乙上完成实物连线．

图16

（3）在闭合开关S前，将滑动变阻器的滑片移动至________（填“a端”、“中央”或“b端”）．

（4）图17为该实验绘出的I1－I2图线（I1为灵敏电流计的示数，I2为电流表的示数），由图线可求得被测电池的电动势E＝________V，内阻r＝________Ω.

图17

审题模板

答题模板

（1）由2V＝Ig（rg＋Rx）可得Rx＝9500Ω.

（2）实物连线图如答案图所示．

（3）在闭合开关S前，滑动变阻器应处于最大阻值处，滑片应移动至a端．

（4）图线与纵轴的截距约为146μA，对应着电源电动势E＝146×10－6×（9500＋500）V＝1.46V；电源内阻r＝

＝

Ω＝

Ω＝0.82Ω.

答案　

（1）9500（2分）

（2）电路如图所示（2分）

（3）a端（1分）

（4）1.46（1.45～1.47）（2分）　0.82（0.80～0.84）（2分）

　如图18甲所示为某一型号二极管，其两端分别记为A和B.图乙为它的伏安特性曲线，其外表所标示的极性已看不清，为确定该二极管的极性，用多用电表的电阻挡进行测量．

图18

（1）首先对多用电表进行机械调零，然后将红、黑表笔正确插入插孔后，选用×100挡进行测量，在测量前要进行的操作步骤为____________________________________．

（2）将多用电表的红表笔与二极管的A端、黑表笔与二极管的B端相连时，表的指针偏转角度很大；调换表笔的连接后，表的指针偏转角度很小，由上述测量可知该二极管的正极为________（填“A”或“B”）端．

（3）当给该二极管加上反向30V电压时，用伏安法测量其电阻值，提供的器材有：

①直流40V电源；

②电流表A1，量程0.6A，内阻约10Ω；

③电流表A2，量程50μA，内阻约100Ω；

④电压表V，量程为50V，内阻约100kΩ；

⑤滑动变阻器，总电阻100Ω；

⑥开关、导线若干．

在提供的两块电流表中应选用________（填“②”或“③”），在图19虚线框内画出实验电路图（二极管的符号已画在图中）．

图19

答案　

（1）将红、黑表笔短接，调节调零旋钮，使指针指到电阻的零刻度处

（2）B

（3）③　电路图如图所示

解析　

（1）欧姆调零的具体步骤为：

将红、黑表笔短接，调节调零旋钮，使指针指到电阻的零刻度处．

（2）二极管正向电阻很小，反向电阻极大，多用电表的电流方向是“红进黑出”，可知该二极管的正极为B端．

（3）根据题图乙，当反向电压为30V时，反向电流不超过50μA，故电流表选③；二极管反向电阻极大，电流表应该采用内接法，为了多测几组数据，滑动变阻器采用分压式接法．

（限时：

45分钟）

1．（2013·安徽·21）Ⅱ.

（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1所示，校零时的读数为________mm，合金丝的直径为________mm.

图1

（2）为了精确测量合金丝的电阻Rx，设计出如图2所示的实验电路图，按照该电路图完成图3中的实物电路连接．

图2　　　　　　　　　　　图3

Ⅲ.根据闭合电路欧姆定律，用图4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5所示．已知R0＝150Ω，请完成以下数据分析和处理．

图4

图5

（1）图5中电阻为________Ω的数据点应剔除；

（2）在坐标系中画出

—R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　Ⅱ.

（1）0.007　0.638（0.636～0.640都算正确）　

（2）见解析图

Ⅲ.

（1）80.0　

（2）见解析图　（3）4.44×10－3　1.50

解析　Ⅱ.

（1）校零时的读数为0.007mm

合金丝的直径d＝（0.645－0.007）mm＝0.638mm（0.636～0.640都算正确）

（2）按照电路图进行实物连线如图所示

Ⅲ.

（1）由闭合电路欧姆定律可知：

Ex＝

（R＋rx）＋U12

即

＝

R＋

由此可知

—R关系图线是一条直线．电阻R＝80.0Ω的点不落在直线上，应剔除．

（2）画出

—R关系图线如图所示

（3）斜率k＝

V－1·Ω－1＝4.44×10－3V－1·Ω－1

结合

＝

R＋

（1＋

）可知：

＝4.44×10－3

所以Ex＝1.50V

2．（2013·福建·19

（2））硅光电池在无光照时不产生电能，可视为一电子元件．某实验小组设计如图6甲所示电路，给硅光电池加反向电压（硅光电池负极接高电势点，正极接低电势点），探究其在无光照时的反向伏安特性．图中电压表V1量程选用3V，内阻为6.0kΩ；电压表V2量程选用15V，内阻约为30kΩ；R0为保护电阻；直流电源电动势E约为12V，内阻不计．

①根据图甲，用笔画线代替导线，将图乙连接成完整电路．

图6

②用遮光罩罩住硅光电池，闭合开关S，调节变阻器R，读出电压表V1、V2的示数U1、U2.

（ⅰ）某次测量时，电压表V1示数如图丙，则U1＝______V，可算出通过硅光电池的反向电流大小为________mA（保留两位小数）．

（ⅱ）该小组测出大量数据，筛选出下表所示的9组U1、U2数据，算出相应的硅光电池两

端反向电压Ux和通过的反向电流Ix（表中“－”表示反向），并在坐标纸上建立Ix－Ux坐

标系，标出了与表中前5组Ux、Ix数据对应的5个坐标点，如图7所示．请你标出余下

的4个坐标点，并绘出Ix－Ux图线.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

U1/V

0.00

0.00

0.06

0.12

0.24

0.42

0.72

1.14

1.74

U2/V

0.0

1.0

2.1

3.1

4.2

5.4

6.7

8.1

9.7

Ux/V

0.0

－1.0

－2.0

－3.0

－4.0

－5.0

－6.0

－7.0

－8.0

Ix/mA

0.00

0.00

－0.01

－0.02

－0.04

－0.07

－0.12

－0.19

－0.29

图7

（ⅲ）由Ix－Ux图线可知，硅光电池无光照下加反向电压时，Ix与Ux成______（填“线性”或“非线性”）关系．

答案　①连线如图所示

②（ⅰ）1.40　0.23

（ⅱ）描点绘出Ix－Ux图线如图所示

（ⅲ）非线性

3．（2013·广东·34

（2））图8（a）是测量电阻Rx的原理图．学生电源输出电压可调，电流表量程选0.6A（内阻不计），标有长度刻度的均匀电阻丝ab的总长为30.0cm.

图8

①根据原理图连接图（b）的实物图．

②断开S2，合上S1；调节电源输出电压为3.0V时，单位长度电阻丝的电压u＝________V/cm，记录此时电流表A1的示数．

③保持S1闭合，合上S2；滑动c点改变ac的长度L，同时调节电源输出电压，使电流表A1的示数与步骤②记录的值相同，记录长度L和A2的示数I.测量6组L和I值，测量数据已在图（c）中标出，写出Rx与L、I、u的关系式Rx＝________；根据图（c）用作图法算出Rx＝________Ω.

答案　①见解析图　②0.1　③

　6.0

解析　①实物图如图所示

②由于电阻丝均匀，故单位长度电阻丝的电压u＝

＝0.1V/cm.

③设电阻丝每cm长的电阻为R，当合上S1、断开S2时，设此时流过电阻丝的电流为I′，有：

I′·30.0R＝30.0u，当合上S1、S2时，I′·LR＝IRx

由上述两公式得：

Rx＝

.L－I图象如图所示，由图象知：

L－I的斜率k＝60cm/A，Rx＝ku＝6.0Ω.

4．根据实际情况经常要进行电表的改装，下面是在一次电表的改装实验中遇到的问题：

一直流电压表，量程为1V，内阻为1000Ω.现将一阻值在5000Ω～7000Ω之间的固定电阻R1与此电压表串联，以扩大电压表的量程．为求得扩大后量程的准确值，再给一直流电源（电动势E为6V～7V，内阻可忽略不计），一阻值R2＝2000Ω的定值电阻，两个单刀开关S1、S2及若干导线．

（1）为达到上述目的，将图9中的图连成一个完整的实验电路图；

图9

（2）连线完成后，当S1与S2均闭合时，电压表的示数为0.90V；当S1闭合，S2断开时，电压表的示数为0.70V．由此可以计算出改装后电压表的量程为________V，电源电动势为________V.

答案　

（1）如图所示

（2）7　6.3

解析　

（1）因为没有其他的测量工具，考虑将改装后的电压表和电源串联．根据闭合电路欧姆定律列式，有电源电动势和R1两个未知数，因此可通过改变串联电阻来改变电路中的电流．

（2）两次测量分别根据闭合电路欧姆定律列式得，S2闭合时：

E＝

R1＋U1，S2断开时：

E＝

（R1＋R2）＋U2，联立解得电源电动势为6.3V，R1的阻值为6000Ω，故改装后电压表的量程为

（RV＋R1）＝7V.

5.（2013·海淀期末）为了较准确地测量一只微安表的内阻，采用图10甲所示实验电路图进行测量，实验室可供选择的器材如下：

A．待测微安表（量程500μA，内阻约300Ω）

B．电阻箱R（最大阻值999.9Ω）

C．滑动变阻器R1（最大阻值为10Ω）

D．滑动变阻器R2（最大阻值为1kΩ）

E．电源（电动势为2V，内阻不计