2020届二轮复习专题六第13讲　电学实验与创新课件（99张）

2020届二轮复习专题六第13讲　电学实验与创新课件（99张）

第 13 讲 电学实验与创新 总纲目录 考点一 多用电表的原理及使用 考点二 实验器材与电路连接问题 考点四 电学创新实验 考点三 电路的设计与实验数据的处理 考点一　多用电表的原理及使用 1.(2019课标Ⅰ,23,10分)某同学要将一量程为250 μA的微安表改装为量程为2 0 mA的电流表。该同学测得微安表内阻为1 200 Ω,经计算后将一阻值为 R 的 电阻与该微安表连接,进行改装。然后利用一标准毫安表,根据图(a)所示电 路对改装后的电表进行检测(虚线框内是改装后的电表)。 (1)根据图(a)和题给条件,将图(b)中的实物连线。 (2)当标准毫安表的示数为16.0 mA时,微安表的指针位置如图(c)所示。由此可以推测出所改装的电表量程不是预期值 , 而是 　　　     。 ( 填正确答案标号 )   图 (c) A.18 mA 　　 B.21 mA C.25 mA 　　 D.28 mA (3)产生上述问题的原因可能是 　　　     。(填正确答案标号) A.微安表内阻测量错误,实际内阻大于1 200 Ω B.微安表内阻测量错误,实际内阻小于1 200 Ω C. R 值计算错误,接入的电阻偏小 D. R 值计算错误,接入的电阻偏大 (4)要达到预期目的,无论测得的内阻值是否正确,都不必重新测量,只需要将 阻值为 R 的电阻换为一个阻值为 kR 的电阻即可,其中 k = 　　　     。 答案 　(1)连线如图所示 (2)C　(3)AC　(4)   解析 　本题考查了电学实验中的电表改装的相关知识;考查了考生的实验能 力、分析推理能力 , 体现了物理核心素养中的科学探究要素 , 以及科学态度与 责任。 (1)本实验的目的是对电流表进行扩大量程的改装,故应将定值电阻 R 与微安 表并联。实物连线如答案图所示。 (2)当标准毫安表示数为16.0 mA时,微安表示数为0.16 mA,故当微安表指针 满偏时,测量的电流值应为25 mA,选项C正确。 (3)出现上述现象的原因可能有两个:一是并联电阻 R 偏小;二是微安表内阻测 量值偏小。故选A、C。 (4)设微安表内阻为 R 0 ,满偏电流为 I 0 ,改装成量程为 I 的电流表时并联电阻 R =   R 0 ,故 I =25 mA与 I '=20 mA对应的并联电阻的关系为 R '=   R ,代入数值得 k =   =   。 2(2019课标Ⅲ,23,10分)某同学欲将内阻为98.5 Ω、量程为100 μA的电流表改 装成欧姆表并进行刻度和校准,要求改装后欧姆表的15 kΩ刻度正好对应电 流表表盘的50 μA刻度,可选用的器材还有:定值电阻 R 0 (阻值14 kΩ),滑动变阻 器 R 1 (最大阻值1 500 Ω),滑动变阻器 R 2 (最大阻值500 Ω),电阻箱(0~99 999.9 Ω),干电池( E =1.5 V, r =1.5 Ω),红、黑表笔和导线若干。 (1)欧姆表设计 将图 (a) 中的实物连线组成欧姆表。欧姆表改装好后 , 滑动变阻器 R 接入电路 的电阻应为 　　　     Ω; 滑动变阻器选 　　　     ( 填“ R 1 ”或“ R 2 ” ) 。 (2)刻度欧姆表表盘 通过计算,对整个表盘进行电阻刻度,如图(b)所示。表盘上 a 、 b 处的电流刻 度分别为25和75,则 a 、 b 处的电阻刻度分别为 　　　     、 　　　     。   图(b) (3)校准 红、黑表笔短接,调节滑动变阻器,使欧姆表指针指向 　　　     kΩ处;将红、 黑表笔与电阻箱连接,记录多组电阻箱接入电路的电阻值及欧姆表上对应的 测量值,完成校准数据测量。若校准某刻度时,电阻箱旋钮位置如图(c)所示, 则电阻箱接入的阻值为 　　　     Ω。   答案 　(1)连线如图　900     R 1   (2)45　5　(3)0　35 000.0 解析 　 本题考查了欧姆表的改装及电阻箱的读数,考查了学生的实验能力, 体现了科学思维中的科学推理素养要素,渗透了实践的价值观念。 (1)由题意知改装的欧姆表的中值电阻即内阻为15 kΩ,即 R 0 + r g + r + R =15 kΩ,故 R =15 kΩ-14 kΩ-98.5 Ω-1.5 Ω=900 Ω。由于滑动变阻器接入电路中的阻值大 于 R 2 的最大阻值,故只能选用 R 1 。 (2)由闭合电路的欧姆定律有: 1.5 V=25 μA × ( R a +15 kΩ),1.5 V=75 μA × ( R b +15 kΩ),解得 R a =45 kΩ, R b =5 kΩ。 (3)红、黑表笔短接,进行欧姆调零。由图得电阻箱的读数为3 × 10 kΩ+5 × 1 k Ω+0 × 100 Ω+0 × 10 Ω+0 × 1 Ω+0 × 0.1 Ω=35 000.0 Ω。   1.使用多用电表的几个注意事项 (1)电流的流向:由于使用多用电表时不管测量什么,电流都要从电表的“+” 插孔(红表笔)流入,从“-”插孔(黑表笔)流出,所以使用欧姆挡时,多用电表内 部电池的正极接的是黑表笔,负极接的是红表笔。 (2)要区分“机械零点”与“欧姆零点”:“机械零点”在表盘刻度左侧 “0”位置,用表盘下边中间的指针定位螺丝调整;“欧姆零点”在表盘刻度 的右侧电阻刻度“0”位置,用欧姆调零旋钮调整。 (3)测电阻时每变换一次挡位,都要重新进行欧姆调零。 (4)选倍率:测量前应根据估计阻值选用适当的挡位。由于欧姆挡的刻度不均 匀,使用欧姆挡测电阻时,指针偏转过大或过小都有较大误差,通常只使用表 盘中间的一段刻度范围。 (5)测电阻时要将电阻与其他元件断开,不要用手同时接触多用电表的两支表 笔。 (6)多用电表使用完毕应将选择开关旋至“OFF”挡或交流电压最高挡。 2.欧姆挡刻度不均匀的原因 当红、黑表笔短接时,调节滑动变阻器 R 0 (即欧姆调零),使灵敏电流计满偏, I g =   ,此时中值电阻 R 中 = R g + R 0 + r ,当两表笔接入电阻 R x 时 I =   , 电阻 R x 与电路中的电流相对应,但不是线性关系,故欧姆挡刻度不均匀。   1.(2019云南曲靖模拟)小明同学在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中, 为了更准确选取电压表和电流表的合适量程,决定先用多用电表测量小灯泡 的阻值。 (1)在使用前发现电表指针位置如图甲所示,该同学应该调节哪个位置 　　          (选“①”或者“②”)。 (2)小明使用多用电表欧姆挡的“ × 10”挡测量小灯泡电阻阻值,读数如图乙 所示,为了更准确地进行测量,小明应该旋转开关至欧姆挡 　　　     (填“ × 10 0”或“ × 1”),两表笔短接并调节 　　　     (选“①”或者“②”)。 (3)按正确步骤测量时,指针指在如图丙位置,则小灯泡阻值的测量值为 　     　     Ω。 答案 　(1)①　(2) × 1　②　(3)28 解析 　(1)由题图甲可知,电表指针没有指在左侧零刻度处,故应进行机械调 零,故应用螺丝刀调节旋钮①。 (2)由题图乙可知,测量电阻时指针偏转较大,表盘上示数偏小,则说明所选挡 位太大,故应换用小挡位,故选“ × 1”;同时每次换挡后均应进行欧姆调零,故 将两表笔短接,调节欧姆调零旋钮②使指针指到右侧零刻度处。 (3)由题图丙可知,电阻 R =28 × 1 Ω=28 Ω。 2.某同学试着把电流表改装成能够测量导体电阻的欧姆表。在实验室他找 了一节干电池(电动势 E =1.5 V、内阻 r =2.5 Ω),待改装的电流表(满偏电流 I g =5 mA、内阻 R g =17.5 Ω)。该同学设计了如图所示的电路图, A 、 B 为接线柱, R 为 滑动变阻器。   (1)使用改装好的欧姆表测量导体电阻前应该进行“欧姆调零”,此时应调节 滑动变阻器 R 的阻值为 　　　     Ω。 (2)欧姆调零后,发现在 A 、 B 间接入阻值不同的电阻时,电流表读数不同。若 在电流表刻度线上直接标注相应电阻,则可直接读出 A 、 B 间接入的电阻,电 流表就改装成了一块能够测量导体电阻的欧姆表。电流表“3.0 mA”刻度 线应标为 　　　     Ω;为了操作方便,在 A 、 B 处用红、黑表笔接出,其中红表 笔应接在 　　　     (填“ A ”或“ B ”)处。 答案 　(1)280　(2)200     A 解析 　(1)欧姆调零时,应该将 A 、 B 短接,调节滑动变阻器 R ,使欧姆表指针指 到0 Ω,即电流表达到满偏电流 I g ,由闭合电路欧姆定律得 R =   - r - R g =   Ω- 2.5 Ω-17.5 Ω=280 Ω。 (2)保持 R 阻值不变,在 A 、 B 间接入电阻 R x 时,通过电流表的电流为 I 1 =3.0 mA, 由闭合电路欧姆定律有 R x =   -   =   Ω-   Ω=200 Ω;为了操作方便,在 A 、 B 处用红、黑表笔接出,根据电流从红表笔进、从黑表笔出的原则,红表 笔应接在 A 处。 考点二　实验器材与电路连接问题   (2017课标Ⅱ,23,9分)某同学利用如图(a)所示的电路测量一微安表(量程为10 0 μA,内阻大约为2 500 Ω)的内阻。可使用的器材有:两个滑动变阻器 R 1 、 R 2 (其中一个阻值为20 Ω,另一个阻值为2 000 Ω);电阻箱 R z (最大阻值为99 999.9 Ω);电源 E (电动势约为1.5 V);单刀开关S 1 和S 2 。 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: ① R 1 的阻值为 　　　     Ω(填“20”或“2 000”)。 ②为了保护微安表,开始时将 R 1 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 R 2 的滑片 D 置于中间位置附近。 ③将电阻箱 R z 的阻值置于2 500.0 Ω,接通S 1 。将 R 1 的滑片置于适当位置,再反 复调节 R 2 的滑片 D 的位置。最终使得接通S 2 前后,微安表的示数保持不变,这 说明S 2 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 R z 和微安表位置对调 , 其他条件保持不变 , 发现将 R z 的阻值置于 2 6 01.0 Ω 时 , 在接通 S 2 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 :           。 答案 　(1)如图所示   (2)①20　②左　③相等　④2 550 (3)调节 R 1 上的分压,尽可能使微安表接近满量程 解析　本题考查实物图连线、电阻的测量、器材的选取,考查学生的实验能 力。 (2)① R 1 为分压电阻,为了有效控制测量电路,故选20 Ω的小电阻; ②为了保护微安表,开始 R 1 的滑片 C 应滑到左端,使微安表示数为零; ③当 B 与 D 的电势相等时, I DB =0,S 2 闭合前后电路的电阻不变,导致微安表的示 数不变; ④设 R 2 中电流为 I 1 , R z 中电流为 I 2 ,当 φ B = φ D 时 U Rz 1 = U R 2左 , U R g = U R 2右 即 I 2 · R z 1 = I 1 R 2左 , I 2 R g = I 1 R 2右 得   =   当 R z 与微安表对调时,有   =   故有   =   R g =   =   Ω=2 550 Ω。 (3)为了提高测量微安表内阻精度,调节 R 1 上的分压,尽可能使微安表接近满量 程。   1.选择实验器材的三大原则 (1)安全性原则:要能够根据实验要求和客观条件选用合适的器材,使实验切 实可行,能达到预期目标。另外还要注意测量器材的量程,电阻类器件的电流 不能超过允许通过的最大电流等。 (2)精确性原则:根据实验的需要,选用精度合适的测量工具,但对某个实验来 讲,精确程度达到要求即可,并不是精度越高越好。 (3)方便性原则:在不违反前两个原则的前提下,尽量使测量电路简单好接,测 量中的调节控制操作方便。 ①用分压式接法时,滑动变阻器应该选用阻值较小的,而额定电流较大的。 ②用限流式接法时,滑动变阻器应该选用阻值和被测电阻接近的,额定电流应 大于被测电阻的额定电流。 2.实物连图“三注意” (1)根据电路原理图,采用“先串后并”的方法。例如滑动变阻器分压式连 接,一般先将电源、开关、滑动变阻器的全部电阻连接,然后将滑动变阻器分 压部分、待测电阻,电表部分连接。 (2)注意电压表、电流表的正负接线柱及量程的选取。 (3)开关控制全电路,导线之间不交叉。 考向一　伏安法测电阻 1.某同学测量电阻 R x 的阻值(阻值约为25 kΩ),现备有下列器材: A.电流表(量程为0~100 μA,内阻约2 kΩ) B.电流表(量程为0~500 μA,内阻约300 Ω) C.电压表(量程为0~15 V,内阻约100 kΩ) D.电压表(量程为0~50 V,内阻约500 kΩ) E.直流电源(20 V,允许最大电流1 A) F.滑动变阻器(最大阻值1 kΩ,额定功率1 W) G.开关一个和导线若干 电流表应选 　　　     ,电压表应选 　　　     。(填字母代号) 该同学正确选择仪器后连接了以下电路,为保证实验顺利进行,并使测量误差 尽量减小,实验前请你检查该电路,指出电路在接线上存在的问题: (1)       ; (2)       。 答案     B　C　(1)电流表应采用内接法　(2)滑动变阻器应采用分压接法 解析 　通过待测电阻的最大电流 I m =   ≈   A=8 × 10 -4 A=800 μA ,故选量 程为0~500 μA的电流表。考虑电流表的量程,通过电阻 R x 的最大电流 I m '=500 μA,所以对应最大电压 U m '= I m '· R x =12.5 V,选量程为0~15 V的电压表即可。 (1)由题给数据可知   =   ≈ 83,   =   =4。相对而言,待测电阻阻值 比电流表的内阻大很多,为减小系统误差,电流表应采用内接法。 (2)由于滑动变阻器的最大阻值比待测电阻阻值小很多,若采用限流接法, R x 两 端的电压或电流调节范围很小,且都超过电表的量程,为了便于调节和保证电 表的安全,滑动变阻器应采用分压接法。 考向二　测金属的电阻率 2.(2019陕西宝鸡模拟)实验室购买了一捆标称长度为100 m的铜导线,某同学 想通过实验测定其实际长度。该同学首先测得导线的横截面积为1.0 mm 2 ,查 得铜的电阻率为1.7 × 10 -8 Ω·m,再利用图甲所示的电路测出铜导线的电阻 R x ,从 而确定导线的实际长度。 甲   乙 可供选用的器材有: 电流表:量程0~0.6 A,内阻约0.2 Ω 电压表:量程0~3 V,内阻约9 kΩ 滑动变阻器 R 1 :最大阻值5 Ω 滑动变阻器 R 2 :最大阻值20 Ω 定值电阻: R 0 =3 Ω 电源:电动势6 V,内阻可不计 开关一个、导线若干 回答下列问题: (1)实验时滑动变阻器应选 　　　     (填“ R 1 ”或“ R 2 ”),闭合开关S前应将滑 片移至 　　　     (填“ a ”或“ b ”)端。 (2)在实物图中,已正确连接了部分导线,请根据图甲电路在图丙中完成剩余 部分的电路连接。   丙 (3)调节滑动变阻器,当电流表的读数为0.50 A时,电压表示数如图乙所示,读 数为 　　　     V。 (4)导线的实际长度为 　　     m(保留两位有效数字)。 答案 　(1) R 2      a 　(2)如图所示   (3)2.30(2.29、2.31均正确) (4)94(93、95均正确) 解析　(1)由电阻定律 R = ρ   得,铜导线电阻 R x 约为1.7 Ω,电路中 R x + R 0 约4.7 Ω, 若选最大阻值为5 Ω的滑动变阻器 R 1 ,则电路中电流将超过电流表量程,故滑 动变阻器选 R 2 。为保护电路,闭合开关S前应将滑动变阻器的滑片移至 a 端,使 其接入电路的阻值最大。 (2)图见答案。 (3)电压表量程为0~3 V,指针在2后第3条刻线处,故读数为2.30 V(2.29 V或2.3 1 V均可)。 (4)由欧姆定律可得 R 0 + R x =   =   Ω=4.6 Ω ,则 R x =1.6 Ω,由 R x = ρ   得 L ≈ 94 m。 考向三　测电源的电动势和内电阻 3.小明利用如图甲所示的电路测定旧电池组的电动势与内电阻。 (1)根据图甲将图乙中的实物连线补充完整。 (2)由图丙可知:该电池组的电动势 E = 　　　     V,内阻 r = 　　　     Ω(保留两位 有效数字)。     (3)小明又利用上述实验方案测定了同规格新电池组的电动势与内电阻。通 过实验发现旧电池组与新电池组相比,电动势几乎没有变化,但它们的输出功 率 P 随外电阻 R 变化的关系图线有较大差异,如图丁所示。可知图线 　　　    (选填“ A ”或“ B ”)对应的是新电池组,试说出判断的理由:           。 答案 　(1)见解析　(2)4.3　7.2　(3) B 　理由见解析 解析 　(1)如图所示   (2)图像与纵坐标的交点为电源的电动势,由题图丙可知,电动势 E =4.3 V;内阻 r =   Ω ≈ 7.2 Ω。 (3)由公式 P = I 2 R 、 I =   及题图丁知,外电阻相同时, B 的输出功率大,电流 大、电池组的内阻小,故 B 为新电池组。 考向四　描绘小灯泡的伏安特性曲线 4.某实验小组的同学在做“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验时,实验室 提供了如下的实验器材: A.小灯泡(额定电压为4 V、额定功率为2 W) B.电压表(量程为0~5 V、内阻为10 kΩ) C.电压表(量程为0~10 V、内阻为20 kΩ) D.电流表(量程为0~0.3 A、内阻为1 Ω) E.电流表(量程为0~0.6 A、内阻为0.4 Ω) F.滑动变阻器(0~5 Ω、10 A) G.滑动变阻器(0~500 Ω、0.2 A) H.蓄电池(电动势为5 V,内阻不计) I.开关、导线若干   请回答下列问题: (1)为了较精确地描绘出小灯泡的伏安特性曲线,该小组的同学在完成实验 时,电压表应选 　　　     ,电流表应选 　　　     ,实验中电压以及电流要求从 零开始调节,则滑动变阻器应选 　　　     。(填器材前面的字母代号) (2)选择好合适的实验器材后,请设计符合实验要求的电路图,并用笔画线代 替导线将图所示实物图连接完整。 (3)闭合开关前,滑动变阻器的滑动触头应置于最 　　     端。(填“左”或 “右”) 答案     (1)B　E　F　(2)如解析图甲、乙所示　(3)左 解析 　(1)因小灯泡的额定电压为4 V,为保证安全,选用的电压表量程应大于 4 V,电压表量程太大则会使测量误差较大,故选用量程为0~5 V的电压表;由 P 额 = U 额 I 额 得,灯泡的额定电流 I 额 =   =0.5 A,故应选择量程为0~0.6 A的电流表; 实验中电压从零开始变化,故滑动变阻器采用分压式接法,而分压式接法中应 选总阻值较小的滑动变阻器。 (2)小灯泡在额定电压下的电阻为 R =   =8 Ω,电压表内阻远大于小灯泡电阻, 故电流表应采用外接法,实验电路图和实物连接图如图甲、乙所示。 (3)闭合开关前,应将滑动变阻器的滑动触头置于最左端。 考点三　电路的设计与实验数据的处理   (2018课标Ⅰ,23,10分)某实验小组利用如图(a)所示的电路探究在25 ℃~80 ℃ 范围内某热敏电阻的温度特性。所用器材有:置于温控室(图中虚线区域)中 的热敏电阻 R T ,其标称值(25 ℃时的阻值)为900.0 Ω;电源 E (6 V,内阻可忽略); 电压表   (量程150 mV);定值电阻 R 0 (阻值20.0 Ω),滑动变阻器 R 1 (最大阻值为1 000 Ω);电阻箱 R 2 (阻值范围0~999.9 Ω);单刀开关S 1 ,单刀双掷开关S 2 。   图(a) 实验时,先按图(a)连接好电路,再将温控室的温度 t 升至80.0 ℃。将S 2 与1端接 通,闭合S 1 ,调节 R 1 的滑片位置,使电压表读数为某一值 U 0 ;保持 R 1 的滑片位置不 变,将 R 2 置于最大值,将S 2 与2端接通,调节 R 2 ,使电压表读数仍为 U 0 ;断开S 1 ,记下 此时 R 2 的读数。逐步降低温控室的温度 t ,得到相应温度下 R 2 的阻值,直至温度 降到25.0 ℃。实验得到的 R 2 - t 数据见下表。 　　回答下列问题: (1)在闭合S 1 前,图(a)中 R 1 的滑片应移动到 　　     (填“ a ”或“ b ”)端; (2)在图(b)的坐标纸上补齐数据表中所给数据点,并做出 R 2 - t 曲线; t /℃ 25.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 R 2 /Ω 900.0 680.0 500.0 390.0 320.0 270.0 240.0 (3)由图(b)可得到 R T 在25 ℃~80 ℃范围内的温度特性。当 t =44.0 ℃时,可得 R T = 　　　     Ω; (4)将 R T 握于手心,手心温度下 R 2 的相应读数如图(c)所示,该读数为 　　　     Ω, 则手心温度为 　　　     ℃。 答案 　(1) b 　(2)如图所示       　　(3)450　(4)620.0　33.0 解析 　本题考查替代法测电阻、绘图能力及电阻箱的读数等。 (1)滑动变阻器是限流式接法,S 1 闭合前,滑片应置于使滑动变阻器连入电路的阻值最大的位置,即 b 端。 　　(2)由题给数据描完点后,观察这些点的分布规律,应画一条平滑曲线,让 尽可能多的点落在线上,不在线上的点要均匀分布在线的两侧。 　　(3)由 R 2 - t 图线知,当 t =44.0 ℃时, R T =450 Ω。 　　(4)电阻箱的读数为(6 × 100+2 × 10+0 × 1+0 × 0.1)Ω=620.0 Ω,由 R 2 - t 图像知,当 R 2 =620.0 Ω时, t =33.0 ℃。   1.电流表的内接法和外接法的比较 2.滑动变阻器的限流式接法和分压式接法(不计电源内阻) 限流式接法 分压式接法 对比说明 两种接法电路图     串、并联关系不同 负载 R 上电压调节范围   ≤ U ≤ E 0 ≤ U ≤ E 分压电路调节范围大 负载 R 上电流调节范围   ≤ I ≤   0 ≤ I ≤   分压电路调节范围大 闭合S前滑片 P 位置 b 端 a 端 都是为了保护电路元件 3.实验数据处理的方法有三种: (1)公式法 根据实验原理,结合物理公式,计算所研究的物理量。通常计算多组数据,最 后采用取平均值的方法,减小实验偶然误差。 (2)列表法:把被测物理量分类列表表示出来,表中对各物理量的排列习惯上 是先记录原始数据,后计算结果,列表法可大体反映某些因素对结果的影响, 常用作其他数据处理方法的一种辅助手段。 (3)图像法:把实验测得的量按自变量和因变量的函数关系用图像直观地显示 出来。根据实验数据在坐标纸上画出图像。若是反比关系一般改画成正比 图像 , 同时注意图像斜率、图像截距的物理意义。值得注意的是 , 创新实验的 落脚点几乎都是图像 , 故备考时一定要将图像法处理数据作为重中之重。 考向一　探究小灯泡的伏安特性 1.在探究小灯泡的伏安特性时,所用小灯泡上标有“2.5 V　0.6 W”字样,实 验室提供的器材有: A.电流表A 1 (内阻约为5 Ω、量程为0~25 mA) B.电流表A 2 (内阻约为1 Ω、量程为0~300 mA) C.电压表V 1 (内阻约为5 kΩ、量程为0~3 V) D.电压表V 2 (内阻约为15 kΩ、量程为0~15 V) E.滑动变阻器 R 1 (最大阻值为10 Ω、额定电流为0.6 A) F.滑动变阻器 R 2 (最大阻值为1 000 Ω、额定电流为0.2 A) G.稳压电源 E (电动势为9.0 V、内阻可忽略) H.开关一个、定值电阻若干、导线若干 由以上信息回答下列问题: (1)实验前设计的电路图如图1所示。为了减小实验误差,该实验所用的电流 表、电压表、滑动变阻器分别为 　　     (选填器材前的字母)。为保护滑动 变阻器和灯泡,应在电路中串联的定值电阻 R 0 合适的电阻值应为 　　     (选填 “1 Ω”“10 Ω”“30 Ω”或“100 Ω”)。   图1 (2)请确定测量电路中电压表右侧导线的正确位置后,在图2中用笔画线代表 导线,将实物完整连接起来。   图2 (3)连接好电路后,通过改变滑动变阻器的滑片位置,并通过计算机描绘了该 小灯泡的伏安特性曲线如图3所示。若将两个这样的小灯泡并联后直接接在 电动势 E =3 V、内电阻 r =5 Ω的电源上,每个小灯泡所消耗的实际功率为 　          W。(结果保留两位有效数字)   图3 答案 　(1)B、C、E　10 Ω (2)如图所示   (3)0.22(0.21~0.23) 解析 　(1)由额定值可知小灯泡的额定电流为 I =   =0.24 A=240 mA,故电压表 选用量程为0~3 V的C、电流表选用量程为0~300 mA的B。为调节方便,滑动 变阻器选用总阻值较小的E。因滑动变阻器额定电流为0.6 A,则要求电路中 阻值至少为 R =   =15 Ω才满足安全性要求。而滑动变阻器最大阻值为10 Ω, 故定值电阻 R 0 选用10 Ω 的合适。 (2)灯泡电压要从0开始变化,滑动变阻器采用分压接法,灯泡电阻 R L =   ≈ 10. 4 Ω<   ,电流表采用外接法。所接实物图见答案。 (3)设此时每个灯泡两端电压为 U 、通过每个灯泡的电流为 I ,则由闭合电路欧 姆定律有 E = U +2 Ir ,即 I =   -   ,在小灯泡的 I - U 图像中作出此图线如图所示,两 图线交点坐标为(1.2 V,0.18 A),故每个灯泡的实际功率为 P = IU ≈ 0.22 W。   考向二　测电源的电动势和内电阻 2.在“测定电源的电动势和内阻”的实验中,备有下列器材: A.待测的干电池一节 B.电流表A 1 (量程0~3 mA,内阻 R g1 =10 Ω) C.电流表A 2 (量程0~0.6 A,内阻 R g2 =0.1 Ω) D.滑动变阻器 R 1 (0~20 Ω,1.0 A) E.电阻箱 R 0 (0~9 999.9 Ω) F.开关和若干导线 (1) 某同学发现上述器材中没有电压表 , 他想利用其中的一只电流表和电阻箱 改装成一只电压表 , 其量程为 0~3 V, 并设计了图甲所示的 a 、 b 两个参考实验 电路(虚线框内为改装电压表的电路),其中合理的是 　　　     (选填“a”或 “b”)电路;此时 R 0 的阻值应取 　　　     Ω。   甲 (2) 图乙为该同学根据合理电路所绘出的 I 1 - I 2 图像 ( I 1 为电流表 A 1 的示数 , I 2 为电 流表 A 2 的示数 ) 。根据该图线可得被测电池的电动势 E = 　　　     V, 内阻 r =      　　     Ω。 乙 答案 　(1)b　990 (2)1.48(1.46~1.49之间均正确)　0.84(0.82~0.87之间均正确) 解析 　(1)首先需要剩余一个电流表测量电流,又因为电路中的电流不会小于 3 mA,所以要用 A 2 来测量电流,因此需要将 A 1 进行改装,故选b电路;其次根据电 表的改装原理可知, U = I ( R g1 + R 0 ),解得 R 0 =990 Ω。 (2)根据闭合电路欧姆定律可知, I 1 × 1 000= E - I 2 r ,将图线延长,根据纵轴截距知 该电池的电动势为1.48 V,根据斜率可得内阻为0.84 Ω。 考向三　测量电表的内阻 3.要测量灵敏电流表G 1 的内阻 R g1 ,实验室可供选择的实验器材如下: ①待测电流表G 1 (0~5 mA,内阻约为300 Ω) ②电流表G 2 (0~10 mA,内阻约为100 Ω) ③定值电阻 R 1 (阻值为300 Ω) ④定值电阻 R 2 (阻值为10 Ω) ⑤滑动变阻器 R 3 (阻值为0~1 000 Ω) ⑥滑动变阻器 R 4 (阻值为0~20 Ω) ⑦干电池( E =3 V,内阻不计) ⑧开关S及导线若干 (1)实验中要求电流能从零开始调节,定值电阻和滑动变阻器应分别选择 　     　     (填写器材前的序号)。请在虚线框中画出符合要求的实验电路图。 (2)按电路图连接实物后,进行多次测量,记录电流表G 1 、G 2 的读数 I 1 、 I 2 ,以 I 2 为纵坐标, I 1 为横坐标,作出相应图线如图甲所示。写出待测电流表的内阻的 表达式 R g1 = 　　　     (用 I 2 - I 1 图线的斜率 k 及定值电阻的符号表示)。   甲 (3)若实验中测得 R g1 =320 Ω,利用图乙所示电路可将电流表G 1 改装成量程为0~ 15 mA和0~50 mA的双量程电流表,由题给条件和数据,计算并联电阻的阻值 R A = 　　　     Ω, R B = 　　　     Ω。   乙 答案 　(1)③、⑥　电路图见解析 (2)( k -1) R 1 　(3)48　112 解析 　(1)由于待测电流表G 1 的量程小于电流表G 2 的量程,根据欧姆定律可知 应将与待测电流表内阻接近的定值电阻 R 1 与其并联,所以定值电阻应选③;由 于滑动变阻器采用分压式接法时,滑动变阻器的最大阻值越小调节越方便,所 以应选择最大阻值较小的⑥。电路图如图所示: (2)根据根据串、并联电路规律可知 I 2 = I 1 +   = I 1 +   =   I 1 = kI 1 ,即斜率 k =   ,解得 R g1 =( k -1) R 1 。 (3)量程为0~15 mA时有15 mA= I 1 + I AB = I 1 +   = I 1   ,代入数据整理 可得 R A + R B =160 Ω;量程为0~50 mA时有50 mA= I 1 + I A = I 1 +   = I 1   ,代入数据整理可得9 R A =320 Ω+ R B ,联立解得 R A =48 Ω, R B =112 Ω。 考点四　电学创新实验   (2019课标Ⅱ,23,10分)某小组利用图(a)所示的电路,研究硅二极管在恒定电流 条件下的正向电压 U 与温度 t 的关系,图中   和   为理想电压表; R 为滑动变阻 器, R 0 为定值电阻(阻值100 Ω);S为开关, E 为电源。实验中二极管置于控温炉 内,控温炉内的温度 t 由温度计(图中未画出)测出。图(b)是该小组在恒定电流 为50.0 μA时得到的某硅二极管 U - t 关系曲线。回答下列问题:   图(a) (1)实验中,为保证流过二极管的电流为50.0 μA,应调节滑动变阻器 R ,使电压 表   的示数为 U 1 = 　　　     mV;根据图(b)可知,当控温炉内的温度 t 升高时,硅 二极管正向电阻 　　　     (填“变大”或“变小”),电压表   示数 　　　     (填“增大”或“减小”),此时应将 R 的滑片向 　　　     (填“ A ”或“ B ”)端 移动,以使   示数仍为 U 1 。 (2)由图(b)可以看出 U 与 t 成线性关系。硅二极管可以作为测温传感器,该硅二 极管的测温灵敏度为   = 　　　     × 10 -3 V/℃(保留2位有效数字)。   图(b) 答案 　(1)5.00　变小　增大     B (2)2.8 解析 　本实验考查运用闭合电路欧姆定律计算电压,并且分析了硅二极管两 端的电压与温度的关系,考查学生的实验能力,体现了科学探究核心素养,又 体现了创新思维和创新意识的价值观念。 (1)实验中 I =50.0 μA, R 0 =100 Ω,所以 U 1 = IR 0 =5.00 mV,因为图(b)是在恒定电流条件下得到的图像,斜率为负值,所以随温度的升高,硅二极管正向电压变小,由 R 硅 =   ,可知硅二极管正向电阻变小,则回路中电流变大,且 R 0 为定值电阻,   的示数增大。为了确保回路中电流恒定,应使滑动变阻器的阻值变大,故滑片应向 B 端滑动。 (2)图(b)中图线纵轴截距为0.44 V,所以   =   V/℃=2.8 × 10 -3 V/℃。 创新性实验是根据已知的实验方法设计一个新的实验方案,设计实验原理是 创新性实验设计的根本依据和关键。应根据问题的要求和条件,确定实验原 理,再通过分析与计算,找出待测量与已知量之间的函数表达式,最后设计合 适的实验步骤。 1.创新性实验的基本思路: 明确目的→选择方案→选定器材→实验操作→数据处理→得出结论 2.解决电学设计型实验常用的方法 (1)转换法:将不易测量的物理量转换成易于测量的物理量进行测量,然后再 求待测物理量的值,这种方法叫转换测量法(简称转换法)。如在测量金属丝 电阻率的实验中,虽然无法直接测量电阻率,但可通过测量金属丝的长度和直 径,并将金属丝接入电路测出其电阻,然后再计算出它的电阻率。 (2)替代法:用一个标准的已知量替代被测量,通过调整标准量,使整个测量系 统恢复到替代前的状态,则被测量等于标准量。 (3)控制变量法:研究一个物理量与其他几个物理量的关系时,要使其中的一 个或几个物理量不变,分别研究这个物理量与其他各物理量的关系,然后再归 纳总结,如探究电阻的决定因素实验。 考向一　实验原理的拓展与创新 1.(2019广东广州模拟)如图中矩形框内存在一沿水平方向且与金属棒垂直的 匀强磁场,金属棒放在电子秤上。现通过测量通电导线在磁场中所受的安培 力,来测量磁场的磁感应强度大小并判定其方向。 (1)在图中画线连接完成实验电路图,要求接通电源后电流由 a 流向 b 。 (2)完成下列主要实验步骤中的填空: ①按图接线; ②保持开关S断开,读出电子秤的示数 m 0 ; ③闭合开关S,调节 R 的阻值使电流大小适当,此时电子秤仍有读数,然后读出 并记录 　　　　　　     、 　　　　　　     (填物理量名称及符号); ④用米尺测量 　　　　　　　　　　　　　     (填物理量名称及符号)。 (3)用测量的物理量和重力加速度 g 表示磁感应强度的大小,可以得到 B = 　     　　　　     。 (4)判断磁感应强度方向的方法是:若 　　　     ,磁感应强度方向垂直金属棒 向外;反之,磁感应强度方向垂直金属棒向里。 答案 　(1)见解析图 (2)③电流表的示数 I 　此时电子秤的示数 m 1 　④金属棒的长度 l (3)   g 　(4) m 1 < m 0 解析 　(1)如图所示   (2)③记录电流表的示数 I 以及此时电子秤的示数 m 1 ;④金属棒的长度 l 。 (3)测量磁感应强度原理:开关断开时,电子秤称出金属棒质量;接通电源后,若 磁感应强度的方向垂直于金属棒向里,金属棒所受安培力向下,则有 m 0 g + BIl = m 1 g ,所以 B =   g ;接通电源后,若磁感应强度的方向垂直于金属棒向外,金属 棒所受安培力向上,则有 m 0 g - BIl = m 1 g ,得到 B =   g ;所以磁感应强度的大小 B =   g 。 (4)当 m 1 < m 0 时,磁感应强度方向垂直金属棒向外,反之向里。 考向二　实验器材的等效与替换 2.(2019河南郑州二模)LED绿色照明技术已经走进我们的生活。某实验小组 要精确测定额定电压为5 V的LED灯泡正常工作时的电阻,已知该灯泡正常 工作时电阻大约为500 Ω,其电学符号与小灯泡电学符号相同。实验室提供 的器材有: A.电流表A 1 (量程为60 mA,内阻 R A1 约为1 Ω,读数记为 I 1 ) B.电流表A 2 (量程为3 mA,内阻 R A2 =20 Ω,读数记为 I 2 ) C.电压表V(量程0~15 V,内阻 R V =1 kΩ,读数记为 U ) D.定值电阻 R 1 =980 Ω E.定值电阻 R 2 =1 980 Ω F.滑动变阻器 R (0~20 Ω) G.蓄电池 E (电动势为24 V,内阻很小) H.开关S,导线若干 (1)部分电路原理图如图所示,请选择合适的器材,电表1为 　　　     ,电表2为 　　　     ,定值电阻为 　　　     。(填写器材前的字母编号) (2)将电路图补充完整。 (3)写出测量LED灯电阻的表达式 R x = 　　　     (用已知量和测量量表示),调节 滑动变阻器滑片的位置,当表达式中的 　　　     (填字母)达到 　　　     ,记下 另一电表的读数代入表达式,其结果即为LED灯正常工作时的电阻。 答案 　(1)C　B　E　(2)见解析图 (3)        I 2 　2.5 mA 解析 　(1)要精确测定额定电压为5 V的LED灯正常工作时的电阻,需测量 LED灯两端的电压和通过LED灯的电流。由于电压表的量程较大,测量误差 较大,不能用来测量LED灯两端的电压,可以将电流表A 2 与定值电阻串联改装 为电压表,改装的电压表内阻应至少为   =   Ω ≈ 1 667 Ω,电流表A 2 的内 阻为20 Ω,则定值电阻应选E;LED灯正常工作时的电流约为   A=10 mA,电 流表A 1 的量程较大,不能精确测量电流;电压表内阻已知,对应满偏电流为   A=15 mA,故用电压表测量电流更为准确。由以上分析可知,电表1为C, 电表2为B,定值电阻为E。 (2)因为滑动变阻器阻值远小于LED灯的电阻,所以滑动变阻器采用分压式接 法。电路图如图所示 (3)根据闭合电路欧姆定律知,LED灯两端的电压为 I 2 ( R 2 + R A2 ),通过LED灯的电 流为   - I 2 ,所以LED灯的电阻 R x =   ,改装后的电压表内阻为2 000 Ω,则当 I 2 =2.5 mA时,LED灯两端的电压为5 V,达到额定电压,测出来的电阻为正常工作时的电阻。 考向三　为消除系统误差进行的实验创新 3.(2019四川绵阳模拟)采用伏安法测量电源电动势 E 和内阻 r 时,由于电表因 素造成实验的系统误差,某研究性学习小组对此进行探究实验,设计出如图所 示的测量电源电动势 E 和内电阻 r 的电路, E '是辅助电源, A 、 B 两点间有一灵敏 电流计G。 (1)请你补充实验步骤: ①闭合开关S 1 、S 2 ,调节 R 和 R '使得灵敏电流计G的示数为零,这时, A 、 B 两点 的电势 φ A 、 φ B 的关系是 φ A 　　　     φ B (选填“远大于”“远小于”或“等 于”),读出电流表和电压表的示数 I 1 和 U 1 ,其中 I 1 　　　     (选填“远大于” “远小于”或“等于”)通过电源 E 的电流。 ②改变滑动变阻器 R 、 R '的阻值,重新使得 　　　　     ,读出 　　　    　　　     。 (2)由上述步骤中测出的物理量,可以得出电动势 E 的表达式为 　　　　　     　     、内电阻 r 的表达式 　　　　　　　     。 (3)该实验中 E 测 　　　     E 真 (选填“远大于”“远小于”或“等于”), r 测 　     　     r 真 (选填“远大于”“远小于”或“等于”)。 答案 　(1)①等于　等于　②灵敏电流计示数为零　电流表和电压表的示数 I 2 和 U 2 (2) E = U 1 +        r =   (3)等于　等于 解析 　(1)①闭合开关S 1 、S 2 ,调节 R 和 R '使得灵敏电流计G的示数为零,这 时, A 、 B 两点的电势 φ A 、 φ B 的关系是 φ A 等于 φ B ,读出电流表和电压表的示数 I 1 和 U 1 ,电流表测量的是干路上的电流,其中 I 1 等于通过电源 E 的电流。②改变 滑动变阻器 R 、 R '的阻值,重新使得灵敏电流计G的示数为零,读出电流表和电 压表的示数 I 2 和 U 2 。 (2)根据闭合回路欧姆定律得 E = I 1 r + U 1 , E = I 2 r + U 2 解得 E = U 1 +   , r =   。 (3)两次测量,调节 R 和 R '使得灵敏电流计G的示数为零,使得 A 、 B 之间的等效 电阻为零,利用消元法消除了电表内阻造成的系统误差,所以 E 测 等于 E 真 , r 测 等 于 r 真 。 考向四　和新型材料传感器结合的实验创新 4.某物理学习小组为了测定某太阳能硅光电池组的电动势和内阻,设计了如 图1所示的电路,在一定光照条件下进行实验。 (1)请根据图1完成图2中实物的连线。   图1   图2 1 2 3 4 5 6 7 8 U /V 1.77 1.75 1.70 1.65 1.54 1.27 1.00 0.50 I /μA 12 30 48 60 68 76 80 86 (2)该小组成员将测量出来的数据记录在表格中,请在图3中作出该硅光电池组的 U - I 图线。   图3 (3)由所作的 U - I 图线可知该硅光电池组的电动势 E = 　　　     V,电池组的内 阻随输出电流的变化而改变 , 在电流为 80 μA 时 , 该电池组的内阻 r = 　　　     Ω( 保留两位有效数字 ) 。 答案 　(1)(2)见解析图 (3)1.80　1.0 × 10 4 解析 　(1)实物连接图如图甲所示。 (2)根据题表格中数据描点后用平滑曲线连接, U - I 图线如图乙所示。 甲 乙 (3)由所作的 U - I 图线可知该硅光电池组的电动势 E =1.80 V,在电流为80 μA时, 由题表中数据可知此时电源的路端电压 U =1.00 V,由闭合电路欧姆定律知电 源内电压为 U '= E - U =0.80 V,所以电池组的内阻 r =   =   Ω=1.0 × 10 4 Ω。