专题七实验技能与创新第2讲 电学实验与创新1.docx

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专题七实验技能与创新第2讲电学实验与创新1

电学实验

高考题型1　电表改装与读数、多用电表原理与使用

解题方略

1．电流表、电压表、欧姆表的对比

仪器

极性

量程选择

读数

电流表

有正、负极的电表，电流由电表的正极流入，负极流出

使指针指在比满偏刻度

多的位置

若最小分度为1、0.1、0.01等，需要估读到最小分度的下一位；如果最小分度不是1、0.1、0.01等，只需要读到最小分度位即可

电压表

欧姆表

使指针尽量指在表盘的中间位置左右

取两位有效数字并乘以相应挡位的倍率

2.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．

3．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．

例1

　（2015·新课标全国Ⅰ·23）图1（a）为某同学改装和校准毫安表的电路图，其中虚线框内是毫安表的改装电路．

图1

（1）已知毫安表表头的内阻为100Ω，满偏电流为1mA；R1和R2为阻值固定的电阻．若使用a和b两个接线柱，电表量程为3mA；若使用a和c两个接线柱，电表量程为10mA.由题给条件和数据，可以求出R1＝________Ω，R2＝________Ω.

（2）现用一量程为3mA、内阻为150Ω的标准电流表

对改装电表的3mA挡进行校准，校准时需选取的刻度为0.5mA、1.0mA、1.5mA、2.0mA、2.5mA、3.0mA.电池的电动势为1.5V，内阻忽略不计；定值电阻R0有两种规格，阻值分别为300Ω和1000Ω；滑动变阻器R有两种规格，最大阻值分别为750Ω和3000Ω.则R0应选用阻值为______Ω的电阻，R应选用最大阻值为______Ω的滑动变阻器．

（3）若电阻R1和R2中有一个因损坏而阻值变为无穷大，利用图（b）的电路可以判断出损坏的电阻．图（b）中的R′为保护电阻，虚线框内未画出的电路即为图（a）虚线框内的电路．则图中的d点应和接线柱________（选填“b”或“c”）相连．判断依据是：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________.

预测1指针式多用电表是实验室中常用的测量仪器．请完成下列问题：

图2

（1）用多用电表测电流时，指针如图2甲所示，接着的操作是________________．将选择开关拨至“50mA”挡，将多用电表串联入待测电路中，指针如图乙所示，电路中电流为________mA.

（2）用多用电表测电阻时，将选择开关拨至“×1Ω”挡，进行欧姆调零．将两表笔接待测电阻两端，指针如图甲所示，接着的操作是________________________________．欧姆调零后将两表笔接待测电阻两端，指针如图乙所示，待测电阻为________Ω.

（3）多用电表测电阻Rx的电路如图3甲所示，电源电动势为E＝1.5V，多用电表的内阻为R内．某电阻挡的电流I与待测电阻Rx的关系如图乙所示，图中Ig为满偏电流．使用该电阻挡时，多用电表的内阻R内＝________Ω，该图象的函数关系式为I＝________________A.

图3

高考题型2　电阻的测量

解题方略

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滑动变阻器最大阻值太小，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．

例2

　（2015·新课标全国Ⅱ·23）电压表满偏时通过该表的电流是半偏时通过该表电流的两倍．某同学利用这一事实测量电压表的内阻（半偏法），实验室提供的器材如下：

待测电压表

（量程3V，内阻约为3000Ω），电阻箱R0（最大阻值为99999.9Ω），滑动变阻器R1（最大阻值100Ω，额定电流2A），电源E（电动势6V，内阻不计），开关2个，导线若干．

（1）图4虚线框内为该同学设计的测量电压表内阻的电路图的一部分，将电路图补充完整．

图4

（2）根据设计的电路，写出实验步骤：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________.

（3）将这种方法测出的电压表内阻记为RV′，与电压表内阻的真实值RV相比，RV′________RV（填“＞”、“＝”或“＜”），主要理由是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________.

预测2　在测量电阻的实验中，电流表和电压表必须匹配，如果不匹配可以进行一些改装或转换．某兴趣小组要精确测定额定电压为3V的节能灯正常工作时的电阻．已知该灯正常工作时电阻约为500Ω.实验室提供的器材有：

A．电流表A（量程：

0～3mA，内阻RA＝15Ω）

B．定值电阻R1＝1985Ω

C．滑动变阻器R（0～10Ω）

D．电压表V（量程：

0～12V，内阻RV＝1kΩ）

E．蓄电池E（电动势为12V，内阻r很小）

F．开关S一只

G．导线若干

（1）要精确测定节能灯正常工作时的电阻应采用下面电路图中的________．

（2）若电压表V的示数用U表示，电流表A的示数用I表示，写出测量节能灯正常工作时的电阻表达式Rx＝________________（用U、I、R1、RA、RV表示）．当表达式中的电流I＝________mA时，记下电压表的读数U并代入表达式，其结果即为节能灯正常工作时的电阻．

高考题型3　描绘小电珠（或者其他元件）的伏安特性曲线

解题方略

1．在描绘小电珠的伏安特性曲线时，要注意一定要用平滑的曲线，当某个（或某些）测量数据出现明显错误时，要舍掉．坐标轴选取的标度要合适，使所作图线占满坐标纸．

2．小电珠的伏安特性曲线（以I－U关系图线为例）上各点切线斜率的倒数不表示小电珠在该电压下的电阻，此时计算小电珠的电阻一定要使用电阻的定义式R＝

，而不能使用表达式R＝

（只有当I和U为线性关系时二者才相等）．

例3

　（2015·临沂二模）某同学从家里的废旧收音机上拆下一电学元件，其上标注“2.5V,1.5W”的字样，为描绘出该元件的伏安特性曲线，该同学在实验室找到了下列实验器材：

A．电流表（量程是3A，内阻是0.1Ω）

B．电流表（量程是0.6A，内阻是0.5Ω）

C．电压表（量程是15V，内阻是25kΩ）

D．电压表（量程是3V，内阻是5kΩ）

E．滑动变阻器（阻值范围0～5Ω，额定电流为0.6A）

F．滑动变阻器（阻值范围0～100Ω，额定电流为0.6A）

G．直流电源（电动势E＝3V，内阻不计）

H．开关、导线若干

（1）为了提高实验结果的准确程度，电流表应选________；电压表应选________；滑动变阻器应选________．（以上均填写器材代号）

（2）请将图5甲所示实验电路图补充完整．

（3）该同学根据设计的实验电路进行实验，通过实验得到的数据如下表（I和U分别表示待测元件的电流和电压），请在图乙中描绘出该元件的伏安特性曲线．

I/A

0

0.12

0.21

0.29

0.34

0.38

0.42

0.45

0.47

0.49

0.50

U/V

0

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

2.00

图5

预测3在用伏安法测量某导体的伏安特性曲线实验中，描绘的伏安特性曲线如图6所示，图中虚线是曲线上过坐标点（3.6V,0.3A）的切线．回答下列问题：

图6

（1）在导体接入电路前，利用多用电表电阻“×1”挡直接测量导体的电阻，多用电表的指针偏转如图7所示，测得此时导体的电阻为________Ω.

图7

（2）当通过该导体的电流为0.3A时，导体电阻为______Ω.

（3）若用电动势为4.0V、内阻为8Ω的电源直接给该小灯泡供电，则该小灯泡的实际功率是________W.

高考题型4　测定金属（液体）的电阻率

解题方略

1．实验仪器选择的原则：

电压表和电流表一般要根据实验电路中电源的电压和流过金属丝的电流进行选择，在该实验中，电压表一般选择3V的量程，电流表一般选择0.6A的量程；如果采用限流式电路，选用的滑动变阻器最大阻值一般要比待测金属丝的阻值大一些，如果采用分压式电路，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．实物图连线的基本原则：

对限流式电路，一般是从电源的正极开始，把电源、开关、滑动变阻器以及测量电路顺

次连接起来即可．对分压式电路，应先将电源、开关和滑动变阻器的全部电阻用导线连接起来，然后在滑动变阻器上金属杆两端的接线柱中任选一个，依据电路中电流的流向将测量电路部分连接起来即可．

3．电阻定律的应用：

该实验虽然是测定金属丝的电阻率，实际上是先测出金属丝的电阻，然后根据R＝ρ

得出金属丝的电阻率ρ＝R

.

例4

　（2015·德阳市三诊）在“测定金属的电阻率”实验中

（1）为了测量金属丝的电阻Rx的阻值，实验室提供如下实验器材：

A．待测金属丝电阻Rx（约100Ω）B．电动势E＝6V，内阻很小的直流电源

C．量程50mA，内阻约为50Ω的电流表

D．量程0.6A，内阻约为0.2Ω的电流表

E．量程6V，内阻约为15kΩ的电压表

F．最大阻值15Ω，最大允许电流1A的滑动变阻器

G．最大阻值15kΩ，最大允许电流0.5A的滑动变阻器

H．开关一个，导线若干

①为了操作方便，且能比较精确的测量金属丝的电阻值，电流表选用________，滑动变阻器选用________（填写选用器材前的序号）．

②根据所选用的实验器材，设计出测量电阻的下列甲、乙两种电路，为尽可能减少实验误差，应采用________图（选填“甲”或“乙”）．

③实验中测得该金属丝直径为d，长度为L，接入电路后，电压表示数为U，电流表示数为I，则该金属丝的电阻率的表达式为ρ＝________________.

图8

（2）若另有一只待测电阻，无论用电流表内接还是外接，测量误差较为接近，有一位同学为了消除因电表内阻所带来的系统误差，他用两只相同的电压表，设计了如图8所示的测量电路．实验操作步骤如下：

①按电路图连接好实验器材．

②闭合S1，断开S2，读出此时电压表V1的示数U，电流表示数I.

③再闭合S2，调节变阻器R，使电流表的电流仍为步骤2的电流I，此时读出电压表V1的示数U1，电压表V2的示数U2.

用上述测得的物理量表示待测电阻的阻值Rx＝__________________.

预测4.某组同学借用“测定金属的电阻率”实验的思想、原理及操作，测量某一电阻，所用器材如下：

　　　　　甲　　　　　　　　　　　乙

图9

待测电阻Rx（约300Ω）电流表A（量程0～10mA，内阻约50Ω）；

电压表V（量程0～3V，内阻约5kΩ）；电池组E（电动势3V，内阻不计）；

滑动变阻器R（阻值0～15Ω，最大允许电流1A）；

开关一个，导线若干．

根据上述器材的规格，为使实验尽量精确：

（1）电流表A应采用________接（选填“内”或“外”）；请你用笔画线代替导线，在图9甲中补画出实验电路中还需要连接的导线．

（2）为进一步测量电流表A的电阻rA，他们将Rx换为标准定值电阻R0（100Ω），将电压表V换为电流表A1（量程0～20mA，内阻约25Ω），增加保护电阻Rb（150Ω），其余器材不变．请你在图乙的虚线框内补画完电路原理图．

高考题型5　测定电源的电动势和内阻

解题方略

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.

例5

　（2015·四川理综·8）用实验测一电池的内阻r和一待测电阻的阻值Rx.已知电池的电动势约6V，电池内阻和待测电阻阻值都为数十欧．可选用的实验器材有：

电流表A1（量程0～30mA）；电流表A2（量程0～100mA）；

电压表V（量程0～6V）；

滑动变阻器R1（阻值0～5Ω）；

滑动变阻器R2（阻值0～300Ω）；

开关S一个，导线若干条．

某同学的实验过程如下：

Ⅰ.设计如图10所示的电路图，正确连接电路．

图10图11

Ⅱ.将R的阻值调到最大，闭合开关，逐次调小R的阻值，测出多组U和I的值，并记录．以U为纵轴，I为横轴，得到如图11所示的图线．

Ⅲ.断开开关，将Rx改接在B、C之间，A与B直接相连，其他部分保持不变．重复Ⅱ的步骤，得到另一条U－I图线，图线与横轴I的交点坐标为（I0,0），与纵轴U的交点坐标为（0，U0）．

回答下列问题：

（1）电流表应选用________，滑动变阻器应选用________；

（2）由U－I图线，得电源内阻r＝________Ω；

（3）用I0、U0和r表示待测电阻的关系式Rx＝________，代入数值可得Rx；

（4）若电表为理想电表，Rx接在B、C之间与接在A、B之间，滑动变阻器滑片都从最大阻值位置调到某同一位置，两种情况相比，电流表示数变化范围________，电压表示数变化范围________．（选填“相同”或“不同”）

预测5一课外小组同学想要测量一个电源的电动势及内阻．准备的器材有：

电流表A（0～200mA，内阻是12Ω），电阻箱R（最大阻值9.9Ω），一个开关和若干导线．

（1）由于电流表A的量程较小，考虑到安全因素，同学们将一个定值电阻和电流表并联，若要使并联后流过定值电阻的电流是流过电流表的电流的2倍，则定值电阻的阻值R0＝________Ω.

（2）设计的电路图如图12甲．若实验中记录电阻箱的阻值R和电流表的示数I，并计算出

得到多组数据后描点作出R－

图线如图乙所示，则该电源的电动势E＝________V，内阻r＝________Ω.

图12

答案解析

高考题型1　电表改装与读数、多用电表原理与使用

例1　

（1）15　35　

（2）300　3000

（3）c　见解析

解析　

（1）定值电阻和毫安表表头是并联关系，电压相等，电流和电阻成反比．若使用a和b两个接线柱，量程为3mA，则通过R1、R2的电流为2mA，则通过毫安表表头和R1、R2的电流比为1∶2，所以电阻比为2∶1，可得R1＋R2＝

Rg＝50Ω；若使用a和c两个接线柱，电表量程为10mA，通过R1的电流为9mA，电流比为1∶9，可得电阻比

＝

，即R1＝

（Rg＋R2），整理可得R1＝15Ω，R2＝35Ω.

（2）根据电流表校准的刻度，可知电路中总阻值最大为

Ω＝3000Ω，最小阻值为

Ω＝500Ω.若定值电阻R0选择为1000Ω，则无法校准3.0mA，所以选用的定值电阻R0的阻值应为300Ω，由于最大阻值要达到3000Ω，所以选用的滑动变阻器R的最大阻值为3000Ω.

（3）为准确地判断出哪个电阻损坏，d点应和接线柱“c”相连；若电流表无示数，则说明R2损坏，若电流表有示数，则说明R1损坏．

预测1　

（1）机械调零　22.0　

（2）将选择开关拨至“×10Ω”挡　320　（3）300　

A

解析　

（1）用多用电表测电流时，指针如图甲所示，接着的操作是机械调零．将选择开关拨至“50mA”挡，将多用电表串联入待测电路中，指针如图乙所示，电路中电流为22.0mA.

（2）选择开关拨至“×1Ω”挡时，指针偏转较大，所以接着的操作是将选择开关拨至“×10Ω”挡，将两表笔接待测电阻两端，指针如图乙所示，待测电阻为32.0×10Ω＝320Ω.

（3）多用电表测电阻Rx的电路如图丙所示，中值电阻R中＝300Ω，使用该电阻挡时，多用电表的内阻R丙＝R中＝300Ω.在闭合电路中，由闭合电路欧姆定律得：

I＝

A.

高考题型2　电阻的测量

例2　

（1）见解析图　

（2）见解析　（3）＞

理由见解析

解析　

（1）实验电路图如图所示．

（2）移动滑动变阻器的滑片，以保证通电后电压表所在支路分压最小；闭合开关S1、S2，调节R1，使电压表的指针满偏；保持滑动变阻器滑片的位置不变，断开S2，调节电阻箱R0，使电压表的指针半偏，读取电阻箱的电阻值，此即为测得的电压表内阻．

（3）断开S2，调节电阻箱R0使电压表成半偏状态，电压表所在支路总电阻增大，分得的电压也增大，此时R0两端的电压大于电压表的半偏电压，RV′＞RV.

预测2　

（1）C　

（2）

　1.5

解析　

（1）要精确测定额定电压为3V的节能灯正常工作时的电阻，需测量节能灯两端的电压和通过节能灯的电流，由于电压表的量程较大，测量误差较大，不能用已知的电压表测量节能灯两端的电压，可以将电流表A与定值电阻串联改装为电压表测量电压；节能灯正常工作时的电流约为I＝

A＝6mA，电流表的量程较小，电流表不能精确测量电流，可以用电压表测量电流；因为滑动变阻器阻值远小于节能灯的电阻，所以滑动变阻器采用分压式接法．所以电路图选C.

（2）根据闭合电路欧姆定律知，灯泡两端的电压U＝I（R1＋RA），通过灯泡的电流为：

I灯＝

－I，所以节能灯正常工作时的电阻为：

Rx＝

.改装后的电压表内阻为：

RV′＝1985Ω＋15Ω＝2000Ω，则当I＝1.5mA时，节能灯两端的电压为3V，达到额定电压，测出来的电阻为正常工作时的电阻．

高考题型3　描绘小电珠（或者其他元件）的伏安特性曲线

例3　

（1）B　D　E　

（2）如图甲所示

（3）如图乙所示

解析　

（1）元件的最大电压不超过2.5V，电压表应选D，最大电流不超过I＝

A＝0.6A，电流表选B，为方便实验操作，滑动变阻器应选小阻值范围，所以选E.

（2）由表中实验数据可知，电压与电流应从零开始变化，滑动变阻器应采用分压式接法，元件电阻约为R＝

＝

Ω≈4.17Ω，电压表内阻约为5kΩ，电流表内阻为0.5Ω，电压表内阻远大于电学元件电阻，电流表应采用外接法．

（3）根据表中实验数据在坐标系内描出对应点，然后作出图象．

预测3　

（1）30　

（2）12　（3）0.42

解析　

（1）欧姆表的读数为R＝1×30Ω＝30Ω.

（2）根据I－U图象可读出当I＝0.3A时对应的电压为U＝3.6V，则导体的电阻为R＝

＝

Ω＝12Ω.

（3）在I－U图象中同时作出表示电源的I－U图象，读出两图线的交点坐标为U＝2.8V，I＝0.15A，所以小灯泡的实际功率为P＝UI＝0.42W.

高考题型4　测定金属（液体）的电阻率

例4　

（1）①C　F　②甲　③

（2）

解析　

（1）①根据闭合电路欧姆定律可知通过待测金属丝的最大电流为Imax＝

＝

A＝60mA，所以电流表应选用C；当滑动变阻器采用限流式接法时，电路中需要的最大电阻为Rmax＝

＝

Ω＝360Ω.显然滑动变阻器应选用F且应采用分压式接法；

②由于待测金属丝满足

>

，电流表应用外接法，即电路应是分压外接电路，所以应采用甲图．

③根据R＝

及R＝

可得ρ＝

.

（2）当S2断开时应有U＝I（RA＋Rx），当S2闭合时应有U1＝IRA＋U2，联立以上两式可得Rx＝

.

预测4　

（1）外　见解析图甲　

（2）见解析图乙

解析　

（1）由题意可知，由于

＝

>

＝

，则待测电阻的阻值偏小，所以电流表应采用外接法；因所测电阻约为300Ω，大于滑动变阻器15Ω，所以选用滑动变阻器的分压式接法，如图甲所示．

（2）将量程0～3V，内阻约5kΩ的电压表V换为电流表A1（量程0～20mA，内阻约25Ω），即可根据两个电流表值之差及定值电阻求得电流表A两端的电压，再依据欧姆定律，结合电流表A的读数，即可求得电流表A的内阻rA，由于电流表A的内阻rA大于滑动变阻器的电阻，因此滑动变阻器采用分压式接法，如图乙所示．

高考题型5　测定电源的电动势和内阻

例5　

（1）A2　R2　

（2）25　（3）

－r

（4）相同　不同

解析　

（1）因为电源电动势约为6V，待测电阻以及电源的内阻都为数十欧，估算出电流为几十至几百毫安，因此电流表选择A2；由于滑动变阻器为限流式接法，因此应选择阻值较大的