2020版高考物理二轮复习 专题六 物理实验 第2讲 电学实验学案

2020版高考物理二轮复习 专题六 物理实验 第2讲 电学实验学案

第2讲　电学实验 网络构建 ‎[规律方法]‎ 明确三个“选择”‎ ‎(1)实验器材的选择 ‎①电源的选择 ‎②电表的选择 ‎(2)电流表内接法与外接法的选择 ‎(3)控制电路的选择 ‎①从节能的角度考虑，优先选用限流式。‎ ‎②以下三种情况必须用分压式：‎ a.要求待测电路的U、I从0变化；‎ b.R滑≤Rx；‎ c.选用限流式，Ux、Ix过大(超过电流表量程，烧坏电表、电源或用电器等)。‎ 24‎ ‎　基本仪器的使用及读数 ‎【典例】 (2017·全国卷Ⅲ，23)图1(a)为某同学组装完成的简易多用电表的电路图。图中E是电池；R1、R2、R3、R4和R5是固定电阻，R6是可变电阻；表头的满偏电流为250 μA，内阻为480 Ω。虚线方框内为换挡开关，A端和B端分别与两表笔相连。该多用电表有5个挡位，5个挡位为：直流电压1 V挡和5 V挡，直流电流1 mA挡和2.5 mA 挡，欧姆×100 Ω挡。‎ 图1‎ ‎(1)图1(a)中的A端与________(填“红”或“黑”)色表笔相连接。‎ ‎(2)关于R6的使用，下列说法正确的是________(填正确答案标号)。‎ A.在使用多用电表之前，调整R6使电表指针指在表盘左端电流“‎0”‎位置 B.使用欧姆挡时，先将两表笔短接，调整R6使电表指针指在表盘右端电阻“‎0”‎位置 C.使用电流挡时，调整R6使电表指针尽可能指在表盘右端电流最大位置 ‎(3)根据题给条件可得R1＋R2＝________Ω，R4＝________Ω。‎ ‎(4)某次测量时该多用电表指针位置如图(b)所示。若此时B端是与“‎1”‎相连的，则多用电表读数为__________；若此时B端是与“‎3”‎相连的，则读数为________；若此时B端是与“‎5”‎相连的，则读数为____________。(结果均保留3位有效数字)‎ 解析　(1)与欧姆表内电源正极相连的是黑表笔。‎ ‎(2)R6是可变电阻，它的作用就是欧姆表调零的作用，也就是使用欧姆挡时，先将两表笔短接，调整R6使电表指针指在表盘右端电阻“‎0”‎位置。‎ ‎(3)换挡开关接2时，是量程较小的电流表，所以 R1＋R2＝＝160 Ω；‎ 换挡开关接4时，是量程较小的电压表，这时表头与R1、R2并联组成新表头，新表头的内阻 ‎ r＝＝120 Ω，‎ 新表头的量程是1 mA，所以 24‎ R4＝－r＝ Ω－120 Ω＝880 Ω ‎(4)某次测量时该多用电表指针位置如图(b)所示。若此时B端与“‎1”‎相连，则多用电表是量程为2.5 mA的电流表，则读数为1.47 mA；若此时B端与“‎3”‎相连接，多用电表是欧姆×100 Ω挡，则读数为11.0×100 Ω即1.10×103 Ω；若此时B端与“‎5”‎相连接，多用电表是量程为5 V电压表，则读数为2.95 V。‎ 答案　(1)黑 　(2)B　(3)160 Ω　880 Ω　(4)1.47 mA ‎1.10×103 Ω　2.95 V 某同学做“描绘小灯炮的伏安特性曲线”的实验：‎ ‎(1)该同学先用多用电表粗测小灯泡的电阻，他将多用电表的选择开关打到欧姆挡“×‎1”‎倍率挡处，测量结果如图2甲所示，则小灯泡的灯丝电阻为R＝________ Ω。‎ ‎(2)他根据测量结果连接好了如图乙所示的实物图，请根据图乙画出实验电路图。‎ 图2‎ ‎(3)调节滑动变阻器得到了两组电流表和两组电压表的示数如图3中的①、②、③、④所示，电流表的量程为0～‎0.6 A，电压表的量程为0～3 V，所示读数为①________、②________、③________、④________。两组数据得到的电阻分别是________和________。‎ 图3‎ 解析　(1)根据多用电表读数的规则可知，小灯泡的电阻为R＝10 Ω。‎ 24‎ ‎(2)从实物图中可知电压表测量灯泡两端的电压，电流表采用外接法，滑动变阻器采用分压式接法，故电路图如图所示。‎ ‎(3)电流表的量程为0～‎0.6 A，所以每小格的分度值为‎0.02 A，故①的读数为‎0.10 A，②的读数为‎0.24 A；电压表的量程为0～3 V，则每一小格表示0.1 V，所以③的读数为2.00 V，在④中电压表接0～3 V量程时，指针在0～1 V之间，故固定刻度值是0.2 V，估读数为0.07，则总读数为0.27 V。根据欧姆定律可知①④为同一组数据，故得到的电阻为R1＝＝ Ω＝2.7 Ω；②③为同一组数据，故得到的电阻为R2＝＝ Ω＝8.3 Ω。‎ 答案　(1)10　(2)见解析图　(3)‎0.10 A　‎0.24 A　2.00 V　0.27 V　2.7 Ω　8.3 Ω 电表的读数方法 ‎(1)读数时应使视线垂直刻度盘表面。‎ ‎(2)估读问题：最小分度为“‎1”‎的仪器，测量误差出现在最小分度值的下一位，在下一位按十分之一估读；最小分度值为“‎2”‎“‎5”‎的仪器，测量误差出现在最小分度的同一位，在同一位按二分之一、五分之一估读。‎ ‎　以测电阻为核心的实验(含电表的改装)‎ ‎【典例1】 (2018·全国卷Ⅱ，22)某同学组装一个多用电表。可选用的器材有：微安表头(量程100 μA，内阻900 Ω)；电阻箱R1(阻值范围0～999.9 Ω)；电阻箱R2(阻值范围0～99 999.9 Ω)；导线若干。‎ 要求利用所给器材先组装一个量程为1 mA的直流电流表，在此基础上再将它改装成量程为3 V的直流电压表。组装好的多用电表有电流1 mA和电压3 V两挡。‎ 回答下列问题：‎ ‎(1)在虚线框内画出电路图并标出R1和R2，其中*为公共接线柱，a和b分别是电流挡和电压挡的接线柱。‎ 24‎ 图4‎ ‎(2)电阻箱的阻值应取R1＝______ Ω，R2＝________ Ω。(保留到个位)‎ 解析　(1)微安表头改装成电流表需要并联一个小电阻，电流表改装成一个电压表需要串联一个大电阻，所以并联的电阻箱应为R1，串联的电阻箱应为R2，电路如图所示。‎ ‎(2)微安表头改装成电流表需要并联一个小电阻R1＝＝100 Ω，电流表改装成一个电压表应串联一个大电阻R2＝＝2 910 Ω。‎ 答案　(1)如解析图所示　(2)100　2 910‎ ‎【典例2】 (2018·全国卷Ⅲ，23)一课外实验小组用如图5所示的电路测量某待测电阻Rx的阻值，图中R0为标准定值电阻(R0＝20.0 Ω)；可视为理想电压表；S1为单刀开关，S2为单刀双掷开关；E为电源；R为滑动变阻器。采用如下步骤完成实验：‎ ‎(1)按照实验原理线路图(a)，将图(b)中实物连线；‎ 图5‎ ‎(2)将滑动变阻器滑动端置于适当的位置，闭合S1；‎ ‎(3)将开关S2掷于1端，改变滑动变阻器滑动端的位置，记下此时电压表的示数U1；然后将S2掷于2端，记下此时电压表的示数U2；‎ ‎(4)待测电阻阻值的表达式Rx＝________(用R0、U1、U2表示)；‎ ‎(5)重复步骤(3)，得到如下数据：‎ 24‎ ‎1‎ ‎2‎ ‎3‎ ‎4‎ ‎5‎ U1/V ‎0.25‎ ‎0.30‎ ‎0.36‎ ‎0.40‎ ‎0.44‎ U2/V ‎0.86‎ ‎1.03‎ ‎1.22‎ ‎1.36‎ ‎1.49‎ ‎3.44‎ ‎3.43‎ ‎3.39‎ ‎3.40‎ ‎3.39‎ ‎(6)利用上述5次测量所得的平均值，求得Rx＝________ Ω。(保留1位小数)‎ 解析　开关S2掷于1端，由欧姆定律可得通过Rx的电流I＝，将开关S2掷于2端，R0和Rx两端电压为U2，Rx两端电压为U＝U2－U1，由欧姆定律可得待测电阻阻值Rx＝＝R0＝R0。5次测量所得的平均值为(3.44＋3.43＋3.39＋3.40＋3.39)＝3.41，代入得Rx＝(3.41－1)×20.0 Ω＝48.2 Ω。‎ 答案　(1)实物连线如图　(4)R0　(6)48.2‎ 连接实物图四点注意 ‎(1)各导线都应接在接线柱上。‎ ‎(2)不应在导线中间出现分叉，且导线不能跨过仪器。‎ ‎(3)连接电表应注意量程选用正确，正、负接线柱不要接错。‎ ‎(4)开关要控制整个电路。‎ ‎1.(2018·湖南五校联考)为了精确测量一电阻的阻值Rx，现有以下器材：蓄电池组E，电流表A，电压表V，滑动变阻器R，电阻箱RP，开关S1、S2，导线若干。某实验小组设计了如图6甲所示的电路，实验的主要步骤如下：‎ a.闭合S1，断开S2，调节R和RP，使电流表和电压表的示数适当，记下两表示数分别为I1、‎ 24‎ U1；‎ b.保持S1闭合、RP阻值不变，闭合S2，记下电流表和电压表示数分别为I2、U2。‎ ‎(1)按图甲所示的电路图将如图乙所示的实物连成电路。‎ ‎(2)被测电阻的阻值Rx＝________(用两电表的示数表示)。‎ ‎(3)由于电流表、电压表都不是理想电表，则被测电阻的阻值Rx的测量值________真实值(选填“大于”“小于”或“等于”)。‎ 图6‎ 解析　(1)如图所示。‎ ‎(2)由题意易知RP＝，又RP、Rx并联的阻值为R并＝，又＋＝，联立解得Rx＝。‎ ‎(3)若考虑电流表和电压表不是理想电表，则在分析时应考虑电压表的内阻，即在第(2)问的分析中表示的就是RP和RV并联时的总电阻，结合后面的分析可知此时Rx的测量值仍等于真实值。‎ 答案　(1)见解析图　(2)　(3)等于 ‎2.实验室有一完好的PTC热敏电阻，某同学根据其型号查阅得到该热敏电阻在常温下的伏安特性曲线如图7甲所示。‎ 24‎ 图7‎ ‎(1)用多用电表欧姆“×‎10”‎挡，按正确操作测量该热敏电阻的阻值，结果指针指在图乙中的虚线位置，为了使测量结果更准确，多用电表的选择开关应打向欧姆“×________”挡，若调挡后指针指在图乙中的实线位置，电阻测量结果为________ Ω。‎ ‎(2)若将热敏电阻与一电动势E0＝15 V、内阻r＝15 kΩ的直流信号源串联成一闭合电路，则通过热敏电阻的电流为________ mA，此时热敏电阻的阻值为________ Ω。‎ ‎(3)该同学欲用伏安法验证热敏电阻伏安特性曲线是否与资料中的一致，实验室提供的器材如下：‎ A.热敏电阻R1‎ B.电压表V(量程0～15 V，内阻约15 kΩ)‎ C.电流表A1(量程0～30 mA，内阻约30 Ω)‎ D.电流表A2(量程0～5 mA，内阻约100 Ω)‎ E.滑动变阻器R(0～40 Ω，额定电流‎2 A)‎ F.电源E(电动势20 V，内阻不计)‎ 请完成丙图中的实物电路图。‎ 解析　(1)由题图乙知多用电表的欧姆挡指针指在虚线位置时偏角过小，由于指针指在表盘中央附近时测量电阻的阻值较准确，应换用欧姆“×100”挡；若指针指在题图乙中的实线位置，电阻的测量结果为22×100 Ω＝2.2 kΩ。‎ ‎(2)根据U＝E0－Ir＝15－1.5×103I(V)，作其图线如图所示，则两图线的交点即为热敏电阻两端的实际电压和电流，由图知，通过热敏电阻的电流为4 mA，电压为9‎ 24‎ ‎ V，热敏电阻的阻值为＝2 250 Ω。‎ ‎(3)为描绘热敏电阻的伏安特性曲线，要求电压从零开始变化，所以滑动变阻器应采用分压式接法；由题图甲知，测量的最大电流为4.5 mA，所以应选用电流表A2；由于＝6.8<＝22，所以电流表应采用内接法。实物电路图见答案。‎ 答案　(1)100　2 200　(2)4　2 250　(3)如图所示 ‎　以测电源的电动势和内阻为核心的实验 ‎【典例】 (2018·江苏单科，10)一同学测量某干电池的电动势和内阻。‎ ‎(1)如图8所示是该同学正准备接入最后一根导线(图中虚线所示)时的实验电路。请指出图中在器材操作上存在的两个不妥之处。‎ ‎(2)实验测得的电阻箱阻值R和电流表示数I，以及计算的数据见下表：‎ R/Ω ‎8.0‎ ‎7.0‎ ‎6.0‎ ‎5.0‎ ‎4.0‎ I/A ‎0.15‎ ‎0.17‎ ‎0.19‎ ‎0.22‎ ‎0.26‎ /A－1‎ ‎6.7‎ ‎6.0‎ ‎5.3‎ ‎4.5‎ ‎3.8‎ 24‎ 根据表中数据，在方格纸上作出R－关系图象。由图象可计算出该干电池的电动势为________ V；内阻为________ Ω。‎ ‎(3)为了得到更准确的测量结果，在测出上述数据后，该同学将一只量程为100 mV的电压表并联在电流表的两端。调节电阻箱，当电流表的示数为‎0.33 A时，电压表的指针位置如图9所示，则该干电池的电动势应为________ V，内阻应为________ Ω。‎ 解析　(1)在连接电路前，首先要断开开关，电路中串联的电阻箱或滑动变阻器阻值要调节到最大，所以操作中存在的不妥之处是：①开关未断开；②电阻箱阻值为零。‎ ‎(2)根据测量得到的数据，利用描点法先在坐标图中画出数据点，然后用直尺过尽可能多的点画出倾斜的直线，如图所示。对题图8，利用闭合电路欧姆定律，可得E＝I(R＋r)，变化成R＝E·－r，对照作出的R－图象，可知R－图象的斜率等于电池的电动势，可得E＝1.4 V，R － 图象在纵轴的截距的绝对值等于电池的内阻，可得r＝1.2 Ω。‎ ‎(3)根据电压表的读数规则，题图9中电压表读数U＝66 mV，由题述知I＝‎0.33 A，根据欧姆定律可得电流表内阻RA＝＝0.2‎ 24‎ ‎ Ω。对题图8，考虑到电流表内阻，利用闭合电路欧姆定律，可得E＝I(R＋r＋RA)，变化成R＝E·－(r＋RA)，对照作出的R－图象，可知R－图象的斜率等于电池的电动势，可得E＝1.4 V；R－图象在纵轴的截距的绝对值等于电池的内阻与电流表内阻之和，可得电池的内阻为1.0 Ω。‎ 答案　(1)①开关未断开；②电阻箱阻值为零。‎ ‎(2)如解析图所示　1.4(1.36～1.44都算对)　1.2(1.0～1.4都算对)‎ ‎(3)1.4(1.36～1.44都算对)　1.0‎ 某研究性学习小组想测量某电源的电动势E及内阻r，实验室提供的器材有：‎ A.待测电源E，电动势约为9 V，内阻约为2 Ω，允许通过的最大电流为‎2.5 A B.量程为3 V、内阻为3 kΩ的电压表 C.定值电阻R1＝3.0 kΩ D.定值电阻R2＝6.0 kΩ E.定值电阻R3＝9.0 kΩ F.一电阻箱R，阻值范围为0～9 999.9 Ω G.一只开关S、若干导线 ‎(1)在虚线框内画出测量电源电动势及内阻的实验原理电路图，图中标明相关器材的字母符号。‎ ‎(2)某同学根据记录的电压表和电阻箱的多组数据，以为纵轴，以为横轴作出了－图象，并得到该图象的斜率为k，纵轴截距为b，则该电源电动势E＝________，内阻r＝________(用k、b表示)。‎ ‎(3)因为电压表的分流作用，则电源电动势的测量值________(选填“大于”“等于”或“小于”)真实值，电源内阻的测量值________(选填“大于”“等于”或“小于”)真实值。‎ 解析　(1)因为提供的器材中没有电流表，故要采用电压表和电阻箱测量电源的电动势和内阻，但所给电压表量程太小，所以将电压表与定值电阻R2串联，扩大成量程为9 V的电压表。‎ 24‎ ‎(2)根据闭合电路欧姆定律可得E＝3U＋r，变形得＝＋·，所以以为纵轴，为横轴作出的－图象的纵截距为b＝，斜率k＝，解得E＝，r＝。‎ ‎(3)因为电压表的分流作用，所以有E＝3U＋(＋)r，整理得＝＋＋·，对比＝＋·，可知测量得到的电源电动势和内阻均偏小。‎ 答案　(1)如图所示 ‎(2)　　(3)小于　小于 ‎ ‎ 用好一个“电阻”‎ 在高考电学设计性实验中，常以定值电阻的合理使用为背景来命题。求解这类问题的关键是必须弄清定值电阻在设计电路中的主要作用，一般来说，定值电阻有三种作用：‎ ‎　电学创新类实验 通过对近几年的高考实验试题的研究发现，高考电学创新类实验试题有两个显著的特点：‎ 第一，基于教材中的电学实验，着重考查实验原理的改进、实验步骤过程的设置、误差分析。‎ 第二，重视电学实验的实验方法，问题设置结合科技、生产、生活的实际；因此，理解实验原理，掌握实验方法，是解决电学创新类实验的关键。‎ ‎【典例】 (2018·全国卷Ⅰ，23)某实验小组利用如图10所示的电路探究在25 ℃～‎80 ℃‎范围内某热敏电阻的温度特性。所用器材有：置于温控室(图中虚线区域)中的热敏电阻RT，其标称值(‎25 ℃‎时的阻值)为900.0 Ω；电源E(6 V，内阻可忽略)；电压表(量程150 mV)；定值电阻R0(阻值20.0 Ω)，滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 Ω)；电阻箱R2(阻值范围0～999.9 Ω)；单刀开关S1，单刀双掷开关S2。‎ 实验时，先按图10连接好电路，再将温控室的温度t升至‎80.0 ℃‎。将S2‎ 24‎ 与1端接通，闭合S1，调节R1的滑片位置，使电压表读数为某一值U0；保持R1的滑片位置不变，将R2置于最大值，将S2与2端接通，调节R2，使电压表读数仍为U0；断开S1，记下此时R2的读数。逐步降低温控室的温度t，得到相应温度下R2的阻值，直至温度降到‎25.0 ℃‎。实验得到的R2－t数据见下表。‎ t/℃‎ ‎25.0‎ ‎30.0‎ ‎40.0‎ ‎50.0‎ ‎60.0‎ ‎70.0‎ ‎80.0‎ R2/Ω ‎900.0‎ ‎680.0‎ ‎500.0‎ ‎390.0‎ ‎320.0‎ ‎270.0‎ ‎240.0‎ 回答下列问题：‎ ‎(1)在闭合S1前，图10中R1的滑片应移动到________(填“a”或“b ”)端；‎ ‎(2)在图11的坐标纸上补齐数据表中所给数据点，并做出R2－t曲线；‎ ‎(3)由图11可得到RT在‎25 ℃‎～‎80 ℃‎范围内的温度特性。当t＝‎44.0 ℃‎时，可得RT＝________ Ω；‎ ‎(4)将RT握于手心，手心温度下R2的相应读数如图12所示，该读数为________ Ω，则手心温度为________ ℃。‎ 解析　(1)题图10的电路滑动变阻器采用限流接法，在闭合S1前，R1应该调节到接入电路部分的阻值最大，使电路中电流最小，即题图10中R1的滑片应移到b端。‎ ‎(2)将t＝‎60 ℃‎和t＝‎70 ℃‎对应的两组数据画在坐标图上，然后用平滑曲线过尽可能多的数据点画出R2－t曲线。‎ ‎(3)根据题述实验过程可知，测量的R2的数据等于对应的热敏电阻RT的阻值。由画出的R2－t曲线可知，当t＝‎44.0 ℃‎ 时，对应的RT＝450 Ω。‎ 24‎ ‎(4)由图12知R2＝620.0 Ω，由画出的R2－t曲线可知，当R2＝620.0 Ω时，手心温度t＝‎33.0 ℃‎。‎ 答案　(1)b　(2)如图　(3)450　(4)620.0　33.0‎ ‎(2018·广州凯里市模拟)如图13中矩形框内存在一沿水平方向且与金属棒垂直的匀强磁场，金属棒放在电子秤上。现通过测量通电导线在磁场中所受的安培力，来测量磁场的磁感应强度大小并判定其方向。‎ 图13‎ ‎(1)在图中画线连接完成实验电路图，要求接通电源后电流由a流向b。‎ ‎(2)完成下列主要实验步骤中的填空：‎ ‎①按图接线；‎ ‎②保持开关S断开，读出电子秤示数m0；‎ ‎③闭合开关S，调节R的阻值使电流大小适当，此时电子秤仍有读数，然后读出并记录________________、________________(填物理量名称及符号)；‎ ‎④用米尺测量__________________________________(填物理量名称及符号)。‎ ‎(3)用测量的物理量和重力加速度g表示磁感应强度的大小，可以得到B＝________________。‎ ‎(4)判断磁感应强度方向的方法是：若________，磁感应强度方向垂直金属棒向外；反之，磁感应强度方向垂直金属棒向里。‎ 24‎ 解析　(1)如图所示 ‎(2)③记录电流表的示数I以及此时电子秤的示数m1。④金属棒的长度l。‎ ‎(3)测磁感应强度原理：开关断开时，电子秤称出金属棒质量；接通电源后，若磁感应强度的方向垂直于金属棒向里，所受安培力向下，则有m‎0g＋BIl＝m‎1g，所以B＝g；接通电源后，若磁感应强度的方向垂直于金属棒向外，则安培力向上，则有m‎0g－BIl＝m‎1g，得到B＝g；所以磁感应强度的大小B＝g。‎ ‎(4)m1

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