高三物理电学设计性实验

高三物理电学设计性实验

电学设计性实验 要点一 测量电阻的特殊方法 即学即用 1.测电流表和电压表的内阻,如果有可以作为标准的已知电阻的电表,都可以使用比例法.请分别画出你设计 的用比例法测它们内阻的电路图,并说明需要测量的物理量,写出用测量量表示电表内阻的公式. 答案 电压表可显示电阻两端的电压值,电流表可显示电阻中通过的电流,所以测电流表内阻应把两电流表 并联,测电压表内阻应把两电压表串联,电路图分别如下图甲、乙所示. 测电流表内阻时,应调节滑动变阻器 R1,使两电流表的指针都有较大偏转,记录下两电流表的示数 I1 和 I2,根 据并联电路分流原理,若已知电流表 A1 的内阻为 r1,则电流表 A2 的内阻 r2= 1 2 1 rI I . 测电压表内阻时,应调节滑动变阻器 R2,使两电压表的指针都有较大偏转,记录下两电压表的示数 U1 和 U2,根 据串联电路分压原理,若已知电压表 V1 的内阻 r1,则电压表 V2 的内阻 r2= 1 2 U U r1. 要点二 设计性电学实验 即学即用 2.现有一阻值 R=10.0Ω的定值电阻、一个开关、若干根导线和一个电压表,该电压表表盘上有刻度但无刻度 值,要求设计一个能测定某电源内阻的实验方案（已知电压表内阻很大,电压表量程大于电源电动势,电源内 阻约为几欧）.要求: （1）画出实验电路图. （2）简要写出完成接线后的实验步骤. （3）写出用测得的量计算电源内阻的表达式 r= . 答案 （1）电路图如右图所示 （2）实验步骤为: ①断开开关,记下电压表偏转格数 N1 ②合上开关,记下电压表偏转格数 N2 ③利用公式 r RN NN 2 21  计算电源内阻,式中 R=10.0Ω. （3） RN NN 2 21  题型 1 仪表的选择 【例 1】实验室中现有器材如右图所示有:电池 E,电动势约 10 V, 内阻约 1Ω;电流表 A1,量程约 10 A,内阻 r1 约为 0.2Ω;电流 表 A2,量程 300 mA,内阻 r2 约 5Ω;电流表 A3,量程 250 mA,内 阻 r3 约 5Ω;电阻箱 R1;最大阻值 999.9Ω,最小阻值改变量为 0.1Ω; 滑动变阻器 R2,最大值 100Ω;开关 S;导线若干.要求用下图所示的电路测量图中电流表 A 的内阻. （1）在所给的三个电流表中,哪几个可以用此电路精确测出其内阻? （2）在可测的电流表中任选一个作为测量对象,在实物图上连成测量电路. （3）你要读出的物理量是 .用这些物理量表示待测内阻的计算公式是 . 答案 该题要求根据电路图设想出实验原理.属于有一定提示的设计型实验.与我们学过的伏安法测电阻相 比较,这里被测电阻是电流表的内阻,它能显示出通过自身的电流,因此只要知道其上的电压就行,但没有电 压表,却有另一只电流表.根据电路图可以看出,图中表 A 是被测表,则其上电压就是电阻箱上电压,利用两 只电流表的读数差和电阻箱上显示的阻值可以求出该电压,这样就可以求出电流表的内阻. （1）电流表 A1 不能精确测出其内阻,因这时图中的电流表 A′应为 A2、A3 中的一只,这使得电流表 A1 中的电 流不能超过 300 mA,其指针的偏转极其微小,误差很大.而 A2、A3 可用此电路精确测出其内阻. （2）若测 r3,实物连线如下图所示. （3）根据前面的分析,要读出的物理量是 A、A′两电流表的示数 I、I′和电阻箱的阻值 R1,待测内阻的计算 公式是 r 待= 1RI II  . 题型 2 实物连线题 【例 2】为了测定电流表 A1 的内阻,采用如图所示的电路.其中: A1 是待测电流表,量程为 300μA,内阻约为 100Ω; A2 是标准电流表,量程是 200μA; R1 是电阻箱,阻值范围是 0～999.9Ω; R2 是滑动变阻器; R3 是保护电阻; E 是电池组,电动势为 4 V,内阻不计; S1 是单刀单掷开关,S2 是单刀双掷开关. （1）根据电路上图所示,请在下图中画出连线,将器材连接成实验电路. （2）连接好电路,将开关 S2 扳到接点 a 处,接通开关 S1;调整滑动变阻器 R2,使电流表 A2 的读数是 150μA;然 后将开关 S2 扳到接点 b 处,保持 R2 不变,调整变阻箱 R1,使电流表 A2 的读数仍是 150μA.若此时电阻箱各旋钮 的位置如下图所示,电阻箱 R1 的阻值是 Ω ,则待测电流表 A1 的内阻 Rg= Ω. （3）上述实验中,无论怎样调整滑动变阻器 R2 的滑动位置,都要保证两只电流表的安全.在下面提供的四个电 阻中,保护电阻 R3 应选用 （ ） A.200 kΩ B.20 kΩ C.15 kΩ D.150 kΩ （4）下面提供最大阻值不同的四个滑动变阻器供选用.既要满足上述实验要求,又要调整方便,滑动变阻器 （填写阻值相应的字母）是最佳选择. A.1 kΩ B.5 kΩ C.10 kΩ D.25 kΩ 答案 （1）见下图 （2）86.3 86.3 （3）B （4）C 题型 3 数据处理问题 【例 3】要描绘某电学元件（最大电流不超过 6 mA,最大电压不超过 7 V）的伏安特性曲线,设计电路如图所 示.图中定值电阻 R 为 1 kΩ,用于限流;电流表量程为 10 mA,内阻约为 5Ω;电压表（未画出）量程为 10 V, 内阻约为 10 kΩ;电源电动势 E 为 12 V,内阻不计. （1）实验时有两个滑动变阻器可供选择: a.阻值 0～200Ω,额定电流 0.3 A b.阻值 0～20Ω,额定电流 0.5 A 本实验应选用的滑动变阻器是 （填“a”或“b”）. （2）正确接线后,测得数据如下表: ①根据以上数据,电压表是并联在 M 与 之间的（填“O”或“P”）. ②根据以上数据,在下图中画出该元件的伏安特性曲线. （3）在下图上画出待测元件两端电压 UMO 随 MN 间电压 UMN 变化的示意图为（无需数值）. 答案 （1）a （2）①P ②见下图 （3）见右图 1.某同学使用了如下器材:电源 E（电动势 12 V）;电压表 V（量程为 15 V,内阻约 15 kΩ）;电流表 A（量程 100 mA,内阻约 10Ω）;滑动变阻器（最大电阻为 50Ω）;单刀单掷开关;导线若干.测出了一个小灯泡的伏 安特性曲线如图所示,已知小灯泡的额定电压为 12 V. （1）请在下面的虚线方框中画出此实验电路. （2）根据设计的电路图在下图中连接实物图. （3）由小灯泡的伏安特性曲线可知小灯泡的额定功率为 P 额= W,小灯泡电阻的变化特性 为 .答案 （1）、（2）如下图所示 （3）1.15（1.14～1.16） 灯泡电阻随电压升高而增大（或随温度升高而增大;或电压越高时电阻增大越快）. 2.（2009·大同质检）现有一特殊电池,它的电动势 E 约为 9 V,内阻 r 约为 40Ω,已知该电池允许输出的最大 电流为 50 mA.为了测定这个电池的电动势和内阻,某同学利用如右图所示的电路进行实验,图中电流表的内 阻 RA 已经测出,阻值为 5Ω,R 为电阻箱,阻值范围 0～999.9Ω,R0 为定值电阻,对电路起保护作用. （1）实验室备用的定值电阻 R0 有以下几种规格. A.10 Ω B.50Ω C.150 Ω D.500 Ω 本实验选用哪一种规格的定值电阻最好 . （2）该同学接入符合要求的 R0 后,闭合开关 K,调整电阻箱的阻值,读取电流表的示数,记录多组数据,作出了 如下图所示的图线,则根据该同学作出的图线可求得该电池的电动势 E= V,内阻 r= Ω. 答案 （1）C （2）10 45 3.某实验小组在实验室中测定一节干电池的电动势和内阻,他们观察实验桌上备用的器材编号如下: A.干电池（电动势 E 约为 1.5 V,内电阻 r 约为 1.0Ω） B.电流表 G（满偏电流 3.0 mA,内阻 Rg=10Ω） C.电流表 A（量程 0～0.6 A,内阻约为 0.5Ω） D.滑动变阻器 R（0～20Ω,10 A） E.滑动变阻器 R′（0～100Ω,1A） F.定值电阻 R2=990Ω G.开关 S 和导线若干 （1）为了能准确地进行测量,同时为了操作方便,实验中应选用的滑动变阻器是 .（填写器材编 号） （2）请在虚线框内画出他们采用的实验原理图.（标注所选择的器材的符号） （3）该小组根据实验设计的原理图测得的数据如下表,为了采用图象法分析处理数据,请你在下图所示的坐 标纸上选择合理的标度,做出相应的图线. （4）根据图线求出电源的电动势 E= （保留三位有效数字）,电源的内阻 r= （保 留两位有效数字）. 答案 （1）D （2）如右图所示 （3）如右图所示 （4）1.47（1.46～1.48） 0.82（0.80～0.90） 1.在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中,使用的小灯泡标有“6 V,3 W”,其他可供选择的器材有:电压表 V1（量程 6 V,内阻 20 kΩ）;电压表 V2（量程 20 V,内阻 60 kΩ）;电流表 A1（量程 3 A,内阻 0.2Ω）;电 流表 A2（量程 0.6 A,内阻 1Ω）;滑动变阻器 R1（0～1 000Ω,0.5 A）;滑动变阻器 R2（0～20Ω,2 A）;学 生电源 E（6～8 V）;开关 S 及导线若干.实验中要求电压表在 0～6 V 范围内读取并记录下 11 组不同的电 压值 U 和对应的电流值 I,见下表. （1）在下面方框中画出实验所用的电路图,并注明所选器材的符号. （2）在图中,画出伏安特性曲线.如果将本题中的小灯泡接在电动势 E=1.5 V,内阻 r=2.0Ω的电池的两端, 则小灯泡的实际功率是多少? （3）该实验画出的伏安特性曲线在电压较高段和电压较低段相比,哪段的系统误差较大?为什么? 答案 （1）电路图如下图所示. （2）伏安特性曲线如下图所示 0.28 W （3）电压较高时,灯泡消耗的功率较大,灯丝温度高,其电阻大,由于是外接法,故这时电压表的分流较大,所 以电流的测量值偏大,故系统误差较大. 2.学习了“欧姆定律”以及电路的知识后,李阳同学要帮妈妈制作一个自动控温孵化器,他到电子商城买了一 只标称值为 220Ω的半导体热敏电阻,由于不知道该电阻的温度特性,为此,他做了如下实验. （1）在室温下（约 25℃）他正确使用多用表的欧姆挡测该热敏电阻的阻值,表的示数如 右图所示,可判定李阳同学测量时选用的是 挡,表的读数是 Ω. （2）李阳同学要通过改变热敏电阻的温度并用伏安法测热敏电阻的阻值来研究热敏电阻的温度特性,他准备 了如下器材: 蓄电池（电动势为 6 V,内阻不计）及电键 伏特表（量程为 0～6 V,内阻很大） 安培表（量程为 0～20 mA,内阻 Rg=10Ω） 定值电阻 R0（R0=5Ω） 下列图中给出四个电路,其中李阳应该选择的是 . （3）李阳同学得到的实验数据如下表 请你根据这些数据在下图所示的坐标纸上画出这个热敏电阻的电阻值随温度变化的关系图象（R—t 图象）. （4）下图是李阳同学利用这个热敏电阻制成的孵化器温度控制电路,其中控制电路的输入端 A、B 内接电路 可等效为一个电动势为 2.0 V,内阻为 100Ω的电源,当通过热敏电阻 R 的电流大于等于 2.0 mA 时,控制电路 动作,输出端 的开关断开,加热器停止加热.孵化小鸡时,要求孵化箱恒温在 39.5℃,为此,李阳将孵化箱的 最高温度设定为 40℃; 为使恒温箱能在 40℃时控制电路动作,定值电阻 R0 的阻值应为 Ω. 答案 （1）×10 260 （2）D （3）R—t 图象如右图所示. （4）755 3.如果某研究性学习小组在研究某种用半导体材料做的用电器件 Z 的导电规律时,用电压表、电流表测得其两 端电压与通过其中的电流的关系如下表所示: 所用的器材规格: 电压表（0～3～15 V,内阻 30 kΩ） 电流表（0～0.6～3 A,内阻 4Ω） 滑动变阻器（变化范围 0～10Ω） 电源（6 V,内阻 1Ω） 用电器件 Z 电键;导线若干 （1）在下图乙方框中画出测量电路原理图,并将下图甲中的实物连成测量电路. （2）若把用电器件 Z 接入图丙所示的电路中,电流表的读数为 1.8 A,电源输出电压恒为 3 V,电阻 R 的电功 率 为 W. （3）请分析表中的数据,探究该用电器件 Z 的电流随电压变化的规律是什么? 答案 （1）见下图 （2）3.24 （3）观察实验数据,猜想电流随电压变化的规律是 I=kUn 任选两组数据可列出 0.8=k·0.8n 1.25=k·1n 解得 n=2,k=1.25 A/V2 也可代入其他组数据,在误差范围内,则 I=1.25U2. 4.影响材料电阻率的因素很多,一般金属材料的电阻率随温度的升高而增大.如图甲是某金属材料制成的电阻 R 随摄氏温度 t 变化的图象,图中 R0 表示 0℃时的电阻.若用该电阻与电池（E、r）、电流表 Rg、滑动变阻器 R′串联起来,连接成如图乙所示的电路,用该电阻做测温探头,把电流表的电流刻度改为相应的温度刻度, 就得到了一个简单的“金属电阻温度计”,使用“金属电阻温度计”前,先要把电流表的刻度值改为相应的 温度刻度值,若温度 t1

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