高三物理电学设计实验专题复习.docx

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高三物理电学设计实验专题复习

高三物理电学设计实验专题复习

电学实验是高考实验考查的重点与热点问题,特别是近几年的高考中电学实验更是连年出现,设计型电学实验更是高考实验的重头戏，其中最典型问题就是：

定值电阻的测量（包括金属电阻率的测量）

电阻的测量非线性电阻测量（小灯泡伏安特性曲线的描绘）

电表（电流表和电压表）内阻的测量

电源内阻的测量

其中，电阻的测量（包括变形如电表内阻的测量）、测电源的电动势与内电阻是考查频率较高的实验。

它们所用到的原理公式为：

。

由此可见，对于电路中电压U及电流I的测量是实验的关键所在，但这两个量的直接测量和间接测量的方法却多种多样，在此往往也是高考试题的着力点之处。

因此复习中应熟练掌握基本实验知识及方法，做到以不变应万变。

基础回扣

（一）电学实验中所用到的基本知识

1．电路设计原则：

正确地选择仪器和设计电路的问题，有一定的灵活性，解决时应掌握和遵循一些基本的原则，即“安全性”、“方便性”、“精确性”原则，兼顾“误差小”、“仪器少”、“耗电少”等各方面因素综合考虑，灵活运用。

⑴正确性：

实验原理所依据的原理应当符合物理学的基本原理。

⑵安全性：

实验方案的实施要安全可靠，实施过程中不应对仪器及人身造成危害。

要注意到各种电表均有量程、电阻均有最大允许电流和最大功率，电源也有最大允许电流，不能烧坏仪器。

⑶方便性：

实验应当便于操作，便于读数，便于进行数据处理。

⑷精确性：

在实验方案、仪器、仪器量程的选择上，应使实验误差尽可能的小。

2．电学实验仪器的选择：

⑴根据不使电表受损和尽量减少误差的原则选择电表。

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，然后合理选择量程，务必使指针有较大偏转（一般要大于满偏度的1/3），以减少测读误差。

⑵根据电路中可能出现的电流或电压范围选择滑动变阻器，注意流过滑动变阻器的电流不超过它的额定值，对大阻值的变阻器，如果是滑动头稍有移动，使电流、电压有很大变化的，不宜采用。

⑶应根据实验的基本要求来选择仪器，对于这种情况，只有熟悉实验原理，才能作出恰当的选择。

总之，最优选择的原则是：

方法误差尽可能小；间接测定值尽可能有较多的有效数字位数，直接测定值的测量使误差尽可能小，且不超过仪表的量程；实现较大范围的灵敏调节；在大功率装置（电路）中尽可能节省能量；在小功率电路里，在不超过用电器额定值的前提下，适当提高电流、电压值，以提高测试的准确度。

3．测量电路的选择

⑴电流表的内、外接问题：

（甲）所示电路为电流表外接电路（简称外接法）；（乙）所示电路为电流表内接电路（简称内接法）。

两种接法的选择可按下列方法进行：

方法一：

设电流表、电压表内阻分别为

、

，被测电阻为

，则

当

<

时，电压表分流作用小，应选用外接法

当

>

时，电流表分压作用小，应选用内接法

当

=

时，电流表分压作用和电压表分流作用相差不大，两种方法均可。

方法二：

在

、

均不知的情况下，可采用试触法。

如图所示，分别将a端与b、c接触，如果前后两次电流表示数比电压表示数变化明显，说明电压表分流作用大，应采用内接法；如果前后两次电压表示数比电流表示数变化明显，说明电流表分压作用大，应采用外接法。

⑵滑动变阻器的分压、限流接法：

为了改变测量电路（待测电阻）两端的电压（或通过测量电路的电流），常使滑动变阻器与电源连接作为控制电路，滑动变阻器在电路中主要有两种连接方式：

如图（甲）为滑动变阻器的限流式接法，

为待测电阻。

它的接线方式是电源、滑动变阻器与待测电阻三者串联。

对待测电阻供电电压的最大调节范围是：

（

是待测电阻，R是滑动变阻器的总电阻，不计电源内阻）。

如图（乙）是滑动变阻器的分压式接法。

接线方式是电源与滑动变阻器组成闭合电路，而被测电路与滑动变阻器的一部分电阻并联，该接法对待测电阻供电电压的调节范围是：

（不计电源内阻时）。

选取接法的原则：

①要求负载上电压或电流变化范围大，且从零开始连续可调，须用分压式接法。

②负载电阻Rx远大于滑动变阻器总电阻R时，须用分压式接法，此时若采用限流式接法对电路基本起不到调节作用。

③采用限流电路时，电路中的最小电流（电压）仍超过电流表的量程或超过用电器的额定电流（电压）时，应采用变阻器的分压式接法。

④负载电阻的阻值Rx小于滑动变阻器的总电阻R或相差不大，并且电压表、电流表示数变化不要求从零开始起调，可用限流式接法。

⑤两种电路均可使用时应优先用限流式接法，因为限流电路结构简单，总功率较小。

滑动变阻器的粗调和微调作用：

①在限流电路中，全电阻较大的变阻器起粗调作用，全电阻较小的变阻器起微调作用。

②在分压电路中，全电阻较小的变阻器起粗调作用，全电阻较大的变阻器起微调作用。

4．实物图的连接：

实物图连线应掌握基本方法和注意事项。

⑴注意事项：

①连接电表应注意量程选用正确，正、负接线柱不要接错。

②各导线都应接在接线柱上，不应在导线中间出现分叉。

③对于滑动变阻器的连接，要搞清楚接入电路的是哪一部分电阻，在接线时要特别注意不能将线接到滑动触头上。

⑵基本方法：

①画出实验电路图。

②分析各元件连接方式，明确电流表与电压表的量程。

③画线连接各元件。

（用铅笔画线，以便改错）连线方式应是单线连接，连线顺序应先画串联电路，再画并联电路。

一般先从电源正极开始，到电键，再到滑动变阻器等。

按顺序以单线连接方式将干路中要串联的元件依次串联起来；然后连接支路将要并联的元件再并联到电路中去。

连接完毕，应进行检查，检查电路也应按照连线的方法和顺序。

重、难点剖析

（二）定值电阻的测量方法

1.利用所学知识,寻找所测物理量与其他量的关系,每种关系即为一种实验原理

如:

方法1欧姆定律

方法2串联电路分压原理

方法3并联电路分流原理

方法4电路替换等效规律

2.伏安法基本原理：

伏安法测电阻的基本原理是欧姆定律

，只要测出元件两端电压和通过的电流，即可由欧姆定律计算出该元件的阻值。

测量电路的系统误差控制：

（1）当

远大于

时，电流表内接；当临界阻值

时，采用电流表的内接；当采用电流表内接时，电阻测量值大于真实值，即

（如图1所示）。

（2）当

远小于

时，电流表外接；当临界阻值

时，采用电流表的外接；当采用电流表外接时，电阻的测量值小于真实值，即

（如图2所示）。

二.伏安法测电阻基本情景变式

1.无电流表。

根据伏安法测电阻的基本原理可知，无电流表时只要找到能够等效替代电流表的其他器材即可，比如：

（1）已知电阻与理想电表并联替代电流表（如图5所示）；

（2）用已知内阻的电压表替代电流表（如图6所示）；

（3）无电流表时的半偏法（测量电压表内阻）（如图8所示）。

2.无电压表。

根据伏安法测电阻的基本原理可知，无电压表时只要找到能够等效替代电压表的其他器材即可，比如：

（1）已知电阻与理想电流表串联替代电压表（如图9所示）；

（2）无电压表时的等效替代法（如图10所示）；

（3）无电压表时的半偏法（测表头内阻）（如图11所示）。

3．电流表电压表的量程不合适，则如有电阻箱或定值电阻可以扩大量程

4.电流表或电压表的内阻已知

（RA已知）（RV已知）

5..把实验题当作计算题处理。

（1）根据闭合电路欧姆定律列方程求解待测量；

（2）根据欧姆定律的变式

求解电阻。

在利用伏安法测电源的电动势和内阻的实验中，只要测出外电路的电压变化量和电流的变化量（外电压的变化量始终等于内电压的变化量），就可以求出电源的内阻

。

6.电表内阻的测量方法

1．电流表、电压表各一只，可以测量它们的内阻

2．两只同种电表，若知道一只的内阻，就可以测另一只的内阻

3．两只同种电表内阻都未知，则需要一只电阻箱才能测定电表的内阻

重、难点突破

－、根据原理设计合理的电路

【例题1】在某校开展的科技活动中，为了要测出一个未知电阻的阻值Rx，现有如下器材：

读数不准的电流表A、定值电阻R0、电阻箱R1、滑动变阻器R2、单刀单掷开关S1、单刀双掷开关S2、电源和导线。

⑴画出实验电路图，并在图上标出你所选用器材的代码。

⑵写出主要的实验操作步骤。

【解析】⑴实验电路如右图所示。

⑵①将S2与Rx相接，记下电流表指针所指位置。

②将S2与R1相接，保持R2不变，调节R1的阻值，使电流表的指针指在原位置上，记下R1的值，则Rx＝R1。

【例题2】用以下器材测量一待测电阻Rx的阻值（900～1000Ω）：

电源E，具有一定内阻，电动势约为9.0V；电压表V1，量程为1.5V，内阻r1＝750Ω；电压表V2，量程为5V，内阻r2＝2500Ω；滑动变阻器R，最大阻值约为100Ω；单刀单掷开关K，导线若干。

测量中要求电压表的读数不小于其量程的1/3，试画出测量电阻Rx的一种实验电路原理图。

【解析】如图所示

【例题3】（2000年全国）从下表中选出适当的实验器材，设计一电路来测量电流表A1的内阻r1，要求方法简捷，有尽可能高的测量精度，并能测得多组数据。

⑴在虚线方框中画出电路图，标明所用器材的代号。

器材（代号）

规格

电流表（A1）

量程10mA，内阻r1待测（约40Ω）

电流表（A2）

量程500μA，内阻r2=750Ω

电压表（V）

量程10V，内阻r3=10Ω

电阻（R1）

阻值约100Ω，作保护电阻用

滑动变阻器（R）

总阻值约50Ω

电池（E）

电动势1.5V，内阻很小

导线若干，电键K

⑵若选测量数据中的一组来计算r1，则所用的表达式为r1=____________，式中各符号的意义是____________。

【解析】⑴如图所示。

⑵

，I1表示通过电流表A1的电流，I2表示通过电流表A2的电流，

r2表示电流表A2的内阻。

【备考提示】在很多情况下，电压表和电流表（已知内阻）的功用可以互换。

有时利用一块电表配合定值电阻也可以完成功能的互换。

实际上就是部分电路欧姆定律的变形运用。

在处理时，一定要明确原理，灵活运用。

【例题4】有一电阻Rx，其阻值在100～200Ω之间，额定功率为0.25W。

要用伏安法较准确地测量它的阻值，实验器材有：

安培表A1，量程为50mA，RA1=100Ω

安培表A2，量程为1A，RA2=20Ω

电压表V1，量程为5V，RV1=10kΩ

电压表V2，量程为15V，RV2=30kΩ

变阻器R1，变阻范围0～20Ω，2A

变阻器R2，变阻范围0～1000Ω，1A

9V电源，电键，导线。

2验中应选用的电流表、电压表、变阻器分别是：

。

⑵画出所用实验电路图。

【解析】⑴允许通过电阻中电流可能的最大值由：

得，

。

因为电阻可能为200Ω，所以通过被测电阻的电流的最大值可能是35mA，应用电流表的示数来控制通过电阻的电流，因此，电流表应选A1。

又因为

所以

。

因为电阻可能为100Ω，所以允许加在电阻两端的电压的最大值可能是5V，应用电压表的示数来控制加在电阻两端的电压，因此电压表应选V1。

因为R1＜R2,且2A＞35mA,所以应选变阻器R1。

因为R1＜Rx所以滑动变阻器连接方式应选用分压电路。

因为

<

所以应选用外接电路。

⑵实验所用电路如图所示

【例题5】有一电阻Rx，其阻值在100～200Ω之间，额定功率为1W。

要较准确地测量它的阻值，实验器材有：

安培表A1，量程为100mA，RA1=100Ω

安培表A2，量程为1A，RA2=20Ω

电压表V1，量程为5V，RV1=10kΩ

变阻器R1，变阻范围0～20Ω，2A

变阻器R2，变阻范围0～1000Ω，1A

定值电阻R3=20KΩ

定值电阻R4=10Ω

15V电源，电键，导线。

⑴实验中应选用的电流表、变阻器分别是：

。

⑵画出所用实验电路图。

【例题6】用以下器材测量一待测电阻Rx的阻值（约100Ω）：

电源E，电动势约为6.0v，内阻可忽略不计；

电流表A1，量程为0—50mA，内阻r1=20Ω；

电流表A2，量程为0—300mA，内阻r2约为4Ω;

定值电阻R0阻值为20Ω；

滑动变阻器R，最大阻值为10Ω；

单刀单掷开关s，导线若干。

（1）要求测量中尽量减小误差，并测多组数据，试在虚线框中画出测量电阻Rx的一种实验电路原理图（原理图中的元件要用相应的英文字母标注）

（2）若某次测量中电流表A1的示数为I1,电流表A2的示数为I2,则由已知量和测量量计算Rx的表达式为Rx=。

二、实验数据分析（包括误差分析和规律分析）与应用

【例题7】某同学设计了一个如图甲所示的实验电路，用以测定电源电动势和内阻，使用的实验器材为：

待测干电池组（电动势约3V）、电流表（量程0.6A，内阻小于1Ω）、电阻箱（0～99.99Ω）、滑动变阻器（0～10Ω）、单刀双掷开关、单刀单掷开关各一个及导线若干。

考虑到干电池的内阻较小，电流表的内阻不能忽略。

⑴该同学按图甲连线，通过控制开关状态，测得电流表内阻约为0.20Ω。

试分析该测量产生误差的原因是_________________________________________。

⑵简要写出利用图甲所示电路测量电源电动势和内阻的实验步骤：

①_____________________________________________________________________；

②______________________________________________________________________；

⑶图乙是由实验数据绘出的

图象，由此求出待测干电池组的电动势E＝______V、内阻

r＝______Ω。

（计算结果保留三位有效数字）

【解析】由测定电源电动势和内阻实验的原理知，此种接法出现误差的原因是电流表的分压作用。

而

，

图线的斜率表示电源电动势的倒数，据此得出电动势E＝2.81V,内阻r＝2.33Ω。

若不能正确理解

图象的物理意义，则无法得出正确的答案。

因此对于实验中处理数据的图像的意义，一定要分析清楚。

【答案】⑴并联电阻箱后线路总阻值减小，从而造成总电流增大

⑵①调节电阻箱R，断开开关K，将开关S接D，记录电阻箱的阻值和电流表示数；

②断开开关D，再次调节电阻箱R，将开关S接D，记录电阻箱的阻值和电流表示数

⑶2.81、2.33

【例题8】某同学用如图所示电路，测绘标有“3.8V,0.3A”的小灯泡的灯丝电阻R随电压U变化的图象。

①除了导线和开关外，有以下一些器材可供选择：

电流表：

A1（量程100mA,内阻约2Ω）

A2（量程0.6A,内阻约0.3Ω）

电压表：

V1（量程5V,内阻约5Ω）

V2（量程15V,内阻约15Ω）

电源：

E1（电动势为1.5V，内阻为0.2Ω）

E2（电动势为4V，内阻约为0.04Ω）

为了调节方便，测量准确，实验中应选用电流表___________，电压表______________，滑动变阻器________________，电源___________________。

（填器材的符号）

②根据实验数据，计算并描绘出R-U的图象如图所示。

由图象可知，此灯泡在不工作时，灯丝电阻为___________；当所加电压为3.00V时，灯丝电阻为____________，灯泡实际消耗的电功率为___________W。

③根据R-U图象，可确定小灯泡耗电功率P与外加电压U的关系，符合该关系的示意图是下列图中的__________。

【解析】①对器材的选用应以安全、实用为原则。

小灯泡的额定电压和额定电流分别为3.8V和0.3A，故电压表应选V1，电流表A2；由于是分压接法，故滑动变阻器应选R1，便于调节，电源应选E2。

②由图象可看出：

U＝0时，小灯泡不工作，对应电阻为1.5Ω，当U＝3.0V时，对应的电阻为11.5Ω。

此时，灯泡实际消耗的功率P＝

＝0.78W。

③由R－U图线可看出，随U的增大，电阻的变化越来越小，而P＝

，随U的变化，功率P的变化将更加明显，故选A。

【例题9】小灯泡灯丝的电阻会随温度的升高而变大。

某同学为研究这一现象，用实验得到如下数据（I和U分别表示小灯泡上的电流和电压）：

I（A）

0.12

0.21

0.29

0.34

0.38

0.42

0.45

0.47

0.49

0.50

U（V）

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

2.00

⑴在左下框中画出实验电路图。

可用的器材有：

电压表、电流表、滑线变阻器（变化范围0—10Ω）、电源、小灯泡、电键、导线若干。

⑵在右图中画出小灯泡的U–I曲线。

⑶如果将本题中的小灯泡接在电动势是1.5V，内阻是2.0Ω的电池两端，小灯泡的实际功率是多少？

（简要写出求解过程；若需作图，可直接画在第⑵小题的方格图中）

【例题10】2007年诺贝尔物理学奖授予了两位发现“巨磁电阻”救应的物理学家。

材料的电阻随磁场的增加而增大的现象称为磁阻效应，利用这种效应可以测量磁感应强度。

若图l为某磁敏电阻在室温下的电阻一磁感应强度特性曲线，其中RB,R0分别表示有、无磁场时磁敏电阻的阻值。

为了测量磁感应强度B，需先测量磁敏电阻处于磁场中的电阻值RB。

请按要求完成下列实验。

（1）设计一个可以测量磁场中该磁敏电阻阻值的电路，在图2的虚线框内画出实验电路原理图（磁敏电阻及所处磁场已给出，待测磁场磁感应强度大小约为0.6～1.0T，不考虑磁场对电路其它部分的影响）。

要求误差较小。

提供的器材如下：

A.磁敏电阻，无磁场时阻值Ro=150Ω

B.滑动变阻器R，全电阻约20Ω

C.电流表．量程2.5mA，内阻约30Ω

D.电压表，量程3V，内阻约3kΩ

E.直流电源E，电动势3V，内阻不计

F.开关S，导线若干

（2）正确接线后，将磁敏电阻置入待测磁场中，测量数据如下表

根据上表可求出磁敏电阻的测量值RB=________Ω，

结合图1可知待测磁场的磁感应强度B=_________T。

（3）试结合图1简要回答，磁感应强度B在0～0.2T和0.4～1.0T范围内磁敏电阻阻直的变化规律有何不同?

（4）某同学查阅相关资料时看到了图3所示的磁敏电阻在一定温度下的电阻一磁感应强度特性曲线（关于纵轴对称），由图线可以得到什么结论?

答案：

（1）如右图所示

（2）15000.90

（3）在0～02T范围内，磁敏电阻的阻值随磁感应强度非线性变化（或不均匀变化）;在0.4～1.0T范围内，磁敏电阻的阻值随磁感应强度线性变化（或均匀变化）

（4）磁场反向．磁敏电阻的阻值不变。

针对练习

1．如图所示，图1为某一热敏电阻（电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感）的I-U关系曲线图。

⑴为了通过测量得到图1所示I-U关系的完整曲线，在图2和图3两个电路中应选择的是图_____；简要说明理由。

（设滑线变阻器两端电压恒为9V，滑线变阻器的阻值为0～100Ω）。

⑵在图4电路中，电源电压恒为9V，电流表读数为70mA，定值电阻R1=250Ω。

由热敏电阻的I-U关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为________V；电阻R2的阻值为______Ω。

⑶举出一个可以应用热敏电阻的例子：

_________________________。

【解析】⑴2；图2电路电压可从0V调到所需电压，调节范围较大。

（或图3电路不能测得0V附近的数据）⑵5.2；111.8（111.6－112.0均给分）⑶热敏温度计（提出其他实例，只要合理均给分）

2.用下列器材组装成描绘电阻R伏安特性曲线的电路，请将实物图连线成为实验电路。

微安表μA（量程200μA，内阻约200

）；

电压表V（量程3V，内阻约10K

）；

电阻R（阻值约20k

）；

滑动变阻器R（最大阻值50

，额定电流1A）．

电池组E（电动势3V，内阻不计）；

开关S及导线若干。

答案：

实物连接如图

解析：

从题目中给的电压表的内阻和电流表的内阻以及待测电阻R0的阻值可以判断测量电路要用伏安法的内接法，变阻器的电阻比较小，所以电源电路采用分压法。

3、一毫安表头满偏电流为9.90mA，内阻约为300Ω．要求将此毫安表头改装成量程为1A的电流表，其电路原理如图所示．图中，是量程为2A的标准电流表，R0为电阻箱，R为滑动变阻器，S为开关，E为电源．

⑴完善下列实验步骤：

①将虚线框内的实物图按电路原理图连线；

②将滑动变阻器的滑动头调至端（填“a”或“b”），电阻箱R0的阻值调至零；

③合上开关；

④调节滑动变阻器的滑动头，增大回路中的电流，使标准电流表读数为1A；

⑤调节电阻箱R0的阻值，使毫安表指针接近满偏，此时标准电流表的读数会（填“增大”、“减小”或“不变”）；

⑥多次重复步骤④⑤，直至标准电流表的读数为，同时毫安表指针满偏．

⑵回答下列问题：

①在完成全部实验步骤后，电阻箱使用阻值的读数为3.1Ω，由此可知毫安表头的内阻为．

②用改装成的电流表测量某一电路中的电流，电流表指针半偏，此时流过电阻箱的电流为A．

③对于按照以上步骤改装后的电流表，写出一个可能影响它的准确程度的因素：

3、⑴①连线如图②b

⑤减小

⑥1A

⑵①310Ω

②0.495（0.494～0.496均可）

③例如：

电阻箱和滑动变阻器的阻值不能连续变化；标准表和毫安表的读数误差；电表指针偏转和实际电流的大小不成正比；等等

4.有一电流表A，量程为1mA，内阻rg约为100Ω．要求测量其内阻．可选用的器材有：

电

阻箱R0，最大值为99999.9Ω；滑动变阻器甲，最大阻值为10kΩ；滑动变阻器乙，最大阻值为2kΩ；电源E1，电动势约为2V，内阻不计；电源E2，电动势约为6V，内阻不计；开关2个，导线若干．采用的测量电路图如图所示，实验步骤如下：

a．断开S1和S2，将R调到最大；

b．合上S，，调节R，使A满偏；

c．合上S2，调节R1，使A半偏，此时可以认为内阻rg=R1．试问：

（1）在上述可供选择的器材中，可变电阻R1应该选择；为了使测量尽量精确，可变电阻R应该选择，电源E应选择．

（2）认为内阻rg=R1，此结果与rg的真实值相比．（选填“偏大”“偏小”或“相等”）

5.

（1）为了测量两节串联干电池的电动势，

某同学设计了如图3所示的实验电路。

其中：

E是待测电池组，内阻不能忽略；V1、V2是两只量程都合适的电压表，内阻不是很大，且未知；

S1、S2是单刀单掷开关；导线若干。

①请根据电路图3，在图4中连线，将器材连成实验电路。

②实验中需要测量的物理量是。

③用测出的物理量作为已知量，导出计算串联电池电动势的表达式。

（写出推导过程）

。

①图略。

（2分）

②闭合S1，V1的读数U1，V2的读数U2。

（2分）

再闭合S2，V1的读数U1′。

（2分）

③设电源内阻为r，电压表V1的内阻为Rv1

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