高中物理二轮专题复习学案：第3讲 电学实验（新课标）

高中物理二轮专题复习学案：第3讲 电学实验（新课标）

专题七 物理实验 第 3 讲 电学实验 【实验专题归纳】 一、本专题共涉及以下六个实验 实验七：测定金属的电阻率 实验八：描绘小电珠的伏安特性曲线 实验九：测定电源电动势和内阻 实验十：练习使用多用电表 实验十一：传感器的使用 二、 本专题实验特点及其在高考中的地位 物理实验为高考必考内容，近年的高考物理试题，越来越重视对实验的考查，尤其是除了对教材中原 有的学生实验进行考查为，还增加了对演示实验的考查。利用学生所学过的知识，对实验仪器或实验方法 加以重组完成新的实验目的的设计型实验将逐步取代对教材中原有单纯学生实验的考查。 历届高考在实验方面的命题重点为：基本仪器的使用、基本物理量的测定、物理规律的验证和物理现象的 研究、实验数据的处理。 高考中物理实验题类型大体有：⑴强调基本技能，熟识各种器材的特性。像读数类：游标卡尺、螺旋 测微器、多用电表等；选器材类：像选取什么量程的电表和滑动变阻器等⑵重视实验原理，巧妙变换拓展。 像探究匀变速直线运动的变形和测量电阻的再造等。源于课本不拘泥课本一直是高考命题与课标理念所倡 导的，所以熟悉课本实验、抓住实验的灵魂---原理是我们复习的重中之重。⑶提倡分析讨论，讲究实验 的品质，像近年高考中的数据处理、误差分析、改良方案，甚至开放性实验等于课标的一标多本思路是交 汇的。⑷知识创新型实验。像设计型、开放型、探讨型实验等都是不同程度的创新，比如利用所学可以设 计出很多测量重力加速度的方案。 三、高考易错问题剖析及应试策略 【高考真题探究】 1.(2010.浙江高考 T21（2）) (10 分) 在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，某同学测得电流-电压的数据如下表所示： 电流 I/mA 2．7 5.4 12.4 19.5 27.8 36.4 47.1 56.1 69.6 81.7 93.2 电压 U/V 0.04 0.08 0.21 0.54 1.30 2.20 3.52 4.77 6.90 9.12 11.46 （1） 用上表数据描绘电压随电流的变化曲线； （2） 为了探究灯丝电阻与温度的关系，已作出 电阻随电流的变化曲线如图所示：请指出灯丝的特征， 并解释形成的原因。 【命题立意】本题以“描绘小灯泡的伏安特性曲线” 实验为基础,体现重视实验操作体验和学生实验基本素 养的培养，主要考查对实验结果的分析与解释能力。 【规范解答】 (1) 用上表数据描绘电压随电流的变化曲线 (2)电阻随电流增大存在三个区间，电阻的变化快慢不同 第一区间电流很小时,电阻变化不大；第二区间灯丝温度升高很快，电阻增大快；第三区间部分电能 转化为光能，灯丝温度升高变慢，电阻增大也变慢。 2.（2010·山东理综·T 23）（2）在测定金属电阻率的实验中，某同学连接电路如图所示。闭合电键后， 发现电路有故障（已知电源、电表和导线均完好，电源电动势为 E）： ①若电流表示数为零、电压表示数为 E，则发生故障的 是 （填“待测金属丝”“滑动变阻器”或 “电键”）。 ②若电流表、电压表示数均为零，该同学利用多用电表检查 故障。先将选择开关旋至 档（填“欧姆×100”“直 流电压 10V”或“直流电流 2．5mA”），再将 （填“红” 或“黑”）表笔固定在 a 接线柱，把另一支表笔依次接 b、c、 d 接线柱。 ③若只有滑动变阻器断路，则多用电表的示数依次是 、 、 。 【命题立意】本题以测定金属电阻率的实验为背景，考查的却是多用电表检测电路故障问题，主要考查多 用电表的使用、电路故障分析、直流电压表的原理等知识点。 【思路点拨】解答本题时可按以下思路分析： 【规范解答】①若电流表示数为零，说明外电路一定是断路，电压表有示数为 E，说明电源与电压表之间 的连接无断路，所以发生故障的是一定是“待测金属丝”。 ②电流表示数为零，说明外电路一定存在着断路。因为电源两端有电压，所以不能用电流表来检测， 只能用电压表（量程高于电源电动势）来检测，没有电压表的情况下，则利用多用电表的 10V 直流电压档 来检查故障。多用电表的红表笔应和电源的正极相连，若只有滑动变阻器断，则多用电表的示数依次是 0、 E、E。 答案：①待测金属丝 ②直流电压 10V；红 ③0、E、E 3.（2010·福建理综·T19）（3）（6 分）如图所示是一些准备用来测量待测电阻 R x 阻值的实验器材，器 材及其规格列表如下 为了能正常进行测量并尽可能减少测量误差，实验要求测量时 电表的读数大于其量程的一半，而且调节滑动变阻器能使电表读数 有较明显的变化。请用实线代表导线，在所给的实验器材图中选择 若干合适的器材，连成满足要求的测量 R x 阻值的电路。 【命题立意】要求考生从提供的实验器材中选择若干合适的器材，进行实物图连线，在特定的实验要求下， 完成测量待测电阻的电路连接，考生必须在熟练掌握教材中的有关伏安法测定电阻等电学实验的基础上， 选择合适的器材设计电路，对考生的实验能力要求较高。 【思路点拨】要从电表的量程和确定的内阻等参数中注意电表的特殊用法 【规范解答】由于待测电阻约 1000Ω,滑动变阻器阻值 100Ω，要使电表读数有较明显的变化，因此滑动 变阻器采用分压接法，由于加在待测电阻的最大电流 9mA,显然 3A 的电流表不能用，因此将 V1 当作电流表 使用。由于 V1 表的电压能够测量，故采用 V1 表内接法。 【答案】测量 R x 阻值的电路如图 故障表现 两种电表示数 故障分析 【类题拓展】电表的特殊用法与伏安法测电阻的“三步曲” 审题时应注意各电表的参数，特别是各电表的内阻是确定的时候，常常要将电压表当作小量程的电流 表使用，电流表当作小量程的电压表使用，或者与题中给定的定值电阻结合进行电表的改装等,按伏安法 测电阻的“三步曲”进行设计：即按题目要求选择合适量程的电表，确定电流表的内外接法，再确定滑动 变阻器是分压还是限流接法。 Ⅱ．太阳能是一种清洁、“绿色”能源。在我国上海举办的 2010 年世博会上，大量利用了太阳能电池。太 阳能电池在有光照时，可以将光能转化为电能，在没有光照时，可以视为一个电学器件。某实验小组根据 测绘小灯泡伏安特性曲线的实验方法，探究一个太阳能电池在没有光照时（没有储存电能）的 I-U 特性。 所用的器材包括：太阳能电池，电源 E，电流表 A，电压表 V，滑动变阻器 R，开关 S 及导线若干。 （1）为了达到上述目的，请将图 1 连成一个完整的实验电路图。 （2）该实验小组根据实验得到的数据，描点绘出了如图 2 的 I-U 图像。 由图可知，当电压小于 2.00V 时，太阳能电池的电阻_____________ （填 “很大”或“很小”）；当电压为 2.80V 时，太阳能电池的电阻约为 ____________  。 【命题立意】本题用测绘小灯泡伏安特性曲线的实验方法来探究一个电学元件的 I-U 特性，体现了高 考实验考查的灵活性，主要考查实验电路的设计、伏安特性曲线的理解、部分电路的欧姆定律等知识点。 【思路点拨】解答本题时可按以下思路分析： 【规范解答】（1）注意到图 2 的 I-U 图像中的数据特点：电压、电流从零开始变化，所以电路设计用 滑动变阻器的分压式，如下图所示。 (2) 由图 2 可知，当电压小于 2.00V 时，通过太阳能电池的电流很小，由欧姆定律可知：此时太阳能电 池的电阻很大。当电压为 2.80V 时，通过太阳能电池的电流约为 2.8mA，由欧姆定律可知：此时太阳能电 图像数据信息 设计电路 用欧姆定律解题 池的电阻约为   3 3 100.1108.2 8.2 A V I UR 。 【答案】 (1)如上图 (2)很大； 3100.1  4.（2010·新课标全国卷·T23）（11 分）用对温度敏感的半导体材料制成的某热敏电阻 RT，在给定温度范围 内，其阻值随温度的变化是非线性的。某同学将 RT 和两个适当的固定电阻 R1、R2 连成图 1 虚线框内所示 的电路，以使该电路的等效电阻 RL 的阻值随 RT 所处环境温度的变化近似为线性的，且具有合适的阻值范 围。为了验证这个设计，他采用伏安法测量在不同温度下 RL 的阻值，测量电路如图 1 所示，图中的电压表 内阻很大。 RL 的测量结果如表 l 所示。 回答下列问题 （1）根据图 1 所示的电路，在图 2 所示的实物图上连线。 （2）为了检验 RL 与 t 之间近似为线性关系，在坐标纸上作 RL﹣t 关系图线。 图 1 表 1 （3）在某一温度下，电路中的电流表、电压表的示数如图 3、4 所示。电流表的读数为____ ，电 压表的读数为___ 。此时等效电阻 LR 的阻值为__ ：热敏电阻所处环境的温度约为 ____ 。 【命题立意】本题以研究半导体材料的伏安特性立意命题，考查考生对电学实验的基本要求，即实物连线、 数据处理、电流表和电压表的读数等。 【思路点拨】解答本题可按以下思路分析： 【规范解答】 根据电路原理图 进行实物连线 根据表中实验数据 在坐标纸上描点作直线 先确定两表的精确度 得两表读数值 （1）根据电 路图连接实物。（2）根据数据描出点， 作出直线。（3） )(5.43 100.115 00.5)(00.5.05060 6)(0.1150.2330 150 3    I URVUmAI ，， 对照图找出 相应的温度为 64.0°C。 【答案】（1）如图所示（2）如图所示（3）115.0mA，5.00V，43.5Ω，64.0℃或 62～66°C 5.（2010·江苏物理卷·T10）在测量电源的电动势和内阻的实验中，由于所用的电压表（视为理想电压 表）的量程较小，某同学涉及了如图所示的实物电路。 （1） 试验时，应先将电阻箱的电阻调到____.（选填“最大值”、“最小值”或“任意值”） （2） 改变电阻箱的阻值 R，分别测出阻值 0R =10  的定值电阻两端的电压 U，下列两组 R 的取值方案 中，比较合理的方案是____.（选填 1 或 2） （3）根据实验数据描点，绘出的 1 RU  图像是一条直线。若直线的斜率为 k，在 1 U 坐标轴上的截距为 b， 则该电源的电动势 E= ▲ ，内阻 r= ▲ （用 k、b 和 R0 表示） 【命题立意】本题以某同学自设电路测电源电动势和内阻来考查测电源的电动势和内阻、图象的物理意义 和根据图象求物理量。题意设置有一定灵活性，难度中等。 【思路点拨】（2）比较两方案的可取性，要抓住题意关键句“所用的电压表（视为理想电压表）的量程较 小”。（3）描点由图象求解电源电动势和内阻，能正确写出 E—R 数学表达式，理解方程中所对应的物理量 即可求解。 【规范解答】（1）为了保护电路及电表，防止电路中电流过大，所以实验前应电阻箱置于最大值接入电路 中。（2）通过试值法来说明理由。若 R=300Ω，电流约为 AA 03.010300 9  ；若 R=60Ω，电流约为 AA 15.01060 9  ，后者电流读数大，误差小，应选 2 合适。 (3) 电流 0R UI  ， r)RI(RE 0  ，得 00 111 ER r ERERU  ， RU 1 图象的斜率 0 1 ERk  ，截距 b 0 1 ER r E  ，所以电动势 E 0 1 kR ，内阻 r b k －R0。 【答案】（1）最大值；（2）2；；（3） 0 1 kR ， b k －R0。 6.（2010·全国Ⅱ理综·T23）(13 分）如图，一热敏电阻 RT 放在控温容器 M 内： ○A 为毫安表，量程 6mA，内阻为数十欧姆；E 为直流电源，电动势约为 3V，内阻很小；R 为电阻箱，最大 阻值为 999.9Ω；S 为开关。已知 RT 在 95℃时的阻值为 150Ω，在 20℃时的阻值约为 550Ω。现要求在降 温过程中测量在 95℃～20℃之间的多个温度下 RT 的阻值。 （1） 在图中画出连线，完成实验原理电路图 （2） 完成下列实验步骤中的填空 1 依照实验原理电路图连线 2 调节控温容器 M 内的温度，使得 RT 温度为 95℃ 3 将电阻箱调到适当的初值，以保证仪器安全 4 闭合开关。调节电阻箱，记录电流表的示数 I0 ，并记录 。 ⑤ 将 RT 的温度降为 T1 （20℃＜T1＜95℃）；调节电阻箱，使得电流表的读数 , 记录 。 ⑥ 温度为 T1 时热敏电阻的电阻值 RT1 = 。 ⑦ 逐步降低 T1 的数值，直至 20℃为止；在每一温度下重复步骤⑤⑥ 【命题立意】本题涉及到实验原理、电路的设计、实验步骤等知识，考查了考生的科学实验探究能力。 【思路点拨】解答本题时,可参照以下解题步骤: 关 键 点 (1) 根据题意连接电路图, (2)抓住毫安表的读数不变,用“替代法”的思维来完成实验步骤 及简单计算. 【规范解答】（1）根据所给器材，测量在不同温度下 RT 的阻值，只能将电阻箱、热敏电阻、毫安表与电源 串联形成测量电路。 （2）依照实验原理电路图连线；调节控温容器 M 内的温度，使得 RT 温度为 95℃，RT 阻值为 150Ω，根据 欧姆定律有：  1500 0 R EI ；将电阻箱调到适当的初值，以保证仪器安全；闭合开关。调节电阻箱， 记录电流表的示数 I0 ，并记录电阻箱的读数 0R ；将 RT 的温度降为 T1 （20℃＜T1＜95℃）；调节电阻箱， 使 得 电 流 表 的 读 数 仍 为 0I , 记 录 电 阻 箱 的 读 数 为 1R ， 根 据 欧 姆 定 律 ： TRR EI  1 0 ； 则 1500R E TRR E 1 ，解得  15010 RRRT 【答案】（1）实验原理电路图如图所示。 ks5u （2）④电阻箱的读数 0R ⑤仍为 0I 电阻箱的读数为 1R ⑥ 0 1 150R R   【备课资源】 1.（2010·四川理综·T22（1）②）在物理兴趣小组活动中，一同学利用下列器材设计并完成了“探究导体阻 值与长度的关系”的实验。 电压表○V1 量程 3V 内阻约为 900 电压表○V2 量程 10V 内阻约为 3K  电流表○A 量程 60mA 内阻约为 5  电源 E1 电动势 1.5V 内阻约为 0.2  电源 E2 电动势 4.5V 内阻约为 0.4  滑动变阻器（最大阻值为 10  ）。粗细均匀的同种电阻丝，开关、导线和刻度尺 其主要实验步骤如下： A.选取图中器材，按示意图连接电路 B.用伏安法测定电阻丝的阻值 R C.用刻度尺测出电阻丝的长度 L D.依次减小电阻丝的长度，保持电路其他部分不变，重复步骤 B、C E.处理数据，根据下列测量结果，找出电阻丝值与长度的关系 L(m) 0.9956 0.8049 0.5981 0.4021 0.1958 R(  ) 104.8 85.3 65.2 46.6 27.1 为使实验尽可能准确，请你对上述步骤中画线处加以改进。 （I） （II） 【命题立意】考查根据实验要求，正确选用实验器材，减小实验误差 【思路点拨】解答本题时可按以下思路分析： 【规范解答】根据电动势大小电压表量程不能选择 10V，电路图中选择 V1 正确。电压表为减小测量误差 要求指针偏转过半，故 1.5 V 的电动势太小，电源 E1 应该改选 E2。 由于第一组测量值为 104.8Ω，为大电阻，用内接伏安法，第五组测量值为 27.1Ω，为小电阻用外接伏安 法. 〖答案〗（Ⅰ）将电源 E1 改选 E2（Ⅱ）判断电流表的内外接法，作出相应调整 【类题拓展】 伏安法测电阻时电表的内接与外接 内接测大电阻：当电阻较大时，测量电阻的阻值与电压表阻值较接近，所以电压表分得的电流较大，内接 的电流表测通过测量电阻的电流，而如果此时外接，电流表测的是通过测量电阻的电流和通过电压表的电 流，所以误差较大.外接测小电阻：由于电压表的阻值与测量电阻阻值相差较大，所以通过电压表的电流极 小，而此时由于测量电阻的阻值小，所以与电流表阻值相近，所以，此时电流表会分得一部分电压，如果 内接，电压表将会测量电阻和电流表两端的电压，产生较大误差 2.（2010·江西理综·T２3）．一电流表的量程标定不准确，某同学利用图 8 所示电路测量该电流表的实 际量程 mI 。 所用器材有：量程不准的电流表 1A ，内阻 1r =10.0  ，量程标称为 5.0mA；标准电流表 2A ，内阻 2r =45.0  ，量程 1.0mA；标准电阻 1R ，阻值 10.0  ；滑动变阻器 R，总电阻为 300.0  ；电源 E，电动 势 3. 0V，内阻不计；保护电阻 2R ；开关 S；导线。 根据电源电动势与 电压表的量程 选定电动势为 4.5V 电源 和量程为 3V 的电压表 结合电阻的大 小判断电表是 内接还是外接 回答下列问题： （1）在图 9 所示的实物图上画出连线。 （2）开关 S 闭合前，滑动变阻器的滑动端 c 应滑动至 端。 （3）开关 S 闭合后，调节滑动变阻器的滑动端，使电流表 1A 满偏；若此时电流表 2A 的读数为 2I ，则 1A 的量程 mI = 。 （4）若测量时， 1A 未调到满偏，两电流表的示数如图 10 所示，从图中读出 1A 的示数 1I = ， 2A 的示数 2I = ；由读出的数据计算得 mI = 。（保留 3 位有效数字） （5）写出一条提高测量准确度的建议： 。 【命题立意】本题源于教材高于教材,从这道题传递的信息可以看出,要求考生在平常的做实验中既要重视 实验操作能力的培养,又要注重理论分析能力的培养,本题主要考查考生根据电路图连接实际电路的能力, 读数能力及应用理论知识解决实际问题的能力. 【思路点拨】解答本题时,可参照以下解题步骤: 图 10 图 9 图 8 关 键 点 (1)根据并联电路电压相等的知识列出方程,求出 A1 表的满偏值. (2)仍然根据并联电路电压相等的知识,求出待测表未满偏的电 流值. (3)再根据电流表的刻度是均匀的,列比例等式,可解答所求. 【规范解答】⑴连线如图 11. ⑵在滑动变阻器的限流接法中在接通开关前需要将滑动触头滑动 到阻值最大端 ⑶闭合开关调节滑动变阻器使待测表满偏，流过的电流为 Im。根据 并联电路电压相等有 )( 1221 RrIrI m  得 [=1 2 Im＝I2(R1+r2) r1 ＝5.5I2 ⑷待测表未满偏有 )( 12211 RrIrI  ，将 A2 的示数 0.660mA 和其他已知条件代入有 63.310 )4510(66.0)( 1 212 1  r rRII mA 但图中 A1 的示数 3.00mA 量程为 5.0mA，根据电流表的刻度是均匀的，由3 5 = 3.63 I 量 ,则准确量程为 6.05mA (5)提高做实验准确度的方法中学阶段一般都是采取多次测量取平均值的办法. 3.（2010·四川理综·T22（1）①）用多用电表探测图甲所示黑箱发现：用直流电压挡测量，E、G 两点间和 F、G 两点间均有电压，E、F 两点间无电压；用欧姆测量，黑表笔（与电表内部电源的正极相连）接 E 点， 红表笔（与电表内部电源的负极相连）接 F 点，阻值很小，但反接阻值很大。那么，该黑箱内元件的接法 可能是图乙中 。 【命题立意】考查二极管的单向导电性以及万用表的使用。 【思路点拨】解答本题时,可参照以下解题步骤: 【规范解答】选 B， 红表笔接 F，电阻很小，此时二极管导通，电源电流从黑表笔流出通过二极管从红表笔流进，电流方向 E 到 F，只有 B 正确。 图 关 键 点 (1)二极管导通时相当于一条导线,截止时相当于断路, (2)使用万用表的欧姆档时,黑笔电势高于红笔电势.. 5.（2010.重庆理综 T 22）（2）在探究小灯泡的的伏安法测电阻实验中，所用器材有灯泡 I，量程恰当的电 流表 A 和电压表V ，直流电源的滑动变阻器 R 、电键 S 等，要求灯泡两端电压从OV 表开始变化 ①实验中滑动变阻器应采用______ 接法（“分压”或“限流”） ②某同学已连接如题 22 图 2 所示的电路，在连接最后一 根导线的 c 端到直流电源正析之前，请指出其中仅有的 2 个 不当之处，并说明如何改正 A：_______________ B:_________________ ③分别测得两只灯泡 l1 和 l2 的伏安特性曲线如题 22 图 3 中Ⅰ和Ⅱ所示，然后将灯泡 l1、l2 与电池组（电 动势和内阻均衡定）连成题 22 图 4 所示电路。多次测量后得到通过 l1 和 l2 的电流平均值分别为 0.30A 和 0.60A. A.在题 22 图 3 中画出电池组路端电压 U 和电流 I 的关系曲线。 B.由该曲线可知电池组的电动势为_________V,内阻为___________Ω(取两位有效数字) 【命题立意】考查伏安法测电阻实验中滑动变阻器的用法、电路的实际连接以及伏安特性曲线的应用 【规范解答】 ①探究小灯泡的伏安特性曲线要求电压从 0 到额定电压变化，所以滑动变阻器必须采用分压解法。 ②在连接线路时必须将每个开关断开，而图中是闭合的这是第一个错误。连好线路后在闭合开关前需要将 限流滑动变阻器调到阻值最大，将分压滑动变阻器调到输出为 0 端，在图中是 b 端，以保护电源和电表。 ③描绘电源的伏安特性曲线要求外电阻变化测定对应的多组路端电压和电流，本实验中用两个小灯泡来改 变外电阻获得两组电流值，然后在小灯泡的伏安特性曲线上查出对应的电压，用两个坐标点描绘图像。为 描绘准确可以先进行理论计算，首先查出两坐标为（0.30A，3.8V）和（0.60A，3.0V），则内阻为 7.23.06.0 0.38.3  r Ω，电动势为 7.203.0 8.3   Er ， 6.4E V，然后作出准确图像如图。 【答案】①分压 ②A.电键不应闭合，应处于断开状态 B.滑动变阻器的滑动触头 P 位置不当，应将 其置于 b 端 ③ 4.6V 2.7Ω 6.贾老师要求同学们测出一待测电源的电动势及内阻.所给的实验器材有：待测电源 E，定值电阻 R1（阻 值未知），电压表 V（量程为 3.0 V，内阻很大），电阻箱 R（0～99.99 Ω），单刀单掷开关 S1，单刀双掷 开关 S2，导线若干. (1)珊珊连接了一个如图 7-3-14 所示的电路，她接下来的操作是： ①将 S2 接到 a，闭合 S1，拨动电阻箱旋钮，使各旋钮盘的刻度处于如图 7-3-15 甲所示的位置，记录下对 应的电压表示数为 2.20 V，然后断开 S1； ②保持电阻箱示数不变，将 S2 切换到 b，闭合 S1，记录此时电压表的读数（电压表的示数如图乙所示）， 然后断开 S1. 请你解答下列问题： 图甲所示电阻箱的读数为_______Ω，图乙所示的电压表读数为______V.由此可算出定值电阻 R1 的阻值为 _____Ω（计算结果保留两位小数）. 在珊珊上面第①步的操作中，有一处不恰当，请您帮她指出来_____________________. （2）在完成上述操作后，珊珊继续以下的操作： 将 S2 切换到 a，多次调节电阻箱，闭合 S1，读出多组电阻箱的示数 R 和对应的电压表示数 U，由测得的数 据，绘出了如图丙所示的 1 1 U R  图象.由此可求得电源电动势 E 和电源内阻 r，其中 E=_______V（计算结 果保留两位小数）. 【解析】（1）电阻箱的读数=2×10 Ω+0×1 Ω+0×0.1 Ω+0×0.01 Ω=20 Ω. 电压表的读数=2.80 V. 在第①步操作中，不恰当的是：应在切断电源的情况下调节变阻箱. （2）根据电压分配特点知： 故 E=2.86 V. 答案：（1）20 2.80 5.45 应在切断电源的情况下，调节变阻箱 （2）2.86