专题07 电学设计性实验的处理方法（精讲）2019年高考物理双基突破（二）

专题07 电学设计性实验的处理方法（精讲）2019年高考物理双基突破（二）

一、实验设计的考查 ‎1．明确实验目的 审题时要看清题目要求测定什么物理量，验证、探究什么物理规律，或者要求设计达到何种标准的电路。‎ ‎2．广泛联系、寻找原型、确定实验原理。‎ ‎3．根据实验原理与实验器材，迁移实验方法，确定实验方案。‎ ‎4．控制电路的选择 控制电路即滑动变阻器在电路中的连接，常有两种不同的形式，图甲为限流式，图乙为分压式。‎ ‎5．测量电路的选择 测量电路的选择即电流表在电路中有两种接法，图丙为电流表内接，图丁为电流表外接。‎ ‎6．电学实验仪器的选择 选择电学实验器材主要是选择电表、滑动变阻器、电源等器材，一般要考虑四方面因素：‎ ‎（1）安全因素：通过电源、电阻和电表的电流不能超过其允许的最大电流。‎ ‎（2）误差因素：选用电表量程应考虑尽可能减小测量值的相对误差，电压表、电流表在使用时，其指针应偏转到满偏刻度的以上；使用欧姆表时宜选用指针尽可能在中间刻度附近的倍率挡位。‎ ‎（3）便于操作：选用滑动变阻器时应考虑对外供电电压的变化范围既能满足实验要求，又便于调节。在调节滑动变阻器时，应使其大部分电阻线都用到。‎ ‎（4）实验实际：除以上三个因素外，还应注重实验实际，如所用的电源与打点计时器的匹配问题等。‎ ‎7．实物图连接的注意事项 ‎（1）画线连接各元件，一般先从电源正极开始，按照电路原理图依次到开关，再到滑动变阻器，按顺序以单线连接方式将主电路中串联的元件依次串联起来；其次将要并联的元件再并联到电路中去。‎ ‎（2）连线时要将导线接在接线柱上，两条导线不能交叉。‎ ‎（3）要注意电表的量程和正、负接线柱，要使电流从电表的正接线柱流入，从负接线柱流出。‎ ‎【题1】某同学为了测定一只电阻的阻值，采用了如下方法：‎ ‎（1）用多用电表粗测：多用电表电阻挡有4个倍率，分别为×1 k、×100、×10、×1。该同学选择“×100”倍率，用正确的操作步骤测量时。发现指针偏转角度太大（指针位置如图中虚线所示）。为了较准确地进行测量，请你补充完整下列依次应该进行的主要操作步骤：‎ a．_________________________________________________；‎ b．两表笔短接，调节欧姆调零旋钮，使指针指在零处；‎ c．重新测量并读数，若这时刻度盘上的指针位置如图中实线所示，测量结果是________。‎ ‎（2）该同学用伏安法继续测定这只电阻的阻值，除被测电阻外，还有如下实验仪器：‎ A．直流电源（电压3 V，内阻不计）‎ B．电压表（量程0～5 V，内阻约为5 kΩ）‎ C．电压表（量程0～15 V，内阻约为25 kΩ）‎ D．电流表（量程0～25 mA，内阻约为1 Ω）‎ E．电流表（量程0～250 mA，内阻约为0.1 Ω）‎ F．滑动变阻器一只，阻值0～201 Ω G．开关一只，导线若干 在上述仪器中，电压表应选择________（选填“”或“”），电流表应选择________（选填“”或“”），请在方框内画出电路原理图（电表用题中所给的符号表示）。‎ ‎【答案】（1）a.换用倍率“×10”挡　c．120 Ω　（2）　　见解析图 ‎（2）由于电源电动势只有3 V，所以选择量程为0～5 V的电压表；因电路中最大电流约为Im＝＝25 mA，所以选用量程0～25 mA的电流表；由于滑动变阻器最大阻值小于待测电阻的阻值，所以控制 ‎【题2】现有一量程为3 V的电压表，内阻约为5 kΩ～6 kΩ。为了较准确地测量其内阻，在没有电流表的情况下，某同学设计了如图甲所示的实验电路，按此电路可以测出电压表的内阻。‎ ‎（1）试根据如图甲所示的电路图，完成如图乙所示的实物电路的连线。‎ ‎（2）若电源E、滑动变阻器R2、电阻箱R1各有两组可供选择：‎ 电源E：a．电动势2.0 V，有内阻 b．电动势5.0 V，有内阻 滑动变阻器R2：a．最大阻值20 Ω b．最大阻值1 700 Ω 电阻箱R1：a．0～999.9 Ω b．0～9 999.9 Ω 为了减小实验误差，电源E应选________（填序号“a”或“b”，下同），滑动变阻器R2应选________，电阻箱R1应选________。‎ ‎（3）该同学在开关都断开的情况下，检查电路连接无误后，接通电路前应将滑动变阻器的滑动头P置于________ 端。后续必要的实验操作步骤依次是：________、________、________、________、________。最后记录R1的阻值并整理好器材。（请按合理的实验顺序，选填下列步骤前的字母）‎ A．闭合开关S1‎ B．闭合开关S2‎ C．断开开关S1‎ D．断开开关S2‎ E．调节R2的阻值，使电压表指针偏转到满刻度 F．调节R2的阻值，使电压表指针偏转到满刻度的一半 G．调节R1的阻值，使电压表指针偏转到满刻度的一半 H．调节R1的阻值，使电压表指针偏转到满刻度 ‎（4）按正确的实验步骤操作完成后，如果所得R1的阻值为 5 400.0 Ω，则图甲中被测电压表V的内阻RV的测量值为________ Ω，该测量值________实际值（选填“略大于”、“略小于”或“等于”）。‎ ‎【答案】（1）见解析图　（2）b　a　b　（3）A端　ABEDG或BAEDG　（4）5 400.0　略大于 ‎【解析】（1）如图所示。‎ ‎ ‎ ‎（3）接通电路前应将滑动变阻器的滑动头P置于A端，确保开始实验输出电压最小；实验过程中电压表先满偏，后半偏，起步骤可以为ABEDG或BAEDG。 ‎ 二、实验原理迁移的考查 将物理实验和物理原理结合，可设计出测量不同的物理量、探究不同问题的实验方案。教材中所学过的物理规律、物理公式中只要含有某一物理量，则该规律、公式就可作为研究或测定该物理量的原理基础而进行相应的实验设计。如用伏安法测电阻，R＝，也可迁移到测电压表内阻和电流表内阻上去。‎ ‎【题4】某同学在进行扩大电流表量程的实验时，需要知道电流表的满偏电流和内阻。他设计了一个用标准电流表来校对待测电流表的满偏电流和测定内阻的电路，如图所示。已知的量程略大于的量程，图中R1为滑动变阻器，R2为电阻箱。该同学顺利完成了这个实验。‎ ‎（1）实验过程包含以下步骤，其合理的顺序依次为________（填步骤的字母代号）。‎ A．闭合开关S2‎ B．分别将R1和R2的阻值调至最大 C．记下R2的最终示数 D．反复调节R1和R2的阻值，使的示数仍为I1，使的指针偏转到满刻度的一半，此时R2的最终示数为r E．闭合开关S1‎ ‎ F．调节R1使的指针偏转到满刻度，此时的示数为I1，记下此时的示数 ‎（2）仅从实验设计原理上看，用上述方法得到的内阻的测量值与真实值相比________（选填“偏大”、“偏小”或“相等”）。‎ ‎（3）若要将的量程扩大为I，并结合上述实验过程中测量的结果，写出需在上并联的分流电阻RS的表达式，RS＝________。‎ ‎【答案】（1）BEFADC　（2）相等　（3）‎ ‎（2）这种方法测量的的内阻与真实值相等。‎ ‎（3）扩大量程时原理如图所示。‎ 有（I－I1）RS＝I1r，解得RS＝。 ‎ ‎【题5】为了测量一个阻值较大的未知电阻，某同学使用了干电池（1.5 V），毫安表（1 mA），电阻箱（0～9 999 Ω），开关，导线等器材。‎ ‎（1）该同学设计的实验电路如图甲所示，实验时，将电阻箱阻值置于最大，断开K2，闭合K1，减小电阻箱的阻值，使电流表的示数为I1＝1.00 mA，记录电流值；然后保持电阻箱阻值不变，断开K1，闭合K2，此时电流示数为I2＝0.8 mA，记录电流值。由此可得被测电阻的阻值为________ Ω。‎ ‎（2）经分析，该同学认为上述方案中电源电动势的值可能与标称值不一致，因此会造成误差。为避免电源对实验结果的影响，又设计了如图乙所示的实验电路，实验过程如下：‎ 断开K1，闭合K2，此时电流表指针处于某一位置，记录相应的电流值，其大小为I；断开K2，闭合K1，调节电阻箱的阻值，使电流表的示数为________，记录此时电阻箱的阻值大小为R0。由此可测出Rx＝________。‎ ‎【答案】（1）375　（2）I　R0‎ ‎（2）依据图乙所示电路测电阻，毫安表起指示作用，用以检测电阻箱代替待测电阻后的电路等效性，根据等效替代法的测量原理，电流表示数仍为I，所以Rx＝R0。‎ ‎【题6】某同学为了测量电流表内阻的精确值，有如下器材：‎ 电流表（量程300 mA，内阻约为5 Ω）；‎ 电流表（量程600 mA，内阻约为1 Ω）；‎ 电压表（量程15 V，内阻约为3 kΩ）；‎ 滑动变阻器R1（0～5 Ω，额定电流为1 A）；‎ 滑动变阻器R2（0～50 Ω，额定电流为0.01 A）；‎ 电源E（电动势3 V，内阻较小）；‎ 定值电阻R0（5 Ω）；‎ 单刀单掷开关一个、导线若干。‎ 实验要求待测电流表的示数从零开始变化，且多测几组数据，尽可能地减小误差。‎ ‎（1）以上给定的器材中滑动变阻器应选________。‎ ‎（2）在虚线框内画出测量内阻的电路原理图，并在图中标出所用仪器的代号。‎ ‎ （3）若选测量数据中的一组来计算电流表的内阻r1，则r1的表达式为r1＝________；式中各符号的物理意义是____________________________________。‎ ‎【答案】（1）R1　（2）见解析图　（3）R0，I1、I2分别为某次实验时电流表、的示数，R0是定值电阻的阻值 ‎（3）通过定值电阻R0的电流为I2－I1，两端的电压等于R0两端的电压，所以r1＝R0，I1、I2分别为某次实验时电流表、的示数，R0是定值电阻的电阻值。‎ 三、实验数据处理方法迁移的考查 ‎【题7】某研究性学习小组利用如图甲所示电路测量电池组的电动势E和内阻r。根据实验数据绘出如图乙所示的R－图线，其中R为电阻箱读数、I为电流表读数，由此可以得到E＝________，r＝________。‎ ‎【答案】2.9 V　0.9 Ω ‎【题8】现有一电动势E约为9 V、内阻r约为 40 Ω 的电源，最大额定电流为50 mA，现有量程为3 V，内阻为2 kΩ的电压表和阻值为0～999.9 Ω的电阻箱各一只，另有若干定值电阻、开关和导线等器材，为测定该电源的电动势和内阻，某同学设计了如图甲所示的电路进行实验，请回答下列问题：‎ ‎（1）实验室备有以下几种规格的定值电阻R0，实验中应选用的定值电阻是（　　）‎ A．200 Ω　　　B．2 kΩ　　　C．4 kΩ　　　D．10 kΩ ‎（2）实验时，应先将电阻箱的电阻调到________（选填“最大值”“最小值”或“任意值”），目的是： ___________________。‎ ‎（3）该同学接入符合要求的R0后，闭合开关S，调整电阻箱的阻值，读取电压表的示数，根据记录的多组数据，作出如图乙所示的－ 图线，根据该图线可求得电源的电动势E＝________ V，内阻r＝________ Ω。（保留两位有效数字）‎ ‎【答案】（1）C　（2）最大值　保护电源　（3）8.6　36‎ ‎【解析】（1）定值电阻的作用是扩大电压表的量程到9 V，所以实验中应选用的定值电阻是C。‎ ‎（2）实验时，应先将电阻箱的电阻调到最大值，目的是保护电源。‎ ‎【题9】某同学利用图甲所示电路测量电容器充电时两极板间的电压随时间的变化。实验中使用的器材为：电池E（内阻很小）、开关S1和S2、电容器C（约100 μF）、电阻R1（约200 kΩ）、电阻R2（1 kΩ）、电压表（量程6 V）、秒表、导线若干。‎ ‎ ‎ ‎（1）按图甲所示的电路原理图将图乙中实物图连线。‎ ‎（2）先闭合开关S2，再断开开关S2；闭合开关S1，同时按下秒表开始计时。若某时刻电压表的示数如图丙所示，电压表的读数为________ V（保留2位小数）。‎ ‎（3）该同学每隔10 s记录一次电压表的读数U，记录的数据如表所示。在下面的坐标纸上绘出U－t图线。已知只有一个数据点误差较大，该数据点对应的表中的时间是________ s。‎ 时间t/s ‎10.0‎ ‎20.0‎ ‎30.0‎ ‎40.0‎ ‎50.0‎ ‎60.0‎ 电压U/V ‎2.14‎ ‎3.45‎ ‎4.23‎ ‎4.51‎ ‎5.00‎ ‎5.18‎ ‎（4）电路中C、R2和S2构成的回路的作用是________________________________。‎ ‎【答案】（1）见解析图　（2）3.60　（3）图线略　40.0　（4）实验前使电容器充分放电 ‎【解析】（1）如图所示。‎ ‎ ‎