高考物理一轮复习讲义 第8章 专题强化十 电学实验基础.docx
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高考物理一轮复习讲义第8章专题强化十电学实验基础
专题强化十 电学实验基础
一、螺旋测微器的使用
1．构造:
如图1所示,B为固定刻度,E为可动刻度．
图1
2．原理:
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.读数时估读到毫米的千分位上,因此,螺旋测微器又叫千分尺．
3.读数:
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）．
如图2所示,固定刻度示数为2.0mm,半毫米刻度线未露出,而从可动刻度上读的示数为15.0,最后的读数为:
2.0mm＋15.0×0.01mm＝2.150mm.
图2
二、游标卡尺
1．构造:
主尺、游标尺（主尺和游标尺上各有一个内、外测量爪）、游标卡尺上还有一个深度尺．（如图3所示）
图3
2．用途:
测量厚度、长度、深度、内径、外径．
3．原理:
利用主尺的最小分度与游标尺的最小分度的差值制成．
不管游标尺上有多少个小等分刻度,它的刻度部分的总长度比主尺上的同样多的小等分刻度少1mm.常见的游标卡尺的游标尺上小等分刻度有10个的、20个的、50个的,其规格见下表:
刻度格数（分度）
刻度总长度
每小格与1mm的差值
精确度（可精确到）
10
9mm
0.1mm
0.1mm
20
19mm
0.05mm
0.05mm
50
49mm
0.02mm
0.02mm
4.读数:
若用x表示从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度线对齐的游标的格数,则记录结果表示为（x＋K×精确度）mm.
三、常用电表的读数
对于电压表和电流表的读数问题,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,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的电流表的读数方法相同,此量程下的精确度分别是0.1V和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,这时要求“
格估读”,即读到0.1V.
（3）对于0～0.6A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.
1．游标卡尺和螺旋测微器的读数
游标卡尺的读数应注意以下几点
（1）看清精确度
例如（图4）
图4
易错成11mm＋4×0.1mm＝11.40mm
正确的应为11.4mm,游标卡尺不需要估读,后面不能随意加零或去零;
例如（图5）
图5
易错成10mm＋12×0.05mm＝10.6mm,正确的应为10.60mm.
（2）主尺上的单位应为厘米
主尺上标识的1、2、3等数字通常是指厘米,读数时应将毫米和厘米分清,游标卡尺主尺上的最小刻度是1mm.
例如（图6）
图6
易错成5mm＋4×0.05mm＝5.20mm
正确的应为50mm＋4×0.05mm＝50.20mm.
（3）区分零刻度与标尺最前端
例如（图7）
图7
易错成13mm＋10×0.05mm＝13.50mm
正确读数为14mm＋10×0.05mm＝14.50mm.
例1
某同学测定一金属杆的长度和直径,示数如图8甲、乙所示,则该金属杆的长度和直径分别为________cm和________mm.
图8
答案 60.10 4.20
解析 刻度尺的分度值为1mm,要估读到0.1mm.
游标卡尺读数为4mm＋10×0.02mm＝4.20mm.
变式1
（2019·安徽蚌埠市第二次质检）小明用螺旋测微器测量一根导体棒的直径,刻度如图9甲所示,读数为________mm;用游标为20分度的游标卡尺测量某个圆筒的深度,部分刻度如图乙所示,读数为________cm.
图9
答案 4.224（4.222～4.226） 2.185
解析 螺旋测微器的固定刻度为4.0mm,可动刻度为22.4×0.01mm＝0.224mm,所以最终读数为4.0mm＋0.224mm＝4.224mm;这种游标卡尺的游标尺刻度是把主尺刻度19mm的长度,分为20等份,每等份为0.95mm,游标尺上第17个刻度和主尺上38mm刻度对齐,读数为38mm－17×0.95mm＝21.85mm＝2.185cm.
变式2
（2019·山东济宁第二次摸底）图10甲中螺旋测微器的读数为________mm.如图乙为用多用电表的“×1”欧姆挡正确操作后测某电阻时指针的位置,其读数为________Ω.
图10
答案 0.730 8
解析 螺旋测微器的读数为0.5mm＋23.0×0.01mm＝0.730mm;欧姆表选用“×1”欧姆挡,读数为8Ω.
2．电压表、电流表和变阻箱的读数
例2
（1）如图11甲所示的电表使用0.6A量程时,对应刻度盘上每一小格代表________A,图中表针示数为________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.
图11
（2）如图乙所示的电表使用较小量程时,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.
答案
（1）0.02 0.44 0.1 2.20
（2）0.1 1.70 0.5
8．5
解析
（1）使用0.6A量程时,刻度盘上的每一小格为0.02A,表针示数为0.44A;当使用3A量程时,每一小格为0.1A,表针示数为2.20A.
（2）电压表使用3V量程时,每小格表示0.1V,表针示数为1.70V;使用15V量程时,每小格表示0.5V,表针示数为8.5V.
例3
旋钮式电阻箱如图12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________．
图12
答案 1987 将“×1k”旋钮调到2,再将“×100”旋钮调到0 0～19998Ω
解析 接入电路的电阻为1987Ω,最简单的操作方法是将“×1k”旋钮调到2,再将“×100”旋钮调到0.每个电阻箱的最大阻值是9999Ω,用这样的两个电阻箱串联可得到的最大电阻是2×9999Ω＝19998Ω.故用两个这样的电阻箱,可得到的电阻值范围为0～19998Ω.
变式3
如图13甲是学生实验用的有两个量程的电流表刻度盘,当用“＋”和“－0.6”两接线柱时,能测的最大电流是________A,对应刻度盘上每一小格代表________A;图中表针示数为________A;当使用电流表的“＋”和“－3”两个接线柱时,对应刻度盘上每一小格代表______A,图中表针示数为________A.
图13
图乙为学生实验用的有两个量程的电压表刻度盘．当使用较小量程时,测量电压最大值不得超过________V,每小格表示________V,图中指针示数为________V;若使用的是较大量程,则表盘刻度每小格表示________V,图中指针示数为________V.
答案 0.60 0.02 0.34 0.1 1.70 3.00 0.1
2．20 0.5 11.0
1．电压表和电流表的内、外接法
（1）两种接法比较
内接法
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＝
＝
测量值小于真实值
适用条件
RA≪Rx
RV≫Rx
适用于测量
大阻值电阻
小阻值电阻
（2）两种电路的选择
①阻值比较法:
先将待测电阻的估计值与电压表、电流表内阻进行比较,若Rx较小,宜采用电流表外接法;若Rx较大,宜采用电流表内接法．简单概括为“大内偏大,小外偏小”．
②临界值计算法:
Rx<
时,用电流表外接法;Rx>
时,用电流表内接法．
③实验试探法:
按图14所示接好电路,让连接电压表的导线P先后与a、b处接触一下,如果电压表的示数有较大的变化,而电流表的示数变化不大,则可采用电流表外接法;如果电流表的示数有较大的变化,而电压表的示数变化不大,则可采用电流表内接法．
图14
例4
用内阻为3000Ω的电压表和内阻为10Ω的电流表测电阻,在图15甲、乙两种情况下,电压表的示数都是60V,电流表的示数都是0.2A,则R1的测量值为______Ω,真实值是________Ω,R2的测量值为________Ω,真实值是________Ω.
图15
答案 300 290 300 333.3
解析 题图甲:
电阻R1的测量值R1测＝
＝300Ω,真实值R1真＝R1测－RA＝290Ω;题图乙:
电阻R2的测量值R2测＝
＝300Ω,真实值R2真＝
≈333.3Ω.
2．滑动变阻器两种连接方式
（1）滑动变阻器两种接法的对比
限流接法
分压接法
对比说明
电路图
串、并联关系不同
负载R上电压调节范围（不计电源内阻）
≤U≤E
0≤U≤E
分压电路调节范围大
负载R上电流调节范围（不计电源内阻）
≤I≤
0≤I≤
分压电路调节范围大
闭合S前触头位置
b端
a端
都是为了保护电路元件
（2）滑动变阻器必须接成分压电路的几种情况:
①要求电压表能从零开始读数;
②当待测电阻Rx≫R（滑动变阻器的最大阻值）时;
③若采用限流式接法,电路中的最小电流仍超过电路中电表、电阻允许的最大电流．
（3）滑动变阻器的最大阻值和用电器的阻值差不多且要求电压不从零开始变化,通常情况下,由于限流式结构简单、耗能少,优先使用限流式．
例5
（2018·天津理综·9（3））某同学用伏安法测定待测电阻Rx的阻值（约为10kΩ）,除了Rx、开关S、导线外,还有下列器材供选用:
A．电压表（量程0～1V,内阻约10kΩ）
B．电压表（量程0～10V,内阻约100kΩ）
C．电流表（量程0～1mA,内阻约30Ω）
D．电流表（量程0～0.6A,内阻约0.05Ω）
E．电源（电动势1.5V,额定电流0.5A,内阻不计）
F．电源（电动势12V,额定电流2A,内阻不计）
G．滑动变阻器R0（阻值范围0～10Ω,额定电流2A）
（1）为使测量尽量准确,电压表选用________,电流表选用________,电源选用________．（均填器材的字母代号）
（2）在虚线框内画出测量Rx阻值的实验电路图．
（3）该同学选择器材、连接电路和操作均正确,从实验原理上看,待测电阻测量值会________其真实值（填“大于”“小于”或“等于”）,原因是__________________________________．
答案
（1）B C F
（2）见解析图 （3）大于 电压表的读数大于待测电阻两端的实际电压（其他表述正确也可）
解析
（1）若电源选用E,则通过Rx的最大电流为0.15mA,电流表选用C还达不到半偏,故电源应选用F.电压表内阻应尽可能与被测电阻阻值相差大一些且接近电源电压,故电压表选用B.由此可知电路中的电流约为1mA,故电流表选用C.
（2）因为待测电阻阻值较大,所以电流表应采用内接法．因为滑动变阻器的阻值很小,若采用限流接法接入电路起不到多大的限流作用,所以滑动变阻器应采用分压接法,实验电路图如图所示．
（3）因为电流表采用内接法,电压表测出的电压为Rx与电流表串联后两端电压,U测＞U实,而R＝
所以R测＞R实．
1．主要类型
用灵敏电流计改装为较大量程电流表、电压表和多用电表．
2．改装原理
（1）电流表的改装利用了并联电路分流的原理．
（2）电压表的改装利用了串联电路分压的原理．
例6
（2019·全国卷Ⅰ·23）某同学要将一量程为250μA的微安表改装为量程为20mA的电流表．该同学测得微安表内阻为1200Ω,经计算后将一阻值为R的电阻与该微安表连接,进行改装．然后利用一标准毫安表,根据图16（a）所示电路对改装后的电表进行检测（虚线框内是改装后的电表）．
图16
（1）根据图（a）和题给条件,将图（b）中的实物连线．
（2）当标准毫安表的示数为16.0mA时,微安表的指针位置如图17所示,由此可以推测出改装的电表量程不是预期值,而是________．（填正确答案标号）
图17
A．18mAB．21mA
C．25mAD．28mA
（3）产生上述问题的原因可能是________．（填正确答案标号）
A．微安表内阻测量错误,实际内阻大于1200Ω
B．微安表内阻测量错误,实际内阻小于1200Ω
C．R值计算错误,接入的电阻偏小
D．R值计算错误,接入的电阻偏大
（4）要达到预期目的,无论测得的内阻值是否正确,都不必重新测量,只需要将阻值为R的电阻换为一个阻值为kR的电阻即可,其中k＝________.
答案
（1）连线如图所示
（2）C （3）AC （4）
解析
（1）量程为250μA的微安表改装成量程为20mA的电流表,量程扩大了80倍,需要将定值电阻与微安表并联,然后根据题图（a）的原理图连线．
（2）当标准毫安表示数为16.0mA时,对应的微安表读数为160μA,说明量程扩大了100倍,因此所改装的电表量程是25mA,选项C正确．
（3）根据IgRg＝（I－Ig）R得:
I＝
＋Ig
出现该情况可能是微安表内阻测量错误,实际电阻大于1200Ω,或者并联的电阻R计算错误,接入的电阻偏小,选项A、C正确．
（4）设微安表的满偏电压为U,则对并联的电阻R有
U＝（25－0.25）×10－3R
U＝（20－0.25）×10－3kR
解得k＝
.
变式4
（2019·全国卷Ⅲ·23）某同学欲将内阻为98.5Ω、量程为100μA的电流表改装成欧姆表并进行刻度和校准,要求改装后欧姆表的15kΩ刻度正好对应电流表表盘的50μA刻度．可选用的器材还有:
定值电阻R0（阻值14kΩ）,滑动变阻器R1（最大阻值1500Ω）,滑动变阻器R2（最大阻值500Ω）,电阻箱（0～99999.9Ω）,干电池（E＝1.5V,r＝1.5Ω）,红、黑表笔和导线若干．
图18
（1）欧姆表设计
将图18中的实物连线组成欧姆表．欧姆表改装好后,滑动变阻器R接入电路的电阻应为________Ω;滑动变阻器选________（填“R1”或“R2”）．
（2）刻度欧姆表表盘
通过计算,对整个表盘进行电阻刻度,如图19所示．表盘上a、b处的电流刻度分别为25和75,则a、b处的电阻刻度分别为________、________.
图19
（3）校准
红、黑表笔短接,调节滑动变阻器,使欧姆表指针指向________kΩ处;将红、黑表笔与电阻箱连接,记录多组电阻箱接入电路的电阻值及欧姆表上对应的测量值,完成校准数据测量．若校准某刻度时,电阻箱旋钮位置如图20所示,则电阻箱接入的阻值为________Ω.
图20
答案
（1）如图所示 900 R1
（2）45 5 （3）0 35000.0
解析
（1）由题知当两表笔间接入15kΩ的电阻时,电流表示数为50μA,由闭合电路欧姆定律有
＝
代入数据解得R＝900Ω,所以滑动变阻器选择R1.
（2）欧姆表的内阻Rg′＝Rg＋r＋R0＋R＝15kΩ,当电流为25μA时,有
＝
可得Rx′＝45kΩ;当电流为75μA时,有
＝
可得Rx″＝5kΩ.
（3）红、黑表笔短接,调节滑动变阻器,使欧姆表指针指向0kΩ处．题图中电阻箱读数为
35000.0Ω.
1．电学实验仪器的选择
选择电学实验器材主要是选择电表、滑动变阻器、电源等,一般要考虑四方面因素:
（1）安全因素:
通过电源、电阻和电表的电流不能超过其允许的最大电流．
（2）误差因素:
选用电表量程应考虑尽可能减小测量值的相对误差,电压表、电流表在使用时,其指针应偏转到满偏刻度的
以上;使用欧姆表时应选用指针尽可能在中间刻度附近的倍率挡位．
（3）便于操作:
选用滑动变阻器时应考虑对外供电电压的变化范围既能满足实验要求,又便于调节．在调节滑动变阻器时,应使其大部分电阻线都被用到．
（4）实验实际:
除以上三个因素外,还应注重实验实际,如所用的电源与滑动变阻器的匹配问题等．
2．实物图连接的注意事项
（1）画线连接各元件,一般先从电源正极开始,按照电路原理图依次到开关,再到滑动变阻器,按顺序以单线连接方式将主电路中串联的元件依次串联起来;其次将要并联的元件再并联到电路中去．
（2）连线时要将导线接在接线柱上,两条导线不能交叉．
（3）要注意电表的量程和正、负接线柱,要使电流从电表的正接线柱流入,从负接线柱流出．
例7
为测量某微安表G（量程200μA,内阻大约2200Ω）的内阻,有以下器材可供选择:
A．电压表（0～3V）;
B．电压表（0～15V）;
C．滑动变阻器（0～10Ω）;
D．滑动变阻器（0～1kΩ）;
E．电源E（电动势约为6V）
F．电阻箱RZ（最大阻值为9999Ω）
开关S一个,导线若干．
图21
（1）按图21甲所示电路图将图乙中的实物连线．
（2）实验过程为:
合上开关S,先调节R使电压表读数为U,再调节电阻箱（此时电压表读数几乎不变）,使微安表指示为满偏,记下此时电阻箱阻值为R1＝8056Ω;
然后再调节R,使电压表读数为
U,再调节电阻箱（此时电压表读数几乎不变）,使微安表指示为满偏,记下此时电阻箱阻值为R2（如图22所示）．
图22
电压表应选________,滑动变阻器应选________．（填字母代号）
电阻箱的读数R2＝________Ω,待测微安表的内阻Rg＝________Ω.
答案
（1）见解析图
（2）A C 4653 2153
解析
（1）根据电路图,实物连线如图所示
（2）因为电源电动势约为6V,B电压表量程太大,故电压表选A,但操作时,需注意不能超过A电压表的量程．要使调节电阻箱时电压表读数几乎不变,微安表内阻应远大于滑动变阻器阻值,故滑动变阻器选C;由题图可知,电阻箱的读数R2＝4653Ω;
由题意有（Rg＋R1）Ig＝U,（Rg＋R2）Ig＝
U,
联立解得,待测微安表的内阻Rg＝2153Ω.
变式5
（2019·河北中原名校联盟下学期联考）实验台上备有下列器材:
A．电流表（量程500μA,内阻约为300Ω）;
B．电流表（量程100μA,内阻约为1kΩ）;
C．电压表（量程15V,内阻约100kΩ）;
D．电压表（量程6V,内阻约6kΩ）;
E．直流电源（15V,允许最大电流1A）;
F．滑动变阻器（最大阻值100Ω,额定功率1kW）
G．开关和导线若干．
某同学用供选器材设计了测一个阻值约30kΩ电阻的实验,电路如图23所示（电路还没有完全接好）．
（1）实验中所用的电流表应选________,电压表应选________．（填器材前的字母）
（2）请用笔画线代替导线将尚未连接好的电压表连入电路中．
图23
（3）开关闭合前,滑动变阻器的滑片P应置于________（填“a”或“b”）处．
（4）正确连接电路后,无论如何调节滑动变阻器的滑片,电压表和电流表示数均不能取到较小值,其原因可能是导线________（填图中导线代号）没有连接好．
答案
（1）A C
（2）见解析图 （3）b （4）④
解析
（1）待测电阻Rx的阻值约为30kΩ,直流电源电动势为15V,经粗略计算电路中的最大电流约为Imax＝
＝500μA,所以电流表选择A;由于电压表D的量程不足,所以电压表选择C.
（2）在题图所示电路中,电流表内阻为300Ω,电压表内阻为100kΩ,由串、并联电路规律得,电流表的分压作用小于电压表的分流作用,故电流表应采用内接法,实物连线如图所示．
（3）实验前,分压电路的电压应该是0,故滑动变阻器的滑片P应置于b端．
（4）实验中无论如何调节滑动变阻器的滑片,电压表和电流表示数均不能取到较小值,是由于滑动变阻器接成限流式,因此是导线④没有连接好．
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