高三物理专题 电学实验压轴题的5大命题点及破解策略解析版.docx
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高三物理专题电学实验压轴题的5大命题点及破解策略解析版
（一）电学实验的3大创新考查角度
在高考中对电学实验一般不直接考查课本上的学生实验，而是在学生实验的基础上进行创新，比如常常在实验原理、实验器材、数据处理等方面加以改进；学生应以常规实验为依据，从实验电路图入手，结合实验的具体要求进行推理分析。
角度一对实验原理的创新考查
在高考的电学实验中，并不仅仅测量电阻的阻值或测定电源的电动势和内阻，有时可能会测定二极管的导电特性、电容器的充、放电规律等。
处理此类问题时，首先要掌握被测实验器材的电学特性，其次要熟练把握控制电路、测量电路的特点。
[例1] 二极管具有独特的单向导电性，当在二极管两极之间所加正向电压小于某值时，二极管的电阻很大（1×106Ω，甚至更大），而当正向电压超过某值时，二极管的电阻随两端电压的升高而急剧减小。
为了探究二极管的导电特性：
（1）实验小组先用多用电表判断二极管的极性。
步骤如下：
A．将多用电表置于欧姆表“×100”挡，短接红、黑表笔，调整________，使指针指向表盘右侧“0”位置；
B．将二极管串接在两表笔之间，多用电表示数如图甲中a所示；
C．将二极管两极对调，多用电表示数如图甲中b所示，则此时与红表笔接触的是二极管的________（填“正”或“负”）极。
（2）实验小组设计了如图乙所示的实验电路，通过实验测得相关数据如下表。
正向电压
U/V
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.55
0.60
0.65
0.68
0.70
正向电流
I/mA
0
0
0
0.02
0.26
0.56
1.13
1.79
2.37
3.00
①由二极管的特性和表中数据可知，当电压表示数为0～0.30V时，图乙中开关S一定接在位置________；
②根据表中数据，在图丙中作出二极管的伏安特性曲线（要求保留所描的点迹），由图线可知，二极管是________（填“线性”或“非线性”）元件。
（3）若此二极管为发光二极管，正常发光时通过的电流为3.00mA，若用1.5V的电源供电，则应该给二极管________（填“串”或“并”）联一个约________Ω的电阻。
【解析】
（1）A.欧姆表选挡后要进行欧姆调零，即短接两表笔，调整欧姆调零旋钮，使指针指在表盘右侧“0”位置；
C．步骤B中欧姆表示数很大，而步骤C中示数很小，由题中所给条件知，当示数很小时红表笔所接为二极管负极。
（2）①题图乙的设计为伏安法测电阻的内接法和外接法可以互换的电路，当开关S接位置1时为电流表内接法，接位置2时为电流表外接法。
由表中数据可知，当电压表示数为0～0.3V时电流表示数为0，故电流表内接，开关S接在位置1。
②描点作图如图所示，由图线可知二极管是非线性元件。
（3）发光二极管正常工作时两端电压为0.7V，电源电动势高于0.7V，应串联一个电阻，阻值R＝
＝
Ω≈267Ω。
【答案】
（1）A.欧姆调零旋钮 C．负
（2）①1 ②见解析图 非线性 （3）串 267
[题后悟通]
本例源于教材人教版选修3－1第47页中“某晶体二极管的伏安特性曲线图”，虽然二极管具有单向导电性，但仍需要正向电压高于一定值，二极管才会有正向电流。
要顺利解决这类实验，只有在复习时经常阅读教材并关注相关内容，审题就轻松得多。
[对点训练]
1．（2016·全国卷Ⅲ）某同学用图中所给器材进行与安培力有关的实验。
两根金属导轨ab和a1b1固定在同一水平面内且相互平行，足够大的电磁铁（未画出）的N极位于两导轨的正上方，S极位于两导轨的正下方，一金属棒置于导轨上且与两导轨垂直。
（1）在图中画出连线，完成实验电路。
要求滑动变阻器以限流方式接入电路，且在开关闭合后，金属棒沿箭头所示的方向移动。
（2）为使金属棒在离开导轨时具有更大的速度，有人提出以下建议：
A．适当增加两导轨间的距离
B．换一根更长的金属棒
C．适当增大金属棒中的电流
其中正确的是________（填入正确选项前的标号）。
【解析】
（1）实验电路连线如图所示。
（2）为使金属棒获得更大的速度，
则金属棒运动时需要更大的加速度，
根据牛顿第二定律有a＝
，
所以增加磁感应强度、增大电流、增加两导轨间的距离都可以使加速度增大。
故选项A、C正确，选项B错误。
【答案】
（1）实验电路连线见解析图
（2）AC
角度二对实验器材的创新考查
在测量电表的内阻时，要把电表当作能读数的电阻，充分利用待测电表自身的测量功能，即电流表可测定通过自身的电流，电压表可测定自身两端的电压，不需要其他的电表来测量。
[例2] 某校进行实验电路设计比赛，实验台上备有下列器材：
A．电压表V1（量程约2V，内阻约1kΩ）
B．电压表V2（量程为6V，内阻为2kΩ）
C．电流计G（量程为3mA，内阻约500Ω）
D．电流表A（量程为0.6A，内阻为0.5Ω）
E．滑动变阻器R1（0～15Ω，0.5A）
F．滑动变阻器R2（0～1kΩ，0.1A）
G．电阻箱R3（0～999.9Ω，0.1A）
H．电阻箱R4（0～9999.9Ω，0.2A）
I．电源（6V,0.5A）
J．开关、导线若干
（1）利用以上器材在图中虚线框内设计最佳测量电路，要求既能确定电压表V1的量程，又能尽量准确地测定其内阻，在图中标明选用器材的符号。
图中滑动变阻器R应选择________（填写元件符号）。
（2）若已知电压表V1量程为2V，则下列实验小组设计的电路图中，能用来测定电压表V1的内阻且设计合理的是________。
【解析】
（1）分压电路中，在额定电流允许的前提下选择阻值较小的滑动变阻器更方便调节，因此选择R1。
给定器材中电阻箱R4的最大阻值约为电压表V1内阻的10倍，因此最简测量电路为半偏法电路，如图所示。
由于待测电压表V1量程未知，不能读数，要确定V1的量程，需在半偏法电路两端并联电压表V2以便读取总电压U，这样既不影响半偏法实验测量，同时又可以测出测量电路两端电压，保证此电压在调整电阻箱和滑动变阻器时保持不变，以减小实验误差。
（2）若电压表V1量程已知，则可采用伏安法直接测量，电压表额定电流约为IV＝
A＝2mA，可用电流计G测量电流，电压则由V1读取，滑动变阻器阻值R1远小于测量电路总电阻，应采用分压电路，选项A中电路图设计合理；选项B中，滑动变阻器用R2接成限流电路，R2接入电路中的阻值最大时，每1kΩ电阻的电压约为
V＝2.4V，超过V1量程，不合理；选项C中V2与V1串联，可将V2当电流表使用，满偏电流IV2＝
A＝3mA，与电流计G量程相同，且R2接入电路中的阻值最大时，每1kΩ电阻的电压约为
V＝1.5V，设计合理；同理，选项D中V2与V1并联，V2多余且只能测量电压，不能计算V1内阻，设计不合理。
【答案】
（1）设计电路见解析 R1
（2）AC
[对点训练]
2．要测量电压表V1的内阻RV，其量程为2V，内阻约为2kΩ。
实验室提供的器材有：
电流表A，量程0.6A，内阻约0.1Ω；
电压表V2，量程5V，内阻为5kΩ；
定值电阻R1，阻值为30Ω；
定值电阻R2，阻值为3kΩ；
滑动变阻器R3，阻值为100Ω，额定电流为1.5A；
电源E，电动势为6V，内阻约0.5Ω；
开关S一个，导线若干。
（1）有人拟将待测电压表V1和电流表A串联接入电压合适的测量电路中，测出V1的电压和电流，再计算出RV。
该方案实际上不可行，其最主要的原因是________________________________________________。
（2）请从上述器材中选择必要的器材，设计一个测量电压表V1的内阻RV的实验电路。
要求测量尽量准确，实验须在同一电路中，且在不增减元件的条件下完成。
试画出符合要求的实验电路图（图中电源与开关已连接好），并标出所选元件的相应字母代号。
（3）由
（2）所画电路图写出电压表V1的内阻RV的表达式，说明式中各测量量的物理意义。
【解析】
（1）由于电压表V1量程为2V，内阻约2kΩ，则流过的电流最大值为1mA，而电流表A的量程为0.6A，电流表的指针几乎不动，无法准确读取电流值。
（2）电压表V2的量程为5V，内阻为5kΩ；电压表V1的量程为2V，内阻约2kΩ，定值电阻R2的阻值为3kΩ；通过对比联想不难设想出：
先将电压表V1与定值电阻R2串联，再与电压表V2并联，此时两个电压表恰好匹配，电路如图所示。
（3）根据U2＝U1＋
R2，得RV＝
。
U1表示电压表V1的电压，U2表示电压表V1和R2串联的总电压。
【答案】
（1）电流表A不能准确测量出流过电压表V1的电流
（2）见解析图 （3）见解析
3．实际电压表内阻并不是无限大，可等效为理想电流表与较大的电阻的串联。
现要测量一只量程已知的电压表的内阻，器材如下：
A．待测电压表一只（量程3V，内阻约3kΩ）；
B．电流表一只（量程3A，内阻0.01Ω）；
C．电池组（电动势约为3V，内阻不计）；
D．滑动变阻器一个；
E．变阻箱一个（可以读出电阻值，0～9999Ω）；
F．开关和导线若干。
某同学利用上面所给器材，进行如下实验操作：
（1）该同学设计了如图甲、乙两个实验电路。
为了更准确地测出该电压表内阻的大小，你认为其中相对比较合理的是________（填“甲”或“乙”）电路。
（2）用你选择的电路进行实验时，闭合开关S，改变阻值，记录需要直接测量的物理量：
电压表的读数U和________（填上文字和符号）。
（3）由所测物理量选择下面适当坐标轴，能作出相应的直线图线、计算出电压表内阻的是（ ）
A．UI B．U
C.
RD．UR
（4）设直线图像的斜率为k、截距为b，请写出待测电压表内阻表达式RV＝________。
【解析】
（1）题图甲所示电路滑动变阻器与电压表串联接入电路，电源电动势约为3V，电压表内阻约为3kΩ，由于电压表内阻太大，电路电流很小几乎为零，电流表无法准确读数，因此甲电路不合理；由于电阻箱电阻最大阻值为9999Ω，改变电阻箱阻值可以改变电压表示数，测出多组实验数据，因此比较合理的实验电路是图乙。
（2）选用图乙所示实验电路，闭合开关S，改变阻值，记录需要直接测量的物理量：
电压表的读数U和电阻箱的阻值R。
（3）由于电源内阻可以忽略不计，由闭合电路欧姆定律可得E＝U＋
R，应用图像法处理实验数据时，应作出
R图像，故选C。
（4）由E＝U＋
R得
＝
＋
R，可知，
R图像的斜率k＝
，截距b＝
，则电压表内阻RV＝
。
【答案】
（1）乙
（2）电阻箱的阻值R （3）C （4）
角度三对数据处理的创新考查
在实验中，数据处理的常用方法有公式法、列表法、图像法、逐差法等，恰当的数据处理方法可以提高实验的准确程度、减少测量误差、节约解题时间。
[例3] 某物理学习小组为了测定某太阳能硅光电池组的电动势和内阻，设计了如图1所示的电路，在一定光照条件下进行实验：
（1）请根据图1完成图2中实物的连线。
1
2
3
4
5
6
7
8
U/V
1.77
1.75
1.70
1.65
1.54
1.27
1.00
0.50
I/μA
12
30
48
60
68
76
80
86
（2）该小组成员将测量出来的数据记录在表格中，请在图3中作出该硅光电池组的UI图线。
（3）由所作的UI图线可知该硅光电池组的电动势E＝________V，电池组的内阻随输出电流的变化而改变，在电流为80μA时，该电池组的内阻r＝________Ω（保留两位有效数字）。
【解析】
（1）实物连接图如图甲所示。
（2）根据表格中数据描点后用平滑曲线连接，UI图线如图乙所示。
（3）由所作的UI图线可知该硅光电池组的电动势E＝1.80V，在电流为80μA时，由表中数据可知此时电源的路端电压U＝1.0V，由闭合电路欧姆定律知电源内电压为U′＝E－U＝0.80V，所以电池组的内阻r＝
＝
×106Ω＝1.0×104Ω。
【答案】
（1）
（2）见解析图甲、乙 （3）1.81．0×104
[题后悟通]
1．实物图连接时注意事项
（1）按从电源“＋”极到“－”极的顺序连接电路，对有多条回路的电路，可逐条连接。
（2）电流表与被测电路串联，电流表不能直接接到电源两端；电压表与被测电路并联，可以直接接到电源两端。
两者“＋”接线柱接电源“＋”极，“－”接线柱接电源“－”极。
（3）滑动变阻器的限流式接法应“一上一下”；分压式接法应先将全部电阻丝接入电路，再将被测电路与滑动变阻器的上接线柱按电路图连接。
（4）连接完成后检查是否与电路图一致，有无元件连接错误等。
2．实验原理与数据处理
不论测什么电源的电动势和内阻，其原理都是闭合电路欧姆定律E＝U＋Ir＝I（R＋r）＝U＋U内，不论是线性伏安特性曲线还是非线性伏安特性曲线，图线与U轴的交点的纵坐标即电源电动势。
[对点训练]
4．（2016·全国卷Ⅱ）某同学利用如图甲所示电路测量量程为2.5V的电压表的内阻（内阻为数千欧姆），可供选择的器材有：
电阻箱R（最大阻值99999.9Ω），滑动变阻器R1（最大阻值50Ω），滑动变阻器R2（最大阻值5kΩ），直流电源E（电动势3V），开关1个，导线若干。
实验步骤如下：
①按电路原理图甲连接线路；
甲
②将电阻箱阻值调节为0，将滑动变阻器的滑片移到与图甲中最左端所对应的位置，闭合开关S；
③调节滑动变阻器，使电压表满偏；
④保持滑动变阻器滑片的位置不变，调节电阻箱阻值，使电压表的示数为2.00V，记下电阻箱的阻值。
回答下列问题：
（1）实验中应选择滑动变阻器______（填“R1”或“R2”）。
（2）根据图甲所示电路将图乙中实物图连线。
乙
（3）实验步骤④中记录的电阻箱阻值为630.0Ω，若认为调节电阻箱时滑动变阻器上的分压不变，计算可得电压表的内阻为________Ω（结果保留到个位）。
（4）如果此电压表是由一个表头和电阻串联构成的，可推断该表头的满刻度电流为________（填正确答案标号）。
A．100μA B．250μA
C．500μAD．1mA
【解析】
（1）滑动变阻器R1的阻值较小，在分压电路中便于调节，故实验中应选择滑动变阻器R1。
（2）实物图连线如图所示。
（3）电阻箱阻值为0时，
电压表满偏电压Ug＝2.5V，
电阻箱阻值R＝630.0Ω时，
电压表的示数UV＝2.00V，
此时电阻箱两端的电压UR＝Ug－UV＝0.5V，
根据串联电路电压与电阻成正比可得
＝
，
故Rg＝
R＝
×630.0Ω＝2520Ω。
（4）电压表的满偏电流为Ig，则IgRg＝Ug，
故Ig＝
＝
A≈1mA，选项D正确。
【答案】
（1）R1
（2）见解析图 （3）2520 （4）D
（二）电学实验压轴题的5大命题点及破解策略
对实验压轴题考生们最感头痛，很难拿到高分，其根本原因是试题考查的知识面广，涉及的实验方法也千变万化，所以对考生的能力要求也就很高。
实验压轴题考查的热点主要有基本仪器的选择和使用、实验原理与操作步骤、数据处理、误差分析等，所以对实验压轴题的破解方法就是要在熟悉（用足够的时间和精力）考纲规定的所有实验仪器的原理、正确使用方法的基础上，对探究性实验的思想方法（等效法、累积法、控制变量法、转换法、模拟法、留迹法等）进行深入研究，掌握这些原理、方法所引起的系统误差的根源，同时还要掌握一些处理数据的方法与技巧，如作图法及数形结合方法等。
一、实验电路及器材的选取——首先考虑安全性与准确性
选择电学实验仪器要遵循安全性原则（不使电学元件受损）和准确性原则（尽量减小误差）。
比如选择电表时，首先保证流过电流表的电流和加在电压表上的电压均不超过使用量程，然后再合理选择量程使指针有较大偏转（要达到满偏的1/3），以尽量减小测量的相对误差。
而一些实验压轴题的难点往往就放在对安全性原则和准确性原则的理解上。
实际上在选取电表时要灵活运用以上两个原则。
当遇到某一待测电阻不需要一定达到某一电压或电流的情况时，即使电源电动势较大，待测电阻的最大电流或最大电压也较大，超过了比较小的电表的量程，但此时如果用较大量程的电表读数又会小于1/3量程，那么在滑动变阻器控制电压或电流保证安全的情况下，我们还是要选取较小量程的电表进行测量以便减小误差。
[例1] 在描绘标有“6V 3W”的小灯泡的伏安特性曲线的实验中，要求灯泡两端的电压由零逐渐增加到6.0V，并便于操作。
实验室提供的器材有：
A．学生电源（电动势为9V，内阻约1Ω）
B．电流表（量程为0～0.6A，内阻约0.2Ω；量程为0～3A，内阻约0.04Ω）
C．电压表（量程为0～3V，内阻约3kΩ；量程为0～15V，内阻约15kΩ）
D．滑动变阻器（最大阻值10Ω，最大允许电流1A）
E．滑动变阻器（最大阻值1500Ω，最大允许电流0.3A）
F．开关一个、导线若干
（1）为了完成实验，应选用的滑动变阻器是________（填“D”或“E”），选用的实验电路图应为图1中的________（填“甲”或“乙”）。
（2）请根据
（1）中所选的电路图，补充完成图2中实物图的连线。
（3）闭合开关，改变滑动变阻器滑动触头的位置，并记录对应的电流表示数I、电压表示数U。
某次测量中电流表、电压表示数如图3所示，可知该状态下小灯泡电阻的测量值为Rx＝________Ω（计算结果保留两位有效数字）。
（4）根据实验数据，画出小灯泡的IU图线如图4所示。
由此可知，当小灯泡两端的电压增加时，小灯泡的电阻值将________（选填“变大”或“变小”）。
【解析】
（1）因要求灯泡两端的电压由零逐渐增加到6.0V，所以滑动变阻器采用分压式连接，为了操作方便，应选用最大阻值较小的滑动变阻器，即选用D。
实验电路选用乙。
（2）实物图连接如图所示。
（3）由灯泡规格知电流表用0～0.6A量程，电压表用0～15V量程，由题图3知电流表示数为0.22A，电压表示数为4.0V，所以该状态下小灯泡电阻的测量值为Rx＝
＝
Ω＝18Ω。
（4）由题图4知小灯泡两端的电压增加时，小灯泡的电阻值将变大。
【答案】
（1）D 乙
（2）见解析图 （3）18 （4）变大
[题后悟通]
1．电流表和电压表的选择
（1）选取原则：
①安全，即所选电表的量程不能小于被测的最大值；②准确，即电表的示数应在满偏刻度值的1/3以上。
（2）选取技巧：
若待测元件标明了额定电压、额定电流或额定功率，可根据额定电压确定电压表量程，根据额定电流确定电流表量程；若待测元件只标出了电阻的大约值，则可根据电源电动势确定电压表量程，再计算出电路中允许的最大电流，以此选择电流表的量程。
2．电流表内、外接法的选择
（1）当RV≫Rx时，电压表的分流作用可忽略不计，宜采用电流表外接法。
（2）当Rx≫RA时，电流表的分压作用可忽略不计，应采用电流表内接法。
3．滑动变阻器限流式和分压式接法选择
若负载电阻的阻值小于滑动变阻器的总阻值或相差不多，且电压、电流不要求从零可调时，一般用限流式接法。
两种接法均可使用时，考虑安装简便和节能因素，一般用限流式接法。
以下三种情况下，滑动变阻器必须选择分压式连接：
（1）题中要求电压表、电流表的示数从零可调时；
（2）题中要用小量程电表测大电压、大电流时；
（3）滑动变阻器的阻值比待测电阻的一半还小时。
4．滑动变阻器的选择
（1）用分压式接法时，应选用最大阻值较小、额定电流较大的滑动变阻器。
（2）用限流式接法时，应选用最大阻值和被测电阻阻值接近的滑动变阻器。
5．小灯泡伏安特性曲线数据处理的注意点
曲线上各点的切线的斜率的倒数并不表示小灯泡在该电压下的电阻值，IU图线上某点对应的电阻值应等于该点对应电压与电流的比值（即该点与原点O连线的斜率的倒数）。
[对点训练]
1．某实验小组要判定两种元件的制作材料，已知其中一种是由金属材料制成的，它的电阻随温度的升高而增大，而另一种是由半导体材料制成的，它的电阻随温度的升高而减小。
准备的器材有：
A．电源E（电动势为3.0V，内阻不计）
B．电压表V1（量程0～3V，内阻约1kΩ）
C．电压表V2（量程0～15V，内阻约4kΩ）
D．电流表A1（量程0～3A，内阻约0.1Ω）
E．电流表A2（量程0～0.6A，内阻约0.6Ω）
F．滑动变阻器R1（0～5Ω，3.0A）
G．滑动变阻器R2（0～200Ω，1.25A）
H．开关和若干导线
该小组成员对其中的一个元件进行了测试，测得通过其中的电流与加在它两端的电压数据如下表所示。
U/V
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.50
1.58
I/A
0.20
0.45
0.80
1.25
1.80
2.81
3.00
请完成以下内容。
（1）实验中电压表应选用________，电流表应选用________，滑动变阻器应选用________（请填写器材前对应的字母）。
（2）请根据表中数据在图中作出该元件的IU图线，该元件可能是由________（选填“金属”或“半导体”）材料制成的。
（3）在
（2）的基础上，该同学进一步分析，如果让一节电动势为1.5V、内阻为0.5Ω的干电池只对该元件供电，则该元件消耗的功率为________W（结果保留两位有效数字）。
【解析】
（1）由表中数据可知电压表选用的是B，电流表选用的是D；滑动变阻器必须接成分压式，应选用阻值较小的F。
（2）描点并用平滑曲线连接，如图中①所示。
由描绘的曲线可知，元件的电阻随温度的升高而减小，所以元件是半导体。
（3）在元件的IU图线中作出电源的IU图线，如图中②所示，可知交点坐标为U＝0.95V，I＝1.1A，所以元件消耗的功率为P＝UI≈1.0W。
【答案】
（1）B D F
（2）如解析图中①所示 半导体（3）1.0
二、系统误差的分析——多数情况下从实验方法上找根源
尽量减小误差是物理实验的基本原则，所以误差分析作为实验题的难点是近年来命题的热点方向之一。
物理学中把测量误差按其产生的原因与性质分为系统误差和偶然误差，其中又以寻找系统误差产生的根源作为考查重点。
产生系统误差的原因主要有两类：
①由仪器本身存在一定的缺陷或不精密造成的，如仪器零点不准、仪器水平或铅直未调整等；②实验方法不完善或这种方法所依据的理论本身具有近似性，例如用单摆测量重力加速度时忽略空气对摆球的阻力的影响，测量电阻时不考虑电表内阻的影响等所引入的误差。
这些原因就是我们分析误差的重要依据和突破方向。
[例2] 国际规定自来水在15℃时电阻率应大于13Ω·m。
某同学利用如图甲所示的电路测量15℃时自来水的电阻率，其中内径均匀的圆柱体玻璃管侧壁连接一细管，细管上有一阀门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
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