高考物理二轮复习专题13电学实验学案含解析

高考物理二轮复习专题13电学实验学案含解析

专题 13 电学实验 考向预测 电学实验每年都考，主要体现在：(1)基本仪器的原理和使用；(2)基本的实验目的、原理和实验思想，如 实验器材的选取，电流表的内、外接法及滑动变阻器的连接方式、电路故障的分析等；(3)处理实验数据的基 本方法，如图象法、平均值法等。 知识与技巧的梳理 考点一、多用电表的原理、使用及读数问题 例 (2017·全国Ⅲ卷 T23)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 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。 (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”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________。 (结果均保留三位有效数字) 【审题立意】电流表是表头与电阻并联所得,并联电阻越大，量程越小；电压表是表头与电阻串联所得， 串联电阻越大，量程越大。 【解题思路】(1)A 端与电池正极相连，电流从 A 端流出，A 端与黑色表笔相连。 (2)使用多用电表前，应机械调零，即应调整“指针定位螺丝”，使指针指在表盘左端电流“0”位置，与 R6 无关，选项 A 错；使用欧姆挡时，需要红、黑表笔短接，使电表指针指在表盘右端电阻“0”位置，选项 B 对；使用电流挡时，B 端与“1”或“2”相连，与 R6 无关，C 错。 (3)B 端与“1”、“2”相连时，该多用电表挡位分别为直流 2.5 mA 挡、直流 1 mA 挡，如图甲所示，由 电表的改装原理可知，B 端与“2”相连时，有 I2＝Ig＋ Igrg R1＋R2 ，解得 R1＋R2＝160 Ω；B 端与“4”相连时，如 图乙所示，多用电表为直流电压 1 V 挡，表头并联部分电阻 R0＝Igrg I2 ，R4＝U4 I2 －R0＝880 Ω。 (4)B 端与“1”相连时，电表读数为 1.47 mA；B 端与“3”相连时，多用电表为欧姆×100 Ω挡，读数为 11.0×100 Ω＝1.10×103 Ω；B 端与“5”相连时，多用电表为直流电压 5 V 挡，读数为147.5 250 ×5 V＝2.95 V。 【参考答案】(1)黑 (2)B (3)160 880 (4)1.47 mA 1.10×103 Ω 2.95 V 【知识链接】1. 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1 2 、1 5 还是 1 10 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，下面三排数字为方便读 数所标注；最下排刻度专为测量 2.5 V 以下交流电压所用，一般较少使用。 2. 欧姆表的原理 (1)欧姆表内有电源，红表笔与内部电源负极相连，黑表笔与内部电源的正极相连，故其电流方向为“红 表笔流进，黑表笔流出”。 (2)测电阻的原理是闭合电路欧姆定律。当红、黑表笔短接时，调节滑动变阻器 R0(即欧姆调零)，使灵敏 电流计满偏，Ig＝ E Rg＋R0＋r ，此时中值电阻 R 中＝Rg＋R0＋r，当两表笔接入电阻 Rx 时 I＝ E Rg＋R0＋r＋Rx ，电阻 Rx 与电路中的电流相对应，但不是线性关系，故欧姆表刻度不均匀。 3. 欧姆表使用六注意 (1)选挡接着调零；(2)换挡重新调零；(3)待测电阻与电路、电源要断开；(4)尽量使指针指在表盘中间位 置附近；(5)读数之后要乘以倍率得阻值；(6)用完后，选择开关要置于“OFF”挡或交流电压最高挡。 【变式训练】(1)某同学用多用电表的欧姆挡测量一电流计 G 的内阻(几百欧)，当他选择倍率“×100”进 行正确测量时，指针偏转情况如图 1 中“a”所示，误差很大，为了减小测量误差，他应选择倍率________(填 “×10”或“×1 k”)，正确操作后得到指针偏转情况如图 1 中的“b”所示，则该电流计的内阻为________。 (2)将 G 改装成多用电表，如图 2 所示，用此多用电表测量一阻值未知的电阻，所采用的器材及电路图如 图 3 所示。测量电阻两端电压时，选择开关 K 应接__________(填“1”“2”或“3”)，电路开关 S 应 __________，两表笔并接在电阻两端，且红表笔接__________(填“a”“b”或“c”)，记下电阻两端电压值 U1；测量通过电阻的电流时，选择开关 K 应接__________(填“1”“2”或“3”)，开关 S 应________，红表 笔接________(填“a”“b”或“c”)，黑表笔接________(填“a”“b”或“c”)，记下通过电阻的电流 I1， 调节滑动变阻器滑片的位置，重复上述方法再测出两组数据 U2、I2 和 U3、I3，利用上述三组数据可求出被测电 阻的阻值 Rx＝__________。 解析：(1)当他选用倍率“×100”进行正确测量时，指针偏角太大，说明所测电阻较小，应换用小倍率进 行测量，即选用“×10”倍率，由欧姆表读数规则知电流计的内阻为 36×10 Ω＝360 Ω。 (2)因多用电表电流流向是“红进黑出”，测量电阻两端电压时，选择开关 K 应接 3，电路开关 S 应闭合， 红表笔接 b，黑表笔接 a；测量通过电阻的电流时，选择开关 K 应接 1，由题图 3 可知，此时开关 S 应断开， 红表笔接 c，黑表笔接 b，串联接入电路中，由欧姆定律及多次测量求平均值的方法可知，被测电阻的阻值 Rx ＝1 3 U1 I1 ＋U2 I2 ＋U3 I3 。 答案：(1)×10 360 Ω (2)3 闭合 b 1 断开 c b 1 3 U1 I1 ＋U2 I2 ＋U3 I3 考点二、研究小灯泡的伏安特性 例 (2017·全国Ⅰ卷 T23)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 3.8 V，额 定电流 0.32 A)；电压表 V (量程 3 V，内阻 3 kΩ)；电流表 A (量程 0.5 A，内阻 0.5 Ω)；固定电阻 R0(阻 值 1 000 Ω)；滑动变阻器 R(阻值 0～9.0 Ω)；电源 E(电动势 5 V，内阻不计)；开关 S；导线若干。 (1)实验要求能够实现在 0～3.8 V 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 4 V，内阻 1.00 Ω)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) 【审题立意】本题考查小灯泡伏安特性曲线的实验描绘，要注意明确实验原理，知道实验中分析数据的基 本方法。注意在分析功率时只能根据图象进行分析求解，不能利用欧姆定律进行分析。 【解题思路】(1)要实现在 0～3.8 V 的范围内对小灯泡的电压进行测量，则滑动变阻器 需要设计成分压接法；电压表○V 应与固定电阻 R0 串联，将量程改为 4 V。由于小灯泡正常 发光时电阻约为 12 Ω，所以需将电流表外接。电路图如图所示。 (2)I-U 图象中随着电流的增大，图线的斜率变小，小灯泡的电阻增大。根据电阻定律 R ＝ρL S ，得灯丝的电阻率增大。 (3)当滑动变阻器接入电路中的阻值最大为 9.0 Ω时，流过小灯泡的电流最小，小灯泡的实际功率最小， 把滑动变阻器视为等效电源内阻的一部分，在题图(a)中画出等效电源 E0′(电 动势 4 V，内阻 1.00 Ω＋9.0 Ω＝10 Ω)的伏安特性曲线，函数表达式为 U ＝4－10I(V)，图线如图中Ⅰ所示，故小灯泡的最小功率为 Pmin ＝U1I1 ＝ 1.75×0.225 W≈0.39 W。当滑动变阻器接入电路中的阻值最小为零时，流过 小灯泡的电流最大，小灯泡的实际功率最大，在题图(a)中画出电源 E0(电动势 4 V，内阻 1.00 Ω)的伏安特性曲线，函数表达式为 U＝4－I(V)，图线如图中 Ⅱ所示，故小灯泡的最大功率为 Pmax＝U2I2＝3.68×0.318 W≈1.17 W。 【参考答案】(1)见解析图 (2)增大 增大 (3)0.39 1.17 【技能提升】1．描点作图时的注意事项 (1)单位长度的选取。 (2)平滑连接各点。 (3)尽量使图线占满整个坐标纸。 2．非线性元件与某电源连接后实际功率的求法 若该元件直接接在电源两端，一般是在该元件的伏安特性曲线中作出电源的路端电压随电流变化的关系图 线，两图线的交点即该元件的工作点，利用 P＝UI 求得元件的实际功率；若元件与某定值电阻 R0 串联后再接 入电源两端，则可将该定值电阻和电源等效为电源电动势为 E、内电阻为(r＋R0)的电源再进行分析。 【变式训练】某实验小组要判定两种元件的制作材料，已知其中一种是由金属材料制成的，它的电阻随温 度的升高而增大，而另一种是由半导体材料制成的，它的电阻随温度的升高而减小，准备的器材有： A．电源 E(电动势为 3.0 V，内阻不计) B．电压表 V1(量程 0～3 V，内阻约 1 kΩ) C．电压表 V2(量程 0～15 V，内阻约 4 kΩ) D．电流表 A1(量程 0～3 A，内阻约 0.1 Ω) E．电流表 A2(量程 0～0.6 A，内阻约 0.6 Ω) F．滑动变阻器 R1(0～5 Ω，3.0 A) G．滑动变阻器 R2(0～200 Ω，1.25 A) H．开关和若干导线 该小组成员对其中的一个元件进行了测试，测得通过其中的电流与加在它两端的电压数据如下表所示。 U/V 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.50 1.58 I/A 0.20 0.45 0.80 1.25 1.80 2.81 3.00 请完成以下内容： (1)实验中电压表应选用________，电流表应选用________，滑动变阻器应选用________(填写器材前对应 的字母)。 (2)请根据表中数据在图中作出该元件的 I-U 图线，该元件可能是由________(选填“金属”或“半导体”) 材料制成的。 (3)在(2)的基础上，该同学进一步分析，如果让一节电动势为 1.5 V、内阻为 0.5 Ω的干电池只对该元件 供电，则该元件消耗的功率为________W(结果保留两位有效数字)。 解析：(1)由表中数据可知电压表选用的是 B，电流表选用的是 D；滑动变阻器必须接成分压式，应选用阻 值较小的 F。 (2)根据表中数据描点并用平滑曲线连接，如图中①所示。由描绘的曲线可知，元件的电阻随温度的升高 而减小，所以元件是由半导体材料制成的。 (3)在元件的 I-U 图线中作出干电池的 I-U 图线，如图中②所示，可知交点坐标为 U＝0.95 V，I＝1.1 A， 所以元件消耗的功率为 P＝UI≈1.0 W。 答案：(1)B D F (2)解析图中①所示 半导体 (3)1.0 考点三、测定电源的电动势和内阻 例 某同学利用图甲所示电路测量电源电动势和内阻。 (1)实验中该同学记录的实验数据如下表，请在图乙的直角坐标系中画出 U-I 图象。 U/V 1.96 1.86 1.80 1.74 1.64 1.56 I/A 0.05 0.15 0.25 0.35 0.45 0.55 (2)根据所画的 U-I 图象，可求得电源电动势 E＝________V，内阻 r＝________Ω。 (3)随着滑动变阻器滑片的移动，电压表示数及电源的输出功率都会发生变化，则下列图中能正确反映 P 与 U 关系的是________，电源的最大输出功率为________W(保留两位有效数字)。 (4)实验完成后，该同学对实验方案进行了反思，认为按图甲电路进行实验操作的过程中存在安全隐患， 并重新设计电路，在下列电路中，你认为相对合理的电路是________(Rx 为未知小电阻)。 【解题思路】(1)根据实验数据在坐标系内描点并用直线连接，如图所示。 (2)由所画 U-I 图象可知，图线与纵轴交点的纵坐标为 2.0 V，图线的斜率的绝对值约为 0.83 Ω，即电源 电动势 E＝2.0 V，内阻 r＝0.83 Ω。 (3)电压表测的是路端电压，电源的输出功率 P＝UI，I＝U 内 r ，U 内＝E－U，联立可得 P＝－ U－E 2 2 r ＋E2 4r ，故 P-U 图线为一条过原点、开口向下的抛物线，图 C 正确。当电源内电压与路端电压相等时，输出功率最大，此 时路端电压是电动势的一半，最大功率为 P＝E2 4r ≈1.2 W。 (4)图 A 中，当滑动变阻器的滑片滑到最右端时，电源短路，存在安全隐患，A 错；图 B 中滑动变阻器采 用分压式接法，能保护电路，但不能测量出电路中的总电流，B 错；图 C 中滑动变阻器采用限流式接法，既能 保护电路，又能测出电源的电动势和内阻，C 对；图 D 中能测出电源电动势，但测不出电源的内电阻(测的是 Rx＋r)，D 错。 【参考答案】 (1)见解析图 (2)2.0 0.83 (3)C 1.2 (4)C 【技能提升】测量电源的电动势和内阻的基本原理是闭合电路欧姆定律，数据处理的主要思想方法是“化 曲为直”，常用的方法有三种： 1. 伏安法——利用电压表和电流表。闭合电路方程为 E＝U＋Ir，利用两组数据，联立方程求解 E 和 r； 也可作出 U－I 图象，图线的纵截距表示电源的电动势，斜率的绝对值表示电源的内阻。 2. 伏阻法——利用电压表和电阻箱。闭合电路方程为 E＝U(1＋r R )。利用两组数据联立方程求解或将方程 线性化，处理为1 U ＝r E ·1 R ＋1 E 或 U＝－rU R ＋E，作1 U －1 R 图象或 U－U R 图象，利用图线的截距和斜率求 E 和 r。 3. 安阻法——利用电流表和电阻箱。闭合电路方程为 E＝I(R＋r)，利用两组数据联立方程求解或将方程 线性化，处理为1 I ＝1 E ·R＋r E ，作1 I －R 图象，利用图线的截距和斜率求 E 和 r。 【变式训练】某实验小组甲、乙两同学要测量一节干电池的电动势和内阻。实验室有如下器材可供选择： A．待测干电池(电动势约为 1.5 V，内阻约为 0.8 Ω) B．电压表 V(量程 15 V) C．电流表 A1(量程 0～3 mA，内阻 RA1＝10 Ω) D．定值电阻 R(阻值为 50 Ω) E．电流表 A2(量程 0～0.6 A，内阻 RA2＝0.1 Ω) F．电阻箱 R0(0～9 999.9 Ω) G．滑动变阻器(0～20 Ω，1.0 A) H．开关、导线若干 (1)甲同学采用伏安法测量，为了尽量减小实验误差，在下列四个实验电路中应选用________。 (2)甲同学根据实验所测(或经过转换)的数据描绘出电源的 U-I 图线如图甲所示，则被测电池的电动势 E ＝________V，内阻 r＝________Ω。(结果均保留三位有效数字) (3)乙同学采用电流表和电阻箱进行测量，所用电路图如图乙所示，闭合开关后，改变电阻箱阻值，当电 阻箱阻值为 R1 时，电流表示数为 I1；当电阻箱阻值为 R2 时，电流表示数为 I2，请用 RA2、R1、R2、I1、I2 表示被 测电池的电动势 E＝____________，电池的内阻 r＝____________。 解析：(1)因电压表量程太大，直接使用误差很大，因此可将电流表 A1 与电阻箱串联改装成电压表，电流 表 A2 测电流，所以选用 D。 (2)图线与纵轴交点纵坐标约为 1.48 V，即电源电动势 E＝1.48 V，图线的斜率的绝对值|k|＝ |1.48－1.10 0－0.45 |Ω≈0.844 Ω，即电源的内阻 r≈0.844 Ω。 (3)由闭合电路欧姆定律知 E＝I1(R1＋RA2＋r)，E＝I2(R2＋RA2＋r)，联立得 E＝I1I2R1－R2 I2－I1 ，r＝I1R1－I2R2 I2－I1 － RA2。 答案：(1)D (2)1.48 0.844 (3)I1I2R1－R2 I2－I1 I1R1－I2R2 I2－I1 －RA2 考点四、电学创新拓展实验 例 (2017·全国Ⅱ卷 T23)某同学利用如图(a)所示的电路测量一微安表(量程为 100 μA，内阻大约为 2500 Ω)的内阻。可使用的器材有：两个滑动变阻器 R1、R2(其中一个阻值为 20 Ω，另一个阻值为 2000 Ω)；电阻 箱 Rz(最大阻值为 99999.9 Ω)；电源 E(电动势约为 1.5 V)；单刀开关 S1 和 S2。C、D 分别为两个滑动变阻器 的滑片。 (1)按原理图(a)将图(b)中的实物连线。 (2)完成下列填空： ①R1 的阻值为________Ω(填“20”或“2000”)。 ②为了保护微安表，开始时将 R1 的滑片 C 滑到接近图(a)中滑动变阻器的________端(填“左”或“右”) 对应的位置；将 R2 的滑片 D 置于中间位置附近。 ③将电阻箱 Rz 的阻值置于 2500.0 Ω，接通 S1。将 R1 的滑片置于适当位置，再反复调节 R2 的滑片 D 的位 置。最终使得接通 S2 前后，微安表的示数保持不变，这说明 S2 接通前 B 与 D 所在位置的电势________(填“相 等”或“不相等”)。 ④将电阻箱 Rz 和微安表位置对调，其他条件保持不变，发现将 Rz 的阻值置于 2601.0 Ω时，在接通 S2 前 后，微安表的示数也保持不变。待测微安表的内阻为_____Ω。(结果保留到个位) (3)写出一条提高测量微安表内阻精度的建议： ____________________________ ________________________________________________________________________。 【审题立意】本题以测定微安表内阻实验为背景，考查了根据实验原理图连接实物图的能力、对实验原理 的分析能力以及涉及精度改良方法的实验设计能力。 【解题思路】(1)根据题中的原理图(a)，将题图(b)中的实物连线如图所示。 (2)①R1 起分压作用，应选用最大阻值较小的滑动变阻器，即 R1 的电阻为 20 Ω。②为了保护微安表，闭 合开关前，滑动变阻器 R1 的滑片 C 应移到左端，确保微安表两端电压为零。③反复调节 D 的位置，使闭合 S2 前后微安表的示数不变，说明闭合后 S2 中没有电流通过，B、D 两点电势相等。④将电阻箱 Rz 和微安表位置对 调，其他条件保持不变，发现将 Rz 的阻值置于 2601.0 Ω时，在接通 S2 前后，微安表的示数也保持不变。说明 2 500.0 Ω RμA ＝ RμA 2 601.0 Ω ，则解得 RμA＝2550 Ω。 (3)要提高测量微安表内阻的精度，可调节 R1 上的分压，尽可能使微安表接近满量程。 【参考答案】(1)见解析图 (2)①20 ②左 ③相等 ④2550 (3)调节 R1 上的分压，尽可能使微安表接 近满量程 【技能提升】1. 高考考查特点 (1)该类实验的特点是题目来源于教材，但又高于教材； (2)实验的基本原理和思想方法是考查的核心。 2. 解题的常见误区及提醒 (1)要解决此类实验问题，应摒弃简单的背诵实验而应向分析理解实验转变； (2)熟练掌握欧姆定律、实验器材的选择和数据处理方法是融会变通的关键。 【变式训练】(2016·全国 III 卷 T22)某同学用图中所给器材进行与安培力有关的实验。两根金属导轨 ab 和 a1b1 固定在同一水平面内且相互平行，足够大的电磁铁(未画出)的 N 极位于两导轨的正上方，S 极位于两导 轨的正下方，一金属棒置于导轨上且与两导轨垂直。 (1)在图中画出连线，完成实验电路。要求滑动变阻器以限流方式接入电路，且在开关闭合后，金属棒沿 箭头所示的方向移动。 (2)为使金属棒在离开导轨时具有更大的速度，有人提出以下建议： A．适当增加两导轨间的距离 B．换一根更长的金属棒 C．适当增大金属棒中的电流 其中正确的是________(填入正确选项前的标号)。 解析：(1)实验电路连线如图所示。 (2)为使金属棒获得更大的速度，则金属棒运动时需要更大的加速度，根据牛顿第二定律有 a＝BIL m ，所以 增加磁感应强度、增大电流、增加两导轨间的距离都可以使加速度增大。故选项 A、C 正确，选项 B 错误。 答案：(1)实验电路连线如图所示 (2)AC