高考物理 电学实验与创新 Word版含答案.docx
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高考物理电学实验与创新Word版含答案
第15讲 电学实验与创新
高频考点1 基本仪器的读数及多用电表的使用
1.游标卡尺、螺旋测微器的读数技巧
记住两点:
一是所有读数一定以毫米为单位并注意主尺刻度对应的毫米数,根据结果再变换单位;二是以毫米为单位,小数点后数字分别是:
螺旋测微器是3位、20分度和50分度游标卡尺是2位、10分度游标卡尺和毫米刻度尺是1位.
2.电压表、电流表、多用电表的读数技巧
(1)对电表读数问题,要先弄清楚电表的精确度,即每小格的数值,再确定估读的方法,是
、
还是
估读,明确读数的小数位数.
(2)多用电表的使用问题,在弄清其基本原理的基础上,会选择测量项目及量程、挡位,能区分机械调零和欧姆调零的区别,掌握测量电阻的步骤,此外,会看多用电表表盘,最上排不均匀刻度为测电阻时读数刻度,读出表盘刻度后应乘以挡位倍率;中间刻度是均匀的,为测量电压和电流的读数刻度,下面三排数字均为方便读数所标注;最下排刻度专为测量2.5V以下交流电压所用,一般较少使用.
1-1.(2017·济南市重点中学二模)某同学要测量一均匀新材料制成的圆柱体的电阻率ρ,首先用游标为20分度的游标卡尺测量其长度如图甲,由图甲可知其长度为________mm;用螺旋测微器测量其直径如图乙,由图乙可知其直径为________mm;用多用电表的电阻“×10”挡,按正确的操作步骤测此圆柱体的电阻,表盘的示数如图丙,则该电阻的阻值约为________Ω.
解析:
游标卡尺的读数为(50+0.05×5)mm=50.25mm,螺旋测微器的读数为(4.5+0.01×20.0)mm=4.700mm,多用电表的读数为19×10Ω=190Ω.
答案:
50.25 4.700 190
1-2.(2015·高考海南卷)某同学利用游标卡尺和螺旋测微器分别测量一圆柱体工件的直径和高度,测量结果如图(a)和(b)所示.该工件的直径为________cm,高度为________mm.
解析:
游标卡尺读数为d=12mm+4×
mm=12.20mm=1.220cm
螺旋测微器的读数为h=6.5mm+36.0×0.01mm=6.860mm
答案:
1.220 6.860
1-3.某实验小组现在要测量一根金属丝的电阻率,该金属丝的横截面是“外方内圆”,实验电路如图a乙所示,请完成以下问题.
图a
(1)游标卡尺的结构如图丙所示,要测该金属丝的内径D(如图甲所示),必须用其中________进行测量(填“A”、“B”或“C”),图中的读数为________mm.
(2)用螺旋测微器测金属丝横截面的边长,示数如图b,则边长a=________mm.
图b 图c
(3)图a乙中闭合开关前应将滑动变阻器的滑片移至最________(填“左”或“右”)端.
(4)实验中电压表和电流表的示数如图c所示,则金属丝两端的电压U=________V,流过金属丝的电流I=________A.
解析:
(1)A是测量物体外径的,B是测量物体内径的,C是测量物体深度的.该金属丝的内径D=4mm+
×10mm=4.20mm.
(2)螺旋测微器主尺的读数为14.5mm,可动刻度与主尺对齐格数为48.2格,读数为0.482mm,则用螺旋测微器测得的金属丝横截面的边长a=14.500mm+0.482mm=14.982mm.
(3)由电路结构可知滑动变阻器的连接方式为分压式,故闭合开关前应将滑动变阻器的滑片移至最左端.
(4)由图c可知,电流表的读数I=0.42A,电压表的读数U=2.28V.
答案:
(1)B 4.20
(2)14.982 (3)左 (4)2.28 0.42
1-4.(2017·西安长安一中大学区第三次联考)某物理兴趣小组设计了如图a所示的欧姆表电路,通过控制电键S和调节电阻箱,可使欧姆表具有“×1”和“×10”两种倍率.所用器材如下:
A.干电池:
电动势E=1.5V,内阻r=1.0Ω
B.电流表G:
满偏电流Ig=1mA,内阻Rg=150Ω
C.定值电阻R1=1200Ω
D.电阻箱R2和R3:
最大阻值都为999.9Ω
E.电阻箱R4:
最大阻值9999Ω
F.电键一个,红、黑表笔各1支,导线若干
(1)该实验小组按图a正确连接好电路.当电键S断开时,将红、黑表笔短接,调节电阻箱R2=__________Ω,使电流表达到满偏,此时闭合电路的总电阻叫做欧姆表的内阻R内,则R内=________Ω,欧姆表的倍率是________(选填“×1”、“×10”).
(2)闭合电键S:
第一步:
调节电阻箱R2和R3,当R2=________Ω且R3=________Ω时,将红、黑表笔短接,电流表再次满偏;
第二步:
在红、黑表笔间接入电阻箱R4,调节R4,当电流表指针指向图b所示的位置时,对应的欧姆表的刻度值为____________Ω.
解析:
(1)由闭合电路欧姆定律可知:
欧姆表的内阻为:
R内=
=
=1500Ω,
则R2=R内-R1-Rg-r=1500-1200-150-1=149Ω,
中值电阻应为1500Ω,根据多用电表的刻度设置可知,表盘上只有两种挡位,若为×1,则中性电阻太大,不符合实际,故欧姆表倍率应为“×10”.
(2)为了得到“×1”倍率,应让满偏时对应的电阻为150Ω;
电流为:
I1=
=0.01A;
此时表头中电流应为0.001A;则与之并联电阻R3电流应为:
0.01-0.001=0.009A,
并联电阻为:
R3=
=150Ω;R2+r=
=15Ω
故R2=15-1=14Ω;
图示电流为0.60mA;
则总电阻为:
R总=
×103=2500Ω
故待测电阻为:
R测=2500-1500=1000Ω;
故对应的刻度应为100.
答案:
(1)149 1500 ×10
(2)14 150 100
高频考点2 以测电阻为核心的电学实验
实验一 测定金属的电阻率
(2017·第二次全国大联考Ⅲ卷)某同学通过实验测定金属丝电阻率:
(1)用螺旋测微器测出金属丝的直径d,读数如图1所示,则直径d=____mm;
图1
(2)为了精确地测出金属丝的电阻,需用欧姆表对额定电流约0.5A的金属丝的电阻Rx粗测,下图是分别用欧姆挡的“×1”挡(图2)和“×10”挡(图3)测量时表针所指的位置,则测该段金属丝应选择________挡(填“×1”或“×10”),该段金属丝的阻值约为________Ω.
(3)除待测金属丝Rx、螺旋测微器外,实验室还提供如下器材,若滑动变阻器采用限流接法,为使测量尽量精确,电流表应选______(填“A1”或“A2”)、电源应选________(填“E1”或“E2”).
电压表V(量程3V,内阻约3kΩ)
滑动变阻器R(最大阻值约10Ω)
电流表A1(量程3A,内阻约0.05Ω)
电流表A2(量程0.6A,内阻约0.2Ω)
电源E1(电动势9V,内阻不计)
电源E2(电动势4.5V,内阻不计)
毫米刻度尺、开关S、导线
(4)若滑动变阻器采用限流接法,在下面方框内完成电路原理图(图中务必标出选用的电流表和电源的符号).
【解析】
(1)螺旋测微器固定刻度示数是0.5mm,可动刻度示数是49.9×0.01mm=0.499mm,则螺旋测微器示数为0.5mm+0.499mm=0.999mm(0.998~1.000均正确);
(2)由题图2、3所示可知,题图3所示欧姆表指针偏转角度太大,应选用题图2所示测量电阻阻值,题图2所示欧姆挡的“×1挡”,所测电阻阻值为7×1Ω=7Ω.(3)电阻丝的额定电流约为0.5A,电流表应选A2;电阻丝的额定电压约为U=IR=0.5×7V=3.5V,电源应选E2;(4)待测金属丝电阻约为7Ω,电压表内阻约为3kΩ,电流表内阻约为0.2Ω,相对来说电压表内阻远大于待测金属丝的电阻,电流表应采用外接法,由题意可知,滑动变阻器采用限流接法,实验电路图如图所示.
【答案】
(1)0.999(0.998~1.000均正确)
(2)×1 7 (3)A2 E2 (4)实验电路图如图所示
1.仪器的选择
(1)电源的选择:
一般根据待测电阻的额定电流或额定电压选择符合需要的直流电源.
(2)电表的选择:
一般根据电源的电动势或待测用电器的额定电压选择电压表;根据待测电流的最大电流选择电流表;电表的指针摆动的幅度不宜过小,一般应使指针能达到半偏以上.
2.电路的选择
(1)测量电路的选择
比较项目
电流表内接法
电流表外接法
电路
误差来源
电流表的分压
电压表的分流
测量结果
R测=
>Rx,偏大
R测=
<Rx,偏小
适用条件
Rx≥RA(测大电阻)
RV≥Rx(测小电阻)
(2)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.选用限流式时,Ux、Ix过大(超过电流表量程,烧坏电表、电源或用电器等).
2-1.(2017·第三次全国大联考卷Ⅰ)一细而均匀的导电材料,截面为圆柱体,如图所示,此材料长约5cm,电阻约为100Ω,欲测量这种材料的电阻率ρ.现提供以下实验器材
A.20分度的游标卡尺;
B.螺旋测微器;
C.电流表A1(量程50mA,内阻r1=100Ω);
D.电流表A2(量程100mA,内阻r2约为40Ω);
E.电压表V2(量程15V,内阻约为3000Ω);
F.滑动变阻器R1(0~10Ω,额定电流2A);
G.直流电源E(电动势为3V,内阻很小);
H.上述导电材料R2(长约为5cm,电阻约为100Ω);
I.开关一只,导线若干.
请用上述器材设计一个尽可能精确地测量该样品电阻率ρ的实验方案,回答下列问题:
(1)用游标卡尺测得该样品的长度如图所示,其示数L=________cm,用螺旋测微器测得该样品的外直径如图所示,其示数D=________mm.
(2)在所给的方框中画出设计的实验电路图,并标明所选择器材的物理量符号.
(3)用已知的物理量和所测得的物理量的符号表示这种材料的电阻率为ρ=________.
解析:
(1)游标卡尺的读数为:
主尺+游标尺=50mm+3×0.05mm=5.015cm;螺旋测微器的读数为:
主尺+半毫米+转筒读数=4mm+0.5mm+20.0×0.01mm=4.700mm;
(2)电压表的量程远大于电源电动势,所以电压表不适用,两个电流表中,电流表A2的满偏电流大于电流表A1的满偏电流,又电流表A1内阻为定值,根据欧姆定律与串并联知识,应将电流表A1与待测材料并联后再与电流表A2串联,又因滑动变阻器阻值太小应用分压式接法,可设计电路图如图所示:
(3)电流表A1的示数为I1,电流表A2的示数为I2,根据电阻定律R=ρ
S=
πD2,根据欧姆定律可得R2=
联立可得ρ=
.
答案:
(1)5.015 4.700
(2)见解析 (3)
实验二 测绘小灯泡的伏安特性曲线
(2017·全国Ⅰ卷)某同学研究小灯泡的伏安特性,所使用的器材有:
小灯泡L(额定电压3.8V,额定电流0.32A);电压表○V(量程3V,内阻3kΩ);电流表○A(量程0.5A,内阻0.5Ω);固定电阻R0(阻值1000Ω);滑动变阻器R(阻值0~9.0Ω);电源E(电动势5V,内阻不计);开关S;导线若干.
(1)实验要求能够实现在0~3.8V的范围内对小灯泡的电压进行测量,画出实验电路原理图.
(2)实验测得该小灯泡伏安特性曲线如图(a)所示.
由实验曲线可知,随着电流的增加小灯泡的电阻_________(填“增大”“不变”或“减小”),灯丝的电阻率__________(填“增大”“不变”或“减小”).
(3)用另一电源E0(电动势4V,内阻1.00Ω)和题给器材连接成图(b)所示的电路,调节滑动变阻器R的阻值,可以改变小灯泡的实际功率.闭合开关S,在R的变化范围内,小灯泡的最小功率为____________W,最大功率为__________W.(结果均保留2位小数)
【解析】
(1)要求能够实现在0~3.8V的范围内对小灯泡的电压进行测量,故滑动变阻器用分压式接法,小灯泡为小电阻,电流表用外接法,如图
(2)由ⅠU图象知,切线的斜率在减小,故灯泡的电阻随电流的增大而增大,再由电阻定律R=ρ
知,电阻率增大;(3)当滑动变阻器的阻值为9Ω时,电路电流最小,灯泡实际功率最小,此时E=U+I(r+R)得U=-10I+4,在图中作出该直线如图所示,
交点坐标约为U=1.75V,I=225mA,PI=UI=0.39W;整理得:
I=-
U+
当直线的斜率最大时,与灯泡的IU曲线的交点坐标最大,即灯泡消耗的功率最大.当滑动变阻器电阻值R=0时,灯泡消耗的功率最大,此时交点坐标为U=3.67V,I=0.32A,如图所示,最大的功率为P2=UI=1.17W.
【答案】
(1)
(2)增大 增大 (3)0.39W 1.17W
实验三 练习使用多用电表
(2017·全国卷Ⅲ)图(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○G的满偏电流为250μA,内阻为480Ω.虚线方框内为换挡开关,A端和B端分别于两表笔相连.该多用电表有5个挡位,5个挡位为:
直流电压1V挡和5V挡,直流电流1mA挡和2.5mA挡,欧姆×100Ω挡.
(1)图(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”连接的,则多用电表读数为____________;若此时B端是与“3”连接的,则读数为____________;若此时B端是与“5”连接的,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=
=160Ω;
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=
=120Ω,新表头的量程是1mA,所以R4=
-r=
Ω-120Ω=880Ω
(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”连接的,此时多用表是量程为2.5mA的电流表,则多用电表读数为1.49mA;若此时B端是与“3”连接的,此时多用表是欧姆×100Ω挡,则读数为11.0×100Ω;若此时B端是与“5”连接的,量程为5V电压表,则读数为2.95V.
【答案】
(1)黑
(2)B (3)160Ω 880Ω (4)1.49mA 11.0×100Ω 2.95V
2-2.(2017·第三次全国大联考卷Ⅱ)有一规格为“3V 0.25A”的小灯泡,要测绘该灯泡的伏安特性曲线,实验室提供了如下器材:
电流表(量程为0~300mA,内阻约5Ω);
电压表(量程为0~4V,内阻约3kΩ);
滑动变阻器A(最大阻值20Ω,额定电流1A);
滑动变阻器B(最大阻值1750Ω,额定电流0.3A);
学生电源E(电动势6V,内阻不计);
开关一个,导线若干.
(1)滑动变阻器应该选择________(填字母代号).
(2)请完成实物电路的连线.
(3)考虑到电流表内阻和电压表内阻,根据实物图的连接方式判断灯泡正常发光时测量的电阻阻值__________(填“偏大”或“偏小”).
(4)根据实验数据描点作图,发现灯泡的伏安特性曲线不是直线,其原因是____________________.
解析:
(1)描绘小灯泡伏安特性曲线,需要测量多组数据,滑动变阻器选择分压式接法,为方便调节,滑动变阻器选择总阻值小的A.
(2)滑动变阻器选择分压式接法;灯泡正常工作时电阻约为12Ω,(12Ω)2 (3)电流表外接,电压表和灯泡并联,电压表示数等于灯泡两端电压,但电流表示数等于通过电压表和灯泡的总电流,所以电流测量值偏大,测得的灯泡电阻会偏小. (4)通过灯泡的电流增大时,热功率增大,温度升高,而灯丝电阻随温度升高而变化,伏安特性曲线将不是一条直线. 答案: (1)A (2)如图 (3)偏小 (4)灯丝电阻随温度升高而变化 2-3.(2017·资阳市高三模拟)在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中,现除了有一个标有“5V,2.5W”的小灯泡,导线和开关外,还有: A.直流电源(电动势约为5V,内阻不计) B.直流电流表(量程0~3A,内阻约为0.1Ω) C.直流电流表(量程0~600mA,内阻约为5Ω) D.直流电压表(量程0~15V,内阻约为15kΩ) E.直流电压表(量程0~5V,内阻约为10kΩ) F.滑动变阻器(最大阻值为10Ω,允许通过的最大电流为2A) G.滑动变阻器(最大阻值为1kΩ,允许通过的最大电流为0.5A) 实验要求小灯泡两端的电压从零开始变化并能测多组数据. (1)实验中电流表应选用________,电压表应选用________,滑动变阻器应选用________.(均用序号字母表示) (2)请按要求将图甲中所示的器材连成实验电路图. (3)某同学通过实验正确作出的小灯泡的伏安特性曲线如图乙所示.现把实验中使用的小灯泡接到图丙所示的电路中,其中电源电动势E=6V,内阻r=1Ω,定值电阻R=9Ω,此时灯泡的实际功率为________W(结果保留2位有效数字). 解析: (1)使用电压表、电流表时,要求指针要超过满刻度的一半以上,此小灯泡的额定电压为5V,额定电流为0.5A,使用电压表、电流表分别选C、E;由于小灯泡两端的电压从零开始变化并能测多组数据,所以控制电路应采用分压电路,滑动变压器用F操作比较方便,故选F. (2)如图中实线所示 (3)把定值电阻R看作电源的内阻,在小灯泡的伏安特性曲线的坐标系里做出电源的路端电压与干路电流的关系图线,可得与小灯泡的伏安特性曲线的交点坐标为(2.2,0.38),此时灯泡的实际功率为P=UI=0.84W. 答案: (1)C E F (2)如图中实线所示 (3)0.81~0.87 高频考点3 以测电源电动势为核心的电学实验 (2017·泰安市高三质检)在测定电源电动势和内电阻的实验中,实验室提供了合适的实验器材. (1)甲同学按电路图a进行测量实验,其中R0=1Ω,则 ①请用笔画线代替导线在图(b)中完成电路的连接; ②由电压表的读数U和电流表的读数I,画出UI图线如图c所示,可得电源的电动势E=________V,内电阻r=________Ω.(结果保留2位有效数字) (2)乙同学将测量电路连接成如图d所示,其他操作正确,由电压表的读数U和电流表的读数I,画出UI图线如图e所示,可得电源的电动势E=________V,内电阻r=________Ω.(结果保留2位有效数字) 【解析】 (1)①根据原理图可得出对应的实物图,如图所示; ②在画出的UI图象中,纵轴的截距表示电源电动势,斜率表示内电阻,根据图象可得: E=3.00V,r+R0= = Ω=1.38Ω,且R0=1Ω, 则r=0.38Ω; (2)由乙同学的电路接法可知,R左右两部分并联后与R0串联,则可知,在滑片向右移动过程中,滑动变阻器接入电阻先增大后减小,则路端电压先增大后减小,所以出现图e所示的图象,则由图象可知,当电压为2.4V时,电流为0.5A,此时两部分电阻相等,则总电流为I1=1A;而当电压为2.3V时,电流分别对应0.33A和0.87A,则说明当电压为2.3V时,干路电流为I2=0.33+0.87=1.2A; 则根据闭合电路欧姆定律可得: 2.4=E-r,2.3=E-1.2r, 解得: E=2.9V;r=0.50Ω 【答案】 (1)①如图所示 ②3.0 0.38 (2)2.9 0.50 1.伏安法测电源电动势和内阻的要点分析 (1)以电源为研究对象,由于电源的内阻相对电压表的内阻来说小得多,根据伏安法测量的原则可知,当研究对象的电阻比电压表的内阻小得多时,应采用电流表外接法(即相对电源来说电流表在电压表的外边). (2)在利用UI图象处理数据时,应使各点均匀地分布在图线的两侧,且应把偏离图线较远的点舍掉.同时要注意纵轴起点是否为零,若不为零则图线与横轴交点的横坐标不表示短路电流,但图线的纵截距仍为电源电动势,图线斜率的绝对值仍为电源内阻. 2.改变伏安法测量电源的电动势和内阻中U或I的测量方式 (1)安阻法: 用一个电流表和电阻箱测量,电路如图1所示,测量原理为E=I1(R1+r),多次测量即可求出E和r,此种方法测得的电动势无偏差,但测量的内阻偏大. (2)伏阻法: 用一个电压表和电阻箱测量,电路如图2所示,测量原理为E=U2+ r,多次测量即可求出r和E,此种方法测得的电动势和内阻均偏小. (3)伏伏法: 用两个电压表(其中电压表○V1的内阻已知)测量,电路如图3所示,测量时先闭合S1,断开S2,测量○V1、○V2的示数分别为U31、U32,此时E=U31+U32+ r,RV为○V1的内阻;再闭合S2,○V1的示数为U31′,此时E=U31′+ r,解方程组可求得E、r,此种方法无系统误差. 3.测电源电动势与内阻实验中几种常见的处理数据的图象 电路图 图象 解析式及 斜率、纵截距 U=-rI+E⇒ = ·R+ ⇒ = · + ⇒ 3-1.(2017·第一次全国大联考卷Ⅰ)在做测量电源电动势E和内阻r的实验时,提供的器材有: 待测电源一个(电动势E约为
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