高考物理二轮复习专题讲义专题七 物理实验 电学实验
2014届高考物理二轮复习专题讲义：专题七 物理实验 第2讲 电学实验
一、电学量测量仪器
1．电流表、电压表、欧姆表的对比
仪器
极性
量程选择
读数
电流表
有正、负极的电表，电流由电表的正极流入，负极流出
使指针指示比满偏刻度多的位置
若最小分度为1、0.1、0.01等，需要估读到最小分度的下一位；如果最小分度不是1、0.1、0.01等的只需要读到最小分度位即可
电压表
使指针尽量指在表盘的中间位置左右
取两位有效数字并乘以相应挡位的倍率
欧姆表
2．实验原理
(1)电路：欧姆表是多用电表电阻挡的一个挡位，电路如图7－2－1所示。
图7－2－1
电流的流向：由于使用多用电表时不管测量项目是什么，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)调零：当红、黑表笔短接时，表头电流表指针满偏，此时Ig＝。
(3)测量：当红、黑表笔之间接电阻Rx时，电路中电流I＝，Rx的一个值对应I的一个值，故将电流刻度标上相应的电阻刻度，即可直接读出待测电阻Rx的阻值。
(4)中值电阻：当被测电阻Rx＝R＋Rg＋r时，电流变为满偏电流的一半，欧姆表指针指向刻度正中央，称为“中值电阻”。
二、电流表的内外接法选择
1．两种接法的比较
比较项目
电流表内接法
电流表外接法
电路
误差原因
由于电流表内阻的分压作用，电压表测量值偏大
由于电压表内阻的分流作用，电流表测量值偏大
测量结果
R测＝＝RA＋Rx>Rx
电阻的测量值大于真实值
R测＝＝Rx
，所以应采用电流表外接法，故采用图甲。
(2)电路连接如图所示。
(3)由题图中可读出电流表的读数为0.50 A，电压表的读数为2.6 V，故Rx＝＝5.2 Ω。
(4)甲图中引起误差的原因主要是电压表的分流作用，即电流表的测量值大于流经Rx的电流值，选项B正确。乙图中引起误差的原因主要是电流表的分压作用，即电压表的测量值大于Rx两端的电压值，选项D正确。
[答案] (1)B C 甲 (2)见解析 (3)5.2 (4)B D
一、方法技巧要用好
1．器材选取三原则
(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仪器，使实验切实可行，
能达到预期目标。另外还要注意测量仪器的量程，电器元件的电流不能超过其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，精确程度合适即可，并不是精度越高越好。
(3)方便性原则：实验时需考虑调节方便，便于操作，如滑动变阻器的选择，既要考虑它的额定电流，又要考虑它的阻值范围，在二者都能满足实验要求的情况下，还要考虑阻值大小对实验操作是否调节方便的问题。
2．器材选取三要求
(1)根据不使电表受损和尽量减少误差的原则选择电表。首先保证流过电流表的电流和加在电压表上的电压均不超过使用量程，然后合理选择量程。务必使指针有较大偏转(一般取满偏的1/3～2/3左右)，以减少测量和读数的误差。
(2)根据电路中可能出现的电流或电压范围选择滑动变阻器，注意流过滑动变阻器的电流不能超过它的额定值。对高阻值的变阻器，如果滑动头稍有移动，使电流、电压有很大变化的，不宜采用。
(3)应根据实验的基本要求来选择仪器。对于这种情况，只有熟悉实验原理，才能做出恰当的选择。
3．器材选取的一般步骤
(1)找出唯一且必需的器材；
(2)画出电路图(暂不把电表接入)；
(3)估算最大值(在限流电路中把滑动变阻器触头推向最小值)或估算最小值(在限流电路中把滑动变阻器触头推向最大值)；
(4)考虑能否使电压表、电流表都达到满偏的1/3以上。
二、易错易混要明了
选择电流表、电压表时首先要考虑量程是否合适，在量程符合要求的情况下，再考虑电表的内阻对实验结果的影响。
(2013·湛江模拟)现要用伏安法描绘一只标值为“2.5 V，0.6 W”小灯泡的IU图线，有下列器材供选用：
A．电压表(0～3 V，内阻3 kΩ；0～15 V，内阻10 kΩ)
B．电流表(0～0.6 A，内阻0.5 Ω；0～3 A，内阻0.1 Ω)
C．滑动变阻器(10 Ω，2 A)
D．滑动变阻器(100 Ω，1.0 A)
E．蓄电池(电动势6 V，内阻不计)
图7－2－9
(1)用如图7－2－9甲所示的电路进行测量，滑动变阻器应选用________(用序号字母表示)。开关S闭合之前，滑动变阻器的滑片应该置于________端(选填“A”“B”或“AB正中间”)。
(2)按图7－2－9甲所示电路，用笔画线代替导线在图乙中将实物连接成实验所需电路图。
(3)通过实验测得此灯泡的伏安特性曲线如图7－2－10所示。由图线可求得此灯泡在正常工作时的电阻为________ Ω。
图7－2－10
解析：(1)因描绘小灯泡的IU图线采用滑动变阻器分压式连接，滑动变阻器应选用小电阻值的，故应选用变阻器C，开关闭合前，为了保护电表和小灯泡，使测量电路部分的电压为零，应将滑片置于A端。
(2)实物连接如图所示。
(3)图IU图可以读出，当小灯泡的电压为2.5 V时，其电流I＝0.25 A，由R＝可得，小灯泡正常发光时的电阻R＝10 Ω。
答案：(1)C A (2)见解析图 (3)10
[典例] (2013·淄博模拟)在一次实验技能比赛中，一同学设计了如图7－2－11甲所示电路来测电源的电动势和内阻。该同学选好器材后，用导线将各器材连接成如图乙所示实物连线电路(图甲是其电路原理图)，其中R0是保护电阻。
图7－2－11
(1)该同学在闭合电键后，发现电压表无示数，电流表有示数，在选用器材时，除了导线外，其他器材经检测都是完好的，则出现故障的原因是________________(请用接线柱处的字母去表达)。
(2)该同学测量时记录了6组数据，并根据这些数据画出了UI图线如图7－2－12所示。
根据图线求出电池的电动势E＝________V，内阻r＝________ Ω。
图7－2－12
(3)若保护电阻R0的阻值未知，该电源的电动势E、内电阻r已经测出，在图乙的电路中只需改动一条线就可测量出R0的阻值。该条线是________________，需改接为________________。改接好后，调节滑动变阻器，读出电压表的示数为U、电流表示数为
I，电源的电动势用E表示，内电阻用r表示，则R0＝________________。
[解析] (1)电流表有示数，说明电源与电流表构成的闭合回路中各段导线均完好，电压表无示数，只能是jd部分断路造成的。
(2)图UI图线可以读出：E＝1.48 V，r＝＝ Ω＝0.50 Ω。
(3)要测出R0的阻值，只需将jd线改接为je或jf即可，由闭合电路欧姆定律可得：E＝U＋I(r＋R0)，故R0＝－r。
[答案] (1)jd部分断路 (2)1.48 0.50 (3)jd je(或jf) －r
一、方法技巧要用好
1．测电源电动势和内阻的三种方法
(1)用电压表、电流表和可变电阻(如滑动变阻器)测量，如图7－2－13所示，测出两组U、I值，根据E＝U＋Ir，通过计算或利用图像就能求出电源的电动势和内阻。
图7－2－13 图7－2－14
(2)用电流表、电阻箱测量，如图7－2－14所示，测出两组I、R值，根据E＝I(R＋r)通过计算或利用图像就能求出电源的电动势和内阻。
(3)用电压表、电阻箱测量，如图5－2－15所示，测出两组U、R值，根据E＝U＋r，通过计算或利用图像，就能求出电源的电动势和内阻。
图7－2－15
2．数据处理
本实验在利用图像处理数据时，要明确：
(1)图线的纵坐标是路端电压，它反映的是：当电流I增大时，路端电压U将随之减小，U与I成线性关系，U＝E－Ir。
(2)电阻的伏安特性曲线中，U与I成正比，前提是R保持一定，而这里的UI图线中，E、r不变，外电阻R改变，正是R的变化，才有I和U的变化。
(3)将图线两侧延长，纵轴截距点意味着断路情况，它的数值就等于电源电动势E，横轴截距点(路端电压U＝0)意味着短路情况，它的数值等于短路电流。
(4)图线斜率的绝对值表示电源内阻，由于r一般很小，故得到的图线斜率的绝对值就较小。为了使测量结果准确，可以将纵轴的坐标不从零开始，计算r时选取直线上相距较远的两点求得。
二、易错易混要明了
在连实物图时应注意以下几点：
(1)各导线都应接在接线柱上。
(2)不应在导线中间出现分叉、导线不能交叉、跨过仪器。
(3)连接电表应注意量程选用正确，正、负接线柱不要接错。
(4)开关要控制所在电路。
(2013·吉林省实验中学模拟)在如图7－2－16所示的电路中，A、B、C为三节干电池，实验中理想电压表和理想电流表的读数如下表所示。
图7－2－16
电键位置
电压U(V)
电流I(A)
灯泡电阻R(Ω)
灯泡功率P(W)
K→1
1.40
0.20
7.00
0.28
K→2
2.70
0.30
①
0.81
K→3
2.55
0.29
8.79
②
(1)根据表中实验数据，计算出表中空格处小灯泡的电阻和功率：①________________，②________________(保留两位小数)；
(2)如果干电池A和B具有相同的电动势和内阻，根据表中实验数据，可计算出干电池A的电动势为________ V，内阻为________ Ω(保留两位小数)；
(3)当电键K与“接线柱3”连接，串联电池组的总电动势增加，电流表的示数反而减小，究其原因可能是________________________________。
解析：(1)①灯泡的电阻R＝＝ Ω＝9.00 Ω。
②灯泡的功率P＝UI＝2.55×0.29 W＝0.74 W。
(2)由闭合电路欧姆定律得：
E＝0.2(r＋7)
2E＝0.30(2r＋9)
可解得：E＝1.50 V，r＝0.50 Ω。
(3)电键K接“接线柱3”时，总电动势增加，总电流减小，一定是干电池C的电动势较小，而内阻较大。
答案：(1)9.00 0.74 (2)1.50 0.50 (2)干电池C的电动势较小，内阻较大
[典例] (2013·重庆高考)某同学对有故障的电热毯进行探究。图7－2－17甲是电热毯的电路示意图，其中电热线和导线通过金属接线片连接。图乙为测试电路实物图，A、B为测试表笔，电压表内阻很大，可视为理想电表。
图7－2－17
(1)请在虚线框内画出与图乙对应的电路图。
(2)断开K1，用上述测试电路在1和1′之间检测得知电热线无故障，然后测得电热线的U－I曲线如图丙所示。已知电热线材料的电阻率为2.8×10－7Ω·m，电热线的直径为0.200 mm。可求得此电热线的电阻为________kΩ，总长度为________m。(结果均保留两位有效数字)
(3)为了进一步检查故障，该同学闭合开关K1和K2，用表笔A和B分别对图乙中所示的各点进行测试，部分测试结果如下表所示。由此测试结果可判断出电路有断路，位置在________之间(在“1和2”“1′和2′”“2和3”“2′和3′”中选填一项)。
测试点
3和3′
1和1′
1和3
1和2′
2′和3′
电表指针
电压表
有
有
无
有
无
有无偏转
电流表
无
有
有
无
有
[解析] (1)电路图如图所示。
(2)由UI图像可得电热线的电阻为R＝＝ Ω≈5.8×102 Ω＝0.58 kΩ，由电阻定律得R＝ρ＝ρ，所以L＝，代入已知数据得L≈65 m。
(3)根据测试结果判断出断路位置在1′和2′之间。
[答案] (1)图见解析 (2)0.58(0.57到0.59均可) 65(64到66均可) (3)1′和2′
方法技巧要用好
1．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可以(或易于)测量的物理量进行测量，然后再反求待测物理量的量值，这种方法叫转换测量法(简称转换法)，如在测量金属电阻率的实验中，虽然无法直接测量电阻率，但通过测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。
2．应注意的问题
(1)在解决设计型实验时，要注意条件的充分利用，如对于给定确切阻值的电压表和电流表，电压表可当作电流表使用，电流表也可当作电压表使用，利用这一特点，可以拓展伏安法测电阻的方法，如伏伏法， 安安法等。
(2)对一些特殊电阻的测量，如电流表或电压表内阻的测量，电路设计有其特殊性即首先要注意到其自身量程对电路的影响，其次要充分利用其“自报电流或自报电压”的功能，因此在测电压表内阻时无需另并联电压表，测电流表内阻时无需再串联电流表。
(2013·温州八校联考)某兴趣小组欲通过测定工业污水(含多种重金属离子)的电阻率来判断某工厂废水是否达到排放标准(一般工业废水电阻率的达标值为ρ≥200 Ω·m)。如图7－2－18所示为该同学所用盛水容器，其左、右两侧面为金属薄板(电阻极小)，其余四面由绝缘材料制成，左右两侧带有接线柱。容器内表面长a＝40 cm，宽b＝20 cm，高c＝10 cm。将水样注满容器后，进行以下操作：
图7－2－18
(1)分别用多用电表欧姆挡的“×1 k”“×100”两挡粗测水样的电阻值时，表盘上指针如图7－2－19所示，则所测水样的电阻约为________ Ω。
图7－2－19
(2)为更精确地测量所取水样的电阻，该小组从实验室中找到如下实验器材：
A．电流表(量程3 mA，电阻RA为5 Ω)
B．电压表(量程6 V，电阻RV约为10 kΩ)
C．滑动变阻器(0～20 Ω，额定电流1 A)
D．电源(6 V，内阻约1 Ω)
E．开关一只，导线若干
请在图7－2－20的实物图中完成电路连接。
图7－2－20
(3)正确连接电路后，闭合开关，测得一组U、I数据；再调节滑动变阻器，重复上述测量步骤，得出一系列数据如表所示，请作出UI关系图线。
U/V
1.1
1.8
3.0
3.8
4.7
I/mA
0.50
0.82
1.36
1.73
2.13
(4)由以上测量数据可以求出待测水样的电阻率为________ Ω·m。据此可知，所测水样在电阻率这一指标上________。(选填“达标”或“不达标”)
解析：(1)根据多用电表测量电阻时要尽可能使指针指在中间附近，所以按照左图读数，读数为17.5×100 Ω＝1 750 Ω。
(2)因为要精确测量电阻值，需要电路中电压有较大的变化范围，而滑动变阻器阻值又远小于待测电阻，所以连线时滑动变阻器要用分压接法；又因为电流表内阻已知，则采用电流表内接法，电路连接如图(a)所示。
(3)让绝大多数的点在直线上，其余各点均匀地分布在直线两侧，如图(b)所示。
(4)由图线斜率可知，总电阻为2 200±5 Ω(理论上R＝R总－RA＝2 195 Ω，但由于实验的偶然误差可能比5 Ω还要大，因此，电流表电阻可以忽略)，根据电阻定律R＝ρ，代入数据得ρ＝110.0±0.3 Ω·m，由于ρ<200 Ω·m，因此，不达标。
答案：(1)1 750 (2)电路连接如图(a)所示 (3)如图(b)所示 (4)110.0(±0.3均可以) 不达标
1.(2013·广州模拟)在“测定电源电动势和内阻”的实验中，提供了如图1甲、乙、丙所示的三组器材。
(1)请把能完成实验的器材都连成电路。
图1
(2)某同学根据他的实验数据作出了如图2所示的图像，由此可知该同学选用的是________组器材进行实验(请填写“甲”“乙”或“丙”)。根据图像可算出电源的电动势E＝________ V，内阻r＝________ Ω。(忽略电表内阻的影响，结果保留两位有效数字)
图2
解析：(1)连接电路图如图所示。
(2)该同学能作出R图线，其阻值R必是能直接读出的，故该同学选用的是丙图，由E＝I(r＋R)可得：R＝E－r，对应R图线可得：r＝1.0 Ω，E＝ V＝1.4 V。
答案：(1)图见解析 (2)丙 1.4 1.0
2．(2013·石家庄模拟)在实验室中欲测量一阻值约为5 Ω的电阻精确阻值，备有以下器材。要求有尽可能高的测量精度，并尽可能测得多组数据。
待测电阻Rx 阻值约5 Ω
电流表A1 量程0.6 A，内阻r1约为1 Ω
电流表A2 量程600 μA，内阻r2＝10 Ω
电压表V 量程15 V，内阻r3约为15 kΩ
电阻箱R1 最大阻值9 999 Ω
滑动变阻器R2 最大阻值5 Ω，最大电流2 A
电源E 电动势3.0 V，内阻不计
开关S、导线若干
(1)在虚线框中画出电路图，标明所用器材的代号。
(2)若选取测量数据中的一组来计算Rx，则所用的表达式Rx＝________，式中各符号的意义是________________________。
解析：(1)电压表V量程太大，不可直接测量待测电阻两端的电压，电流表A2内阻已知，可与电阻箱R1结合，改装为一个电压表，由于Rx为小电阻，因此电流表应外接，由于滑动变阻器R2阻值与待测电阻阻值相差不大，因此滑动变阻器采用分压式接法。电路图如图所示：
(2)由(I1－I2)Rx＝I2(R1＋r2)
可得：Rx＝。
答案：(1)见解析 (2) I1为电流表A1的读数，I2为电流表A2的读数，R1为电阻箱的读数，r2为电流表A2的内阻
3．(2013·淄博模拟)在研究规格为“6 V,3 W”的小灯泡的伏安特性曲线的实验中，要求小灯泡两端的电压从0开始逐渐增大。实验提供的电流表量程为0.6 A、内阻约为1 Ω，电压表量程为10 V、内阻约为20 kΩ。
(1)下列实验电路图，最合理的是________；
图3
(2)小灯泡接入电路前，某同学使用如图4甲所示的多用电表欧姆挡直接测量小灯泡的电阻，应将选择开关旋至________挡(填“×1”或“×10”)。
图4
(3)某同学描绘出小灯泡的伏安特性曲线如图4乙所示，则小灯泡的电阻值随温度的升高而________(填“增大”“减小”或“不变”)。实验过程中，小灯泡消耗的功率为0.6 W时，小灯泡两端的电压是________ V。
解析：(1)由RV≫R灯，要求小灯泡两端的电压从0开始增大，故应采用电流表外接法，滑动变阻器分压式连接，最合理的电路图为甲。
(2)因R灯<＝12 Ω，故用多用电表欧姆挡直接测量小灯泡接入前的电阻应将选择开关旋至×1挡。
(3)由图可以看出小灯泡的电阻随温度的升高而增大。当P＝0.6 W＝UI时，对应图线可知，此时小灯泡两端的电压为2.0 V。
答案：(1)甲 (2)×1 (3)增大 2.0
4．(2013·湖北重点中学联考)如图5所示，是用半偏法测量电压表内阻的电路图。以下是备用仪器：
图5
A．待测电压表(3 V，内阻1 500 Ω左右)
B．电源E(4 V,2 A，内阻很小)
C．电阻箱(0～999.9 Ω)
D．电阻箱(0～9 999.9 Ω)
E．滑动变阻器(0～20 Ω，3 A)
F．滑动变阻器(0～2 000 Ω，2 A)
G．单刀开关两个，导线若干
(1)为保证测量精度，电阻箱应选________；滑动变阻器应选用________。(填代号)
(2)完善下列实验步骤：
(a)闭合电键K2并将滑动变阻器的滑片调至________，然后闭合电键K1；
(b)调节滑动变阻器使电压表恰好满偏；
(c)________，使电压表的指针恰好指在中间刻度(半偏)，此时电阻箱的示数为R。那么，该电压表内阻的测量值为________。测量值和真实值比较数值________(选填“偏大”“偏小”或“相等”)。
解析：(1)在半偏法测电阻的实验中，电阻箱的阻值应与待测电压表的阻值基本相等，故电阻箱应选D，而滑动变阻器采用分压式接法，为了调节方便，故滑动变阻器选用较小阻值的E。
(2)在测量数据时，电压要从较小数值开始变化，因而滑动变阻器开始时应在最左端。由于采用半偏法测量，因而断开电键K2，调节电阻箱的阻值，使电压表的指针恰好在中间刻度，即半偏，由串联电路知识可知，电压相等，电流相等，因而电压表的内阻的测量值为R。但电键K2断开，电阻增大，分压增大，而电压表示数为原来的一半时，电阻箱分压要略大于一半，故电阻箱的阻值比电压表的内阻要略大。
答案：(1)D E (2)(a)最左端 (c)断开电键K2，调节电阻箱的阻值 R 偏大
5．(2013·揭阳模拟)为测量某一玩具电动机 中导线圈的电阻率，某实验小组的部分实验方案如下：
(1)用螺旋测微器测得导线圈同种规格导线直径d，如图6甲所示，则d＝________ mm；
(2)用多用电表测量电动机中导线圈的电阻Rx，选择“×1 Ω”欧姆挡，并按正确步骤操作后，指针的位置如图乙所示(此过程电动机不转动)，则Rx＝________ Ω。
图6
(3)为提高精度，他又用以下仪器再次测量导线圈的电阻Rx：电流表A1(0～3 A、内阻约5 Ω)；
图7
电流表A2(0～30 mA、内阻约10 Ω)；
滑动变阻器R1(1 kΩ)；
滑动变阻器R2(50 Ω)；
定值电阻R0＝60 Ω；
电源(4 V、内阻约1 Ω)及开关等，导线若干。
①实验小组为使测量过程中电动机不转动而采用了如图7所示的电路图，应选择的电流表是________，滑动变阻器是________；(填写符号)
图8
②按照实验要求，多用电表已选择“直流电压2.5 V”挡作为电压表使用，请依据图7将图8甲实验电路中的仪器连接欠缺的两处补完整；
③图8乙是该实验小组测得的数值描绘出的图像，其斜率值表示的是________(填选项)。
A．导线圈的电阻
B．导线圈的电阻与R0阻值之和
C．R0阻值
解析：(1)d＝0.01 mm×15.3＝0.153 mm
(2)Rx＝25 Ω。
(3)①为了使电动机不转动，流过电动机的电流应较小，故电流表选A2，因电路采用滑动变阻器分压接法，故应选阻值较小的R2。
②电路连接如图所示。
③因＝R0＋RM，故题图所示UI图线的斜率值表示导线圈的电阻与R0阻值之和，B正确。
答案：(1)0.153 (2)25 (3)①A2 R2 ②图见解析 ③B
6．(2013·广东高考)图9(a)是测量电阻Rx的原理图。学生电源输出电压可调，电流表量程选0.6 A(内阻不计)，标有长度刻度的均匀电阻丝ab的总长为30.0 cm。
图9
(1)根据原理图连接图(b)的实物图。
(2)断开S2，合上S1；调节电源输出电压为3.0 V时，单位长度电阻丝的电压u＝________V/cm。记录此时电流表A1的示数。
(3)保持S1闭合，合上S2；滑动c点改变ac的长度L，同时调节电源输出电压，使电流表A1的示数与步骤(2)记录的值相同，记录长度L和A2的示数I。测量6组L和I值，测量数据已在图(c)中标出，写出Rx与L、I、u的关系式Rx＝________；根据图(c)用作图法算出Rx＝________Ω。
解析：本题利用双电流表测量电阻，根据A1和电阻丝ac当电压表使用以及电阻丝均匀分压和欧姆定律解决问题。
(1)根据原理图，实物连接如图所示。
(2)由于电阻丝均匀，故单位长度电阻丝的电压
u＝ V/cm＝0.1 V/cm。
(3)调节电源输出电压，使电流表A1的示数与步骤(2)记录的值相同，即通过电阻丝ac段的电流恒定，则Rx两端的电压与电阻丝的长度成正比，即U＝uL，根据欧姆定律得Rx的表达式Rx＝＝。
LI图像如图所示。根据L＝I知图像的斜率k＝。由图像知，斜率为k＝60 cm/A，故Rx＝ku＝6 Ω。
答案：(1)图见解析 (2)0.1 (3) 6
