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高中物理高考 专题八 第二讲 电学实验—2021届高考物理二轮总复习课件
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这是一份高中物理高考 专题八 第二讲 电学实验—2021届高考物理二轮总复习课件，共60页。PPT课件主要包含了内容索引，体系构建真题感悟，网络构建，高考真题，高频考点能力突破，类题演练等内容，欢迎下载使用。
1.(2019全国Ⅱ卷)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V1和V2为理想电压表;R为滑动变阻器,R0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:
(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V1的示数为U1= 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 (选填“变大”或“变小”),电压表V1示数 (选填“增大”或“减小”),此时应将R的滑片向 (选填“A”或“B”)端移动,以使V1示数仍为U1。 (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/℃(保留两位有效数字)。
答案 (1)5.00 变小 增大 B (2)2.8解析 (1)U1=IR0=50.0×10-3×100 mV=5.00 mV。从U-t关系曲线可以得出,温度升高时,二极管两端电压变小,二极管正向电阻变小,回路电流变大,电压表V1示数增大,为了保证电流不变,滑动变阻器R的滑片应向B端移动。
情境剖析 本题属于创新性题目,以硅二极管问题为素材创设学习探索类问题情境。素养能力 本题考查的学科素养是科学探究,考查的关键能力是理解能力、实验探究能力,要求学生从图像中获取信息,灵活运用所学的实验理论和分析方法解决实验中的问题。
2.(2019全国Ⅰ卷)某同学要将一量程为250 μA的微安表改装为量程为20 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 。(填正确选项标号) A.18 mAB.21 mA C.25 mAD.28 mA(3)产生上述问题的原因可能是 。(填正确选项标号) A.微安表内阻测量错误,实际内阻大于1 200 ΩB.微安表内阻测量错误,实际内阻小于1 200 ΩC.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
解析 (1)量程为250 μA的微安表改装成量程为20 mA电流表时应将电阻与微安表并联。根据电路图,从电源正极出发,电表正极对应电源正极,依次连接,注意连线不要交叉。(2)通过电流表的电流与偏角成正比,表盘160 μA对应16 mA,则表盘250 μA对应25 mA。(3)根据IgRg=(I-Ig)R得 ,改装后的量程偏大的原因可能是,原微安表内阻测量值偏小,其实际内阻Rg大于1 200 Ω;或者因为定值电阻的阻值R计算有误,计算值偏大,实际接入定值电阻阻值偏小。故选AC。(4)并联电路电压相等, =(I-Ig)R,即160 μA·Rg=(16 mA-160 μA)R;200 μA·Rg=(16 mA-200 μA)kR,得k= 。
情境剖析 本题属于应用性题目,以电表改装为素材创设学习探索类问题情境。素养能力 本题考查的学科素养是科学探究。考查的关键能力是理解能力、实验探究能力,要求学生能正确连接器材,会观察、分析和解释实验中产生的现象和数据,并得出合理的结论。
3.(2018全国Ⅲ卷)一课外实验小组用如图所示的电路测量某待测电阻Rx的阻值,图中R0为标准定值电阻(R0=20.0 Ω);V可视为理想电压表;S1为单刀开关,S2为单刀双掷开关;E为电源;R为滑动变阻器。采用如下步骤完成实验:(1)按照实验原理线路图(a),将图(b)中实物连线;
(2)将滑动变阻器滑动端置于适当的位置,闭合S1;(3)将开关S2掷于1端,改变滑动变阻器滑动端的位置,记下此时电压表V的示数U1;然后将S2掷于2端,记下此时电压表V的示数U2;(4)待测电阻阻值的表达式Rx= (用R0、U1、U2表示); (5)重复步骤(3),得到如下数据:(6)利用上述5次测量所得 的平均值,求得Rx= Ω。(保留1位小数)
答案 (1)实物连线如图
情境剖析 本题属于应用性题目,以测电阻为素材创设学习探索类问题情境。素养能力 本题考查的学科素养是科学探究。考查的关键能力是理解能力、实验探究能力,要求学生能正确连接器材,会观察、分析和解释实验中产生的现象和数据,并得出合理的结论。
4.(2020北京卷)用图1所示的甲、乙两种方法测量某电源的电动势和内电阻(约为1 Ω)。其中R为电阻箱,电流表的内电阻约为0.1 Ω,电压表的内电阻约为3 kΩ。
(1)利用图1中甲图实验电路测电源的电动势E和内电阻r,所测量的实际是图2中虚线框所示“等效电源”的电动势E'和内电阻r'。若电流表内电阻用RA表示,请你用E、r和RA表示出E'、r',并简要说明理由。 。
(2)某同学利用图像分析甲、乙两种方法中由电表内电阻引起的实验误差。在图3中,实线是根据实验数据(图甲:U=IR,图乙:I= )描点作图得到的U-I图像;虚线是该电源的路端电压U随电流I变化的U-I图像(没有电表内电阻影响的理想情况)。在图3中,对应图甲电路分析的U-I图像是 ;对应图乙电路分析的U-I图像是 。 (3)综合上述分析,为了减小由电表内电阻引起的实验误差,本实验应选择图1中的 (填“甲”或“乙”)。
答案 (1)E'=E,r+RA,理由见解析 (2)C A (3)乙解析 (1)将电源和电流表视为等效电源,电源电动势是电源本身具有的属性,电流表不具有产生电动势的本领,所以等效电源的电动势仍然为E'=E而电流表的内阻和电动势的内阻作为等效电源的内阻,即r'=r+RA(2)对甲图,考虑电表内阻时,根据闭合电路欧姆定律得E=U路+Ir内=U+I(r+RA)变形得U=-(r+RA)I+E直接通过实验获得数据,可得U=-rI+E图像与纵轴截距均为电源电动势E,虚线对应的斜率大小为r,实线对应的斜率大小为(r+RA),所以对应图甲电路分析的U-I图像是C;
(3)图甲虽然测量的电源电动势准确,但电流表分压较为明显,所以内阻测量的误差很大;图乙虽然电动势和内阻测量均偏小,但是电压表内阻很大,分流不明显,所以电动势和内阻的测量误差较小,所以选择图乙可以减小由电表内电阻引起的实验误差。
情境剖析 本题属于基础性、探究性题目,以教材常见的测量某电源的电动势和内电阻的“安阻法”和“伏阻法”为素材创设学习探索类问题情境。素养能力 本题考查了考生的“设计实验与制订方案、获取和处理信息”等科学探究能力。考查学生的物理学科核心素养中关于“科学探究”及“物理观念”等方面的水平,尤其注重考查“科学探究”中关于证据和解释要素的水平以及对电路中相关概念的理解。
归纳总结 1.多用电表的读数电流表、电压表的刻度是均匀的,读数时应注意量程;欧姆表的刻度是不均匀的,读数时应乘以倍率。2.多用电表使用的几个注意事项(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。测电阻时不要用手接触多用电表的表笔。(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。
3.欧姆表刻度不均匀的原因
【典例1】(2020山东泰安高三三模)利用图甲所示电路测量多用电表电阻挡“×1k”倍率时内部电池的电动势和内阻(多用电表内部接入电路的总电阻),同时测量电压表V的内阻。提供的器材有:多用电表、电压表V(量程为6 V,内阻为十几千欧)、滑动变阻器(最大阻值为10 kΩ)、导线若干。
(1)将多用电表的选择开关打到电阻挡“×1k”倍率,接着进行 。 (2)将图甲中黑表笔与 (选填“1”或“2”)端相连,红表笔与另一端相连。 (3)将滑动变阻器的滑片移至右端,此时电压表的示数为3.90 V,多用电表的指针指在图乙中的实线位置,其示数为 kΩ;再将滑片向左移至某一位置时,电压表的示数为3.30 V,此时多用电表的指针指在图乙中的虚线位置,其示数为 kΩ。 (4)电压表的内阻为 kΩ;多用电表电阻挡“×1 k”倍率时内部电池的电动势为 V(结果保留3位有效数字)、内阻为 kΩ。
答案 (1)欧姆调零 (2)2 (3)12 17 (4)12 8.94 15.5解析 (1)将多用电表的选择开关打到电阻挡“×1k”倍率,接着两表笔短接进行欧姆调零。(2)黑表笔内部接电源的正极,则将图甲中黑表笔与2端相连,红表笔与另一端相连。(3)多用电表的指针指在图乙中的实线位置时,其示数为12×1 kΩ=12 kΩ;多用电表的指针指在图乙中的虚线位置时,其示数为17×1 kΩ=17 kΩ。
1.(2020北京高三二模)用如图所示的多用电表测量定值电阻。
(1)待测电阻的阻值约为20 Ω,测量步骤如下:①调节指针定位螺丝,使多用电表指针对准 (选填“直流电流、电压”或“电阻”)“0”刻线。 ②将选择开关转到电阻挡的 (选填“×1”“×10”或“×100”)的位置。 ③将红、黑表笔插入“+”“-”插孔,并将两表笔短接,调节欧姆调零旋钮,使电表指针对准电阻的 (选填“0刻线”或“∞刻线”)。 ④将两表笔分别与待测电阻相接,读取数据。
(2)测量后需要继续测量一个阻值大约是2 kΩ左右的电阻。在红黑表笔接触这个电阻两端之前,请从下列选项中挑出必要的步骤,并按 的顺序进行操作,再完成读数测量。 A.调节定位指针螺丝,使多用电表指针对准“0”刻线B.将红黑表笔接触C.把选择开关旋转到“×1k”位置D.把选择开关旋转到“×100”位置E.调节欧姆调零旋钮,使电表指针对准电阻的“0”刻线
答案 (1)①直流电流、电压②×1 ③0刻线 (2)DBE解析 (1)①调节指针定位螺丝,进行机械调零,使多用电表指针对准直流电流、电压“0”刻线。②因待测电阻约为20 Ω,则将选择开关转到电阻挡的“×1”的位置。③将红、黑表笔插入“+”、“-”插孔,并将两表笔短接,调节欧姆调零旋钮,使电表指针对准电阻的“0刻线”。(2)测量后要继续测量一个阻值大约是2 kΩ左右的电阻,则需先将选择开关旋转到“×100”位置,然后两表笔短接调零,使电表指针对准电阻的“0”刻线。故为DBE。
2.(2020安徽高三三模)(1)在使用多用电表的过程中,下列说法正确的是 。 A.测量电压时,要将红表笔接在低电势点B.测量电阻时,更换倍率挡后,无须重新欧姆调零C.测量电阻时,要使待测电阻与其他元件和外部电源断开
(2)如图为某一多用电表的结构示意图,表头G的满偏电流为Ig=0.5 mA,内阻为Rg=200 Ω。当选择开关分别接1和2挡时,对应的量程为10 mA和1 mA,其中R1为20 Ω,则R2为 Ω。 (3)该欧姆表表盘中间位置的数值为25,则其“×100”欧姆挡所使用的电源电动势大小为 V。
答案 (1)C (2)180 (3)2.5解析 (1)在测量电压时,电流从红接线柱流入多用电表,故A错误;测量阻值不同的电阻时,更换倍率挡后,需要重新欧姆调零,故B错误;由于测电阻时内部有电源,所以如果电路不和电源断开,可能出现电流过大,烧坏表头的情况。故C正确。故选C。
(3)使用欧姆挡时,电流表的满偏电流IA=1 mA,中值电阻的阻值等于欧姆表内阻,所以欧姆表内阻为R=25×100 Ω=2 500 Ω电源电动势大小为E=IAR=1×10-3×2 500 V=2.5 V
归纳总结 电阻的测量实验是高考实验的热点,涉及的实验包括伏安法测电阻、多用电表测电阻、描绘小灯泡的伏安特性曲线、测量金属的电阻率、测量电流表或电压表的内阻等。主要考查电阻的测量电路设计、控制电路设计、器材的选取与实物连接、实验数据的处理与误差分析等。明确三个“选择”,电学实验难离它1.实验器材的选择(1)电源的选择:一般根据待测电阻的额定电流或额定电压选择符合需要的直流电源。(2)电表的选择:一般根据电源的电动势或待测用电器的额定电压选择电压表;根据待测电流的最大电流选择电流表;电表的指针摆动的幅度较大,一般应使指针能达到半偏。
2.电流表内接法与外接法的选择
3.两种接法的判断(1)比值判断法
(2)临界值判断法当被测电阻Rx的大小无法直接判定时,先求临界电阻 。若Rx>R0,则Rx为大电阻,内接法误差小;若Rx
4.分压电路与限流电路的选择(1)从节能的角度考虑,优先选用限流式。(2)以下三种情况必须用分压式:①要求待测电路的U、I从0变化;②R滑≪Rx;③选用限流式,Ux、Ix过大(超过电流表量程,烧坏电表、电源或用电器等)。
【典例2】(2020山东等级考模拟)某同学为了测量一根铅笔芯的电阻率,设计了如图甲所示的电路测量该铅笔芯的电阻值。所用器材有电流表A1、A2,电阻箱R1、滑动变阻器R2、待测铅笔芯Rx、电源E、开关S及导线等。操作步骤如下:调节滑动变阻器和电阻箱的阻值达到最大;闭合开关,适当调节滑动变阻器和电阻箱的阻值;记录两个电流表A1、A2的示数分别为I1、I2。请回答以下问题:
(1)若电流表的内阻可忽略,则电流表示数I2= I1时,电阻箱的阻值等于待测笔芯的电阻值。 (2)用螺旋测微器测量该笔芯的直径,螺旋测微器的示数如图乙所示,该笔芯的直径为 mm。 (3)已测得该笔芯的长度L=20.00 cm,电阻箱R1的读数为5.00 Ω,根据上面测量的数据可计算出笔芯的电阻率ρ= Ω·m。(结果保留3位有效数字) (4)若电流表A2的内阻不能忽略,仍利用(1)中方法,则笔芯电阻的测量值 真实值(选填“大于”“小于”或“等于”)。
3.(2020江西高三三模)某物理兴趣小组想测定一个阻值大约为10 kΩ,额定电功率为0.1 W的电阻Rx,现有以下实验器材可以选择:A.电流表A1(量程为1 mA,内阻约为100 Ω)B.电流表A2(量程为3 mA,内阻约为20 Ω)C.电压表V1(量程为10 V,内阻约为50 kΩ)D.电压表V2(量程为30 V,内阻约为100 kΩ)E.直流电源E(电动势为9 V,内阻约为1 Ω)F.滑动变阻器R1(20 Ω,1 A)G.开关、导线若干(1)为了方便并能多次测量使结果尽可能精确,电流表应选 ,电压表应选 (填器材前面的序号); (2)根据所选器材在方框内设计并画出电路图;
(3)若操作、读数、计算均无误,考虑到电表内阻影响,R测 R真(选填“大于”“等于”或“小于”); (4)为避免电表内阻的影响,小组成员提出用新的器材并提出另外的方案(如图所示),连接好电路后,闭合开关S1,调节各可变电阻,使得开关S2由断开到闭合,灵敏电流计G指针无偏转,并记录此时电压表示数U和电流表示数I,则待测电阻Rx= ,该方案中,若从系统误差分析,R测 R真(选填“大于”“等于”或“小于”)。
解析 (1)由于电源电动势为9 V,故电压表应该选择10 V量程,即电压表选择V1,通过待测电阻的最大电流约为 =0.9 mA,故电流表应该选择A1;(2)由于待测电阻阻值很大,故电流表应该选择内接,由于滑动变阻器的阻值远小于待测电阻,故应该采用分压式接法,电路图如图
(3)由于电压表示数为待测电阻和电流表电压之和,故其值大于真实值,由 可知待测电阻的测量值大于真实值;(4)当S2由断开到闭合,灵敏电流计G指针无偏转,即电流计中无电流,因此电压表的示数即为待测电阻两端电压,电流表示数为通过待测电阻的电流,因此由前面分析可知,电压表、电流表的值均为真实值,因此无系统误差,R测=R真。
规律方法 测电源电动势和内阻的三种方法
【典例3】(2020北京高三二模)某小组的同学在做“测量一节干电池的电动势和内阻”的实验,被测电池的电动势约为1.5 V,内阻约为1.0 Ω。他们利用图甲的电路进行测量,已知实验室除待测电池、开关、导线外,还有下列器材可供选用:电流表A1:量程0~0.6 A,内阻约0.125 Ω电流表A2:量程0~3 A,内阻约0.025 Ω电压表V:量程0~3 V,内阻约3 kΩ滑动变阻器R:0~20 Ω,额定电流2 A
(3)由于电表内阻的影响,电压表和电流表的测量值可能与“电池两端电压”和“流过电池的电流”存在一定的偏差。下列分析正确的是 。 A.电压表测量值偏大B.电压表测量值偏小C.电流表测量值偏大D.电流表测量值偏小(4)另一小组的同学认为:利用题中所给器材,改用图丙所示的电路也可以测量该电池的电动势和内阻,请你对他们的方案进行评价: 。
答案 (1)A1 (2)1.48 0.83 (3)D (4)方案不合理。由于一节干电池的内阻较小,电流表的内阻与其相比不可忽略,电流表的分压与电源内阻承担的电压比较接近,所以此实验方案不合理解析 (1)为了使测量结果尽量准确,电流表应选择A1。(2)由图示电源U-I图像可知,电源电动势E=1.48 V,(3)由于电压表的分流作用,电流的测量值小于真实值,实验误差来源于电压表的分流,电流表测量值偏小,选项D正确,ABC错误。故选D。(4)该方案不合理。由于一节干电池的内阻较小,电流表的内阻与其相比不可忽略,电流表的分压与电源内阻承担的电压比较接近,所以此实验方案不合理。
4.(2020广东高三二模)如图甲所示,某同学利用下图电路测量电源电动势和内阻。先将电路中的电压传感器d端与a端连接。(1)若该同学开始实验后未进行电压传感器的调零而其他器材的使用均正确,则移动滑片后,得到的U-I图像最可能为 。
(2)将电压传感器d端改接到电路中c端,正确调零操作,移动滑片后,得到如图乙所示的U-I图像,已知定值电阻R=12 Ω,则根据图像可知电源电动势为 V、内阻为 Ω(结果保留2位有效数字)。
答案 (1)B (2)3.0 0.50解析 (1)该同学开始实验后未进行电压传感器的调零,则电路电流为0时,电压传感器有示数,不为0,作出的U-I图像中,电压随电流的增大而增大,但图像不过坐标原点,因此可能是B,ACD错误。故选B。(2)由于电压传感器正、负极颠倒,因此测量值为负值,计算时倒过来即可,图像与纵轴交点绝对值等于电动势,图像的斜率等于内电阻与定值电阻之和,因此电动势为E=3.0 V,
5.(2020福建高三二模)某同学测量一节旧干电池的电动势和内电阻的电路图如图甲所示,其中虚线框内为用毫安表改装成双量程电压表的电路:
(1)毫安表的内阻Rg=100 Ω,满偏电流为5 mA;R1和R2为定值电阻,其中R1=500 Ω。若使用a和c接线柱,电压表量程为15 V,则R2= Ω; (2)现有两个电流表:A1(量程0.6 A,内阻约0.2 Ω),A2(量程3 A,内阻约0.05 Ω);两个滑动变阻器,最大阻值分别为10 Ω和500 Ω,则应选电流表 (选填“A1”或“A2”),应选最大阻值为 Ω的滑动变阻器; (3)实验主要步骤如下:①开关S2拨向b,将滑动变阻器R的滑片移到最 端(选填“左”或“右”); ②闭合开关S1,多次调节滑动变阻器的滑动片,记下相应的电流表示数I1和毫安表示数I2;③根据测量数据画出的I2-I1图像如图乙所示;④由图像可得电源的电动势E= V,内阻r= Ω。(结果均保留三位有效数字)
答案 (1)2 400 (2)A1 10 (3)①左 ④1.44 1.20
(2)一节电池的电动势约为1.5 V,因此电流表应选用A1。为了方便调节,滑动变阻器应当选择10 Ω的。
规律方法 相对之前的高考,等级考试要求的电学实验,根据新课程标准规定,有了较大的变化。除了一些名称改变的实验外,新增加了一些新实验,如“观察电容器的充、放电现象”“探究影响感应电流方向的因素”“探究变压器原副线圈电压与匝数的关系”等。因此要在一轮复习的基础上,从实验操作及注意事项、实验数据处理和分析、实验创新等方面,进一步强化新增物理实验的复习。
【典例4】(2019北京卷)电容器作为储能器件,在生产生活中有广泛的应用。对给定电容值为C的电容器充电,无论采用何种充电方式,其两极间的电势差u随电荷量q的变化图像都相同。(1)请在图1中画出上述u-q图像。类比直线运动中由v-t图像求位移的方法,求两极间电压为U时电容器所储存的电能Ep。
(2)在如图2所示的充电电路中,R表示电阻,E表示电源(忽略内阻)。通过改变电路中元件的参数对同一电容器进行两次充电,对应的q-t曲线如图3中①②所示。a.①②两条曲线不同是 (选填“E”或“R”)的改变造成的; b.电容器有时需要快速充电,有时需要均匀充电。依据a中的结论,说明实现这两种充电方式的途径。
(3)设想使用理想的“恒流源”替换(2)中电源对电容器充电,可实现电容器电荷量随时间均匀增加。请思考使用“恒流源”和(2)中电源对电容器的充电过程,填写下表(选填“增大”“减小”或“不变”)。
答案 (1)u-q图线如图:Ep= CU2(2)a.Rb.减小电阻R,可以实现对电容器更快速充电;增大电阻R,可以实现更均匀充电。(3)
(2)a.由于电源内阻不计,当电容器充满电后电容器两端电压即电源的电动势,电容器最终的电荷量为:Q=CE,由q-t图可知,两种充电方式最终的电荷量相同,只是时间不同,所以①②曲线不同是R造成的;b.由题图3可知,要快速度充电时,只要减小题图2中的电阻R,要均匀充电时,只要适当增大题图2中的电阻R即可;(3)在电容器充电过程中,电容器的左极板带正电,右极板带负电,相当于另一电源,且充电过程中电荷量越来越大,回路中的总电动势减小。当电容器两端电压与电源电动势相等时,充电结束,所以换成“恒流源”时,为了保证电流不变,“恒流源”两端电压要增大,从而保证通过电源的电流不变。(2)中电源的电压不变,因此通过电源的电流减小。
6.(2020北京高三一模)在“观察电容器的充、放电现象”实验中,电路如图所示:(1)将开关S接通1,电容器的 (选填“上”或“下”)极板带正电,再将S接通2,通过电流表的电流方向向 (选填“左”或“右”)。 (2)若电源电动势为10 V,实验中所使用的电容器大小为3.3×10-3 F,充满电后电容器正极板所带电荷量为 C(结果保留两位有效数字)。 (3)下列关于电容器充电时,电流i与时间t的关系、所带电荷量q与两极板间的电压U的关系正确的是 。
答案 (1)上 左 (2)3.3×10-2 (3)A解析 (1)开关S接通1,电容器充电,根据电源的正负极可知电容器上极板带正电。开关S接通2,电容器放电,通过电流表的电流向左。(2)充满电后电容器所带电荷量Q=CU=3.3×10-2 C(3)电容器充电过程中,电流逐渐减小,随着两极板电荷量增大,电流减小得越来越慢,电容器充电结束后,电流减为0,A正确,B错误;电容是电容器本身具有的属性,根据电容的定义式C= 可知,电荷量与电压成正比,所以图线应 为过原点直线,CD错误。故选A。
7.(2020北京高三一模)某同学在实验室进行探究变压器原、副线圈电压与匝数关系的实验。他准备了可拆变压器、多用电表、开关和导线若干。(1)实验需要以下哪种电源 ; A.低压直流电源B.高压直流电源C.低压交流电源D.高压交流电源
(2)该同学认真检查电路无误后,先保证原线圈匝数不变,改变副线圈匝数,再保证副线圈匝数不变,改变原线圈匝数。分别测出相应的原、副线圈电压值。由于交变电流的电压是变化的,所以,我们实际上测量的是电压的 值(填“有效”或“最大”)。其中一次多用电表读数如图所示,此时电压表读数为 V; (3)理想变压器原、副线圈电压应与其匝数成 (选填“正比”或“反比”),实验中由于变压器的铜损和铁损导致原线圈与副线圈的电压之比一般 (选填“大于”“小于”或“等于”)原线圈与副线圈的匝数之比。
答案 (1)C (2)有效 7.2 (3)正比 大于解析 (1)因为探究变压器原、副线圈电压与匝数关系,必须用交流电源,又因为安全起见必须用低压电源,所以用低压交流电源,故选C。(2)多用电表测量的交流电压为有效值,不是最大值;多用电表选用的挡位是交流电压的10 V挡位,所以应该在0~10 V挡位读数,所以读数应该是7.2 V。
规律方法 解决电学创新实验的“2注意3方法”1.对于电学实验的创新,应注意的2个问题(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。
2.解决电学设计型实验常用的3种方法(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。
【典例5】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2 500 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2 000 Ω);电阻箱Rz(最大阻值为99 999.9 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 (选填“20”或“2 000”) Ω。 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 (选填“左”或“右”)端对应的位置;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2 500.0 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 (选填“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2 601.0 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: 。
答案 (1)连线如图(2)①20 ②左 ③相等 ④2 550(3)调节R1上的分压,尽可能使微安表接近满量程
解析 (1)略(2)①R1在电路中具有分压作用,应选阻值为20 Ω的小电阻。②为了保护微安表,开始时让微安表两端的电压为零,所以开始时将R1的滑片滑到左端。③由题可知,S2接通前后微安表的示数保持不变,故电路中BD导线在S2接通前后通过的电流均为零,所以B、D点在S2接通前后的电势相等。④由于解得,RμA=2 550 Ω。(3)本实验需要观察微安表的示数是否变化,微安表的示数越大,观察误差就越小,所以实验时调节R1让微安表接近满量程,能提高测量微安表内阻精度。
思维点拨 (1)根据电路原理图在实物图上连线。(2)①根据实验方法确定R1选择阻值较小或较大的滑动变阻器;②为了保护微安表,分析滑片C开始应处的位置;③接通S2前后,微安表的示数保持不变,由此分析电势高低;④根据比例方法确定Rx的值。(3)从减少误差的方法来提出建议。方法技巧 对于实验题,要弄清楚实验目的、实验原理以及数据处理、误差分析等问题,一般的实验设计、实验方法都是根据教材上给出的实验方法进行拓展、延伸,所以一定要熟练掌握教材中的重要实验。对于实验仪器的选取一般要求满足安全性原则、准确性原则和操作方便原则。
8.(2020江苏高三二模)(1)为了研究滑动变阻器对实验的影响,某同学利用如图甲所示的电路,分别用最大阻值是5 Ω、50 Ω、2 000 Ω的三种滑动变阻器做限流电阻。当滑动变阻器的滑片由一端向另一端移动的过程中,根据实验数据,分别做出电压表读数U随滑片移动距离x 的关系曲线a、b、c,如图乙所示。如果待测电阻两端电压需要有较大的调节范围,同时操作还要尽量方便,应选择图中的 (选填“a”“b”或“c”)所对应的滑动变阻器。
(2)某同学设计了如图丙所示的电路来测量电源电动势E和内阻r及电阻R1的阻值。实验器材有:待测电源,待测电阻R1,电压表V(量程0~3 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先测电阻R1的阻值。将该同学的操作补充完整:A.闭合S1,将S2切换到a,调节电阻箱,读出其示数R0和对应的电压表示数U1;B.保持电阻箱示数不变, ,读出电压表的示数U2; C.电阻R1的表达式为R1= ; ②该同学已经测得电阻R1=2.8 Ω,继续测电源电动势E和内阻r,其做法是:闭合S1,将S2切换到a,多次调节电阻箱,读出多组电阻箱示数R和对应的电压表示数U,由测得的数据,绘出了如图丁所示的 图线,则电源电动势E= V,内阻r= Ω(结果保留2位有效数字)。
解析 (1)滑动变阻器调节过程中,应尽量使电表示数变化范围较大,这样才能有效减小实验误差,c所对应的电压变化范围较小,a对应的滑动变阻器不方便调节,所以选择b所对应的滑动变阻器。
1.(2019全国Ⅱ卷)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V1和V2为理想电压表;R为滑动变阻器,R0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:
(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V1的示数为U1= 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 (选填“变大”或“变小”),电压表V1示数 (选填“增大”或“减小”),此时应将R的滑片向 (选填“A”或“B”)端移动,以使V1示数仍为U1。 (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/℃(保留两位有效数字)。
答案 (1)5.00 变小 增大 B (2)2.8解析 (1)U1=IR0=50.0×10-3×100 mV=5.00 mV。从U-t关系曲线可以得出,温度升高时,二极管两端电压变小,二极管正向电阻变小,回路电流变大,电压表V1示数增大,为了保证电流不变,滑动变阻器R的滑片应向B端移动。
情境剖析 本题属于创新性题目,以硅二极管问题为素材创设学习探索类问题情境。素养能力 本题考查的学科素养是科学探究,考查的关键能力是理解能力、实验探究能力,要求学生从图像中获取信息,灵活运用所学的实验理论和分析方法解决实验中的问题。
2.(2019全国Ⅰ卷)某同学要将一量程为250 μA的微安表改装为量程为20 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 。(填正确选项标号) A.18 mAB.21 mA C.25 mAD.28 mA(3)产生上述问题的原因可能是 。(填正确选项标号) A.微安表内阻测量错误,实际内阻大于1 200 ΩB.微安表内阻测量错误,实际内阻小于1 200 ΩC.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
解析 (1)量程为250 μA的微安表改装成量程为20 mA电流表时应将电阻与微安表并联。根据电路图,从电源正极出发,电表正极对应电源正极,依次连接,注意连线不要交叉。(2)通过电流表的电流与偏角成正比,表盘160 μA对应16 mA,则表盘250 μA对应25 mA。(3)根据IgRg=(I-Ig)R得 ,改装后的量程偏大的原因可能是,原微安表内阻测量值偏小,其实际内阻Rg大于1 200 Ω;或者因为定值电阻的阻值R计算有误,计算值偏大,实际接入定值电阻阻值偏小。故选AC。(4)并联电路电压相等, =(I-Ig)R,即160 μA·Rg=(16 mA-160 μA)R;200 μA·Rg=(16 mA-200 μA)kR,得k= 。
情境剖析 本题属于应用性题目,以电表改装为素材创设学习探索类问题情境。素养能力 本题考查的学科素养是科学探究。考查的关键能力是理解能力、实验探究能力,要求学生能正确连接器材,会观察、分析和解释实验中产生的现象和数据,并得出合理的结论。
3.(2018全国Ⅲ卷)一课外实验小组用如图所示的电路测量某待测电阻Rx的阻值,图中R0为标准定值电阻(R0=20.0 Ω);V可视为理想电压表;S1为单刀开关,S2为单刀双掷开关;E为电源;R为滑动变阻器。采用如下步骤完成实验:(1)按照实验原理线路图(a),将图(b)中实物连线;
(2)将滑动变阻器滑动端置于适当的位置,闭合S1;(3)将开关S2掷于1端,改变滑动变阻器滑动端的位置,记下此时电压表V的示数U1;然后将S2掷于2端,记下此时电压表V的示数U2;(4)待测电阻阻值的表达式Rx= (用R0、U1、U2表示); (5)重复步骤(3),得到如下数据:(6)利用上述5次测量所得 的平均值,求得Rx= Ω。(保留1位小数)
答案 (1)实物连线如图
情境剖析 本题属于应用性题目,以测电阻为素材创设学习探索类问题情境。素养能力 本题考查的学科素养是科学探究。考查的关键能力是理解能力、实验探究能力,要求学生能正确连接器材,会观察、分析和解释实验中产生的现象和数据,并得出合理的结论。
4.(2020北京卷)用图1所示的甲、乙两种方法测量某电源的电动势和内电阻(约为1 Ω)。其中R为电阻箱,电流表的内电阻约为0.1 Ω,电压表的内电阻约为3 kΩ。
(1)利用图1中甲图实验电路测电源的电动势E和内电阻r,所测量的实际是图2中虚线框所示“等效电源”的电动势E'和内电阻r'。若电流表内电阻用RA表示,请你用E、r和RA表示出E'、r',并简要说明理由。 。
(2)某同学利用图像分析甲、乙两种方法中由电表内电阻引起的实验误差。在图3中,实线是根据实验数据(图甲:U=IR,图乙:I= )描点作图得到的U-I图像;虚线是该电源的路端电压U随电流I变化的U-I图像(没有电表内电阻影响的理想情况)。在图3中,对应图甲电路分析的U-I图像是 ;对应图乙电路分析的U-I图像是 。 (3)综合上述分析,为了减小由电表内电阻引起的实验误差,本实验应选择图1中的 (填“甲”或“乙”)。
答案 (1)E'=E,r+RA,理由见解析 (2)C A (3)乙解析 (1)将电源和电流表视为等效电源,电源电动势是电源本身具有的属性,电流表不具有产生电动势的本领,所以等效电源的电动势仍然为E'=E而电流表的内阻和电动势的内阻作为等效电源的内阻,即r'=r+RA(2)对甲图,考虑电表内阻时,根据闭合电路欧姆定律得E=U路+Ir内=U+I(r+RA)变形得U=-(r+RA)I+E直接通过实验获得数据,可得U=-rI+E图像与纵轴截距均为电源电动势E,虚线对应的斜率大小为r,实线对应的斜率大小为(r+RA),所以对应图甲电路分析的U-I图像是C;
(3)图甲虽然测量的电源电动势准确,但电流表分压较为明显,所以内阻测量的误差很大;图乙虽然电动势和内阻测量均偏小,但是电压表内阻很大,分流不明显,所以电动势和内阻的测量误差较小,所以选择图乙可以减小由电表内电阻引起的实验误差。
情境剖析 本题属于基础性、探究性题目,以教材常见的测量某电源的电动势和内电阻的“安阻法”和“伏阻法”为素材创设学习探索类问题情境。素养能力 本题考查了考生的“设计实验与制订方案、获取和处理信息”等科学探究能力。考查学生的物理学科核心素养中关于“科学探究”及“物理观念”等方面的水平,尤其注重考查“科学探究”中关于证据和解释要素的水平以及对电路中相关概念的理解。
归纳总结 1.多用电表的读数电流表、电压表的刻度是均匀的,读数时应注意量程;欧姆表的刻度是不均匀的,读数时应乘以倍率。2.多用电表使用的几个注意事项(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。测电阻时不要用手接触多用电表的表笔。(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。
3.欧姆表刻度不均匀的原因
【典例1】(2020山东泰安高三三模)利用图甲所示电路测量多用电表电阻挡“×1k”倍率时内部电池的电动势和内阻(多用电表内部接入电路的总电阻),同时测量电压表V的内阻。提供的器材有:多用电表、电压表V(量程为6 V,内阻为十几千欧)、滑动变阻器(最大阻值为10 kΩ)、导线若干。
(1)将多用电表的选择开关打到电阻挡“×1k”倍率,接着进行 。 (2)将图甲中黑表笔与 (选填“1”或“2”)端相连,红表笔与另一端相连。 (3)将滑动变阻器的滑片移至右端,此时电压表的示数为3.90 V,多用电表的指针指在图乙中的实线位置,其示数为 kΩ;再将滑片向左移至某一位置时,电压表的示数为3.30 V,此时多用电表的指针指在图乙中的虚线位置,其示数为 kΩ。 (4)电压表的内阻为 kΩ;多用电表电阻挡“×1 k”倍率时内部电池的电动势为 V(结果保留3位有效数字)、内阻为 kΩ。
答案 (1)欧姆调零 (2)2 (3)12 17 (4)12 8.94 15.5解析 (1)将多用电表的选择开关打到电阻挡“×1k”倍率,接着两表笔短接进行欧姆调零。(2)黑表笔内部接电源的正极,则将图甲中黑表笔与2端相连,红表笔与另一端相连。(3)多用电表的指针指在图乙中的实线位置时,其示数为12×1 kΩ=12 kΩ;多用电表的指针指在图乙中的虚线位置时,其示数为17×1 kΩ=17 kΩ。
1.(2020北京高三二模)用如图所示的多用电表测量定值电阻。
(1)待测电阻的阻值约为20 Ω,测量步骤如下:①调节指针定位螺丝,使多用电表指针对准 (选填“直流电流、电压”或“电阻”)“0”刻线。 ②将选择开关转到电阻挡的 (选填“×1”“×10”或“×100”)的位置。 ③将红、黑表笔插入“+”“-”插孔,并将两表笔短接,调节欧姆调零旋钮,使电表指针对准电阻的 (选填“0刻线”或“∞刻线”)。 ④将两表笔分别与待测电阻相接,读取数据。
(2)测量后需要继续测量一个阻值大约是2 kΩ左右的电阻。在红黑表笔接触这个电阻两端之前,请从下列选项中挑出必要的步骤,并按 的顺序进行操作,再完成读数测量。 A.调节定位指针螺丝,使多用电表指针对准“0”刻线B.将红黑表笔接触C.把选择开关旋转到“×1k”位置D.把选择开关旋转到“×100”位置E.调节欧姆调零旋钮,使电表指针对准电阻的“0”刻线
答案 (1)①直流电流、电压②×1 ③0刻线 (2)DBE解析 (1)①调节指针定位螺丝,进行机械调零,使多用电表指针对准直流电流、电压“0”刻线。②因待测电阻约为20 Ω,则将选择开关转到电阻挡的“×1”的位置。③将红、黑表笔插入“+”、“-”插孔,并将两表笔短接,调节欧姆调零旋钮,使电表指针对准电阻的“0刻线”。(2)测量后要继续测量一个阻值大约是2 kΩ左右的电阻,则需先将选择开关旋转到“×100”位置,然后两表笔短接调零,使电表指针对准电阻的“0”刻线。故为DBE。
2.(2020安徽高三三模)(1)在使用多用电表的过程中,下列说法正确的是 。 A.测量电压时,要将红表笔接在低电势点B.测量电阻时,更换倍率挡后,无须重新欧姆调零C.测量电阻时,要使待测电阻与其他元件和外部电源断开
(2)如图为某一多用电表的结构示意图,表头G的满偏电流为Ig=0.5 mA,内阻为Rg=200 Ω。当选择开关分别接1和2挡时,对应的量程为10 mA和1 mA,其中R1为20 Ω,则R2为 Ω。 (3)该欧姆表表盘中间位置的数值为25,则其“×100”欧姆挡所使用的电源电动势大小为 V。
答案 (1)C (2)180 (3)2.5解析 (1)在测量电压时,电流从红接线柱流入多用电表,故A错误;测量阻值不同的电阻时,更换倍率挡后,需要重新欧姆调零,故B错误;由于测电阻时内部有电源,所以如果电路不和电源断开,可能出现电流过大,烧坏表头的情况。故C正确。故选C。
(3)使用欧姆挡时,电流表的满偏电流IA=1 mA,中值电阻的阻值等于欧姆表内阻,所以欧姆表内阻为R=25×100 Ω=2 500 Ω电源电动势大小为E=IAR=1×10-3×2 500 V=2.5 V
归纳总结 电阻的测量实验是高考实验的热点,涉及的实验包括伏安法测电阻、多用电表测电阻、描绘小灯泡的伏安特性曲线、测量金属的电阻率、测量电流表或电压表的内阻等。主要考查电阻的测量电路设计、控制电路设计、器材的选取与实物连接、实验数据的处理与误差分析等。明确三个“选择”,电学实验难离它1.实验器材的选择(1)电源的选择:一般根据待测电阻的额定电流或额定电压选择符合需要的直流电源。(2)电表的选择:一般根据电源的电动势或待测用电器的额定电压选择电压表;根据待测电流的最大电流选择电流表;电表的指针摆动的幅度较大,一般应使指针能达到半偏。
2.电流表内接法与外接法的选择
3.两种接法的判断(1)比值判断法
(2)临界值判断法当被测电阻Rx的大小无法直接判定时,先求临界电阻 。若Rx>R0,则Rx为大电阻,内接法误差小;若Rx
4.分压电路与限流电路的选择(1)从节能的角度考虑,优先选用限流式。(2)以下三种情况必须用分压式:①要求待测电路的U、I从0变化;②R滑≪Rx;③选用限流式,Ux、Ix过大(超过电流表量程,烧坏电表、电源或用电器等)。
【典例2】(2020山东等级考模拟)某同学为了测量一根铅笔芯的电阻率,设计了如图甲所示的电路测量该铅笔芯的电阻值。所用器材有电流表A1、A2,电阻箱R1、滑动变阻器R2、待测铅笔芯Rx、电源E、开关S及导线等。操作步骤如下:调节滑动变阻器和电阻箱的阻值达到最大;闭合开关,适当调节滑动变阻器和电阻箱的阻值;记录两个电流表A1、A2的示数分别为I1、I2。请回答以下问题:
(1)若电流表的内阻可忽略,则电流表示数I2= I1时,电阻箱的阻值等于待测笔芯的电阻值。 (2)用螺旋测微器测量该笔芯的直径,螺旋测微器的示数如图乙所示,该笔芯的直径为 mm。 (3)已测得该笔芯的长度L=20.00 cm,电阻箱R1的读数为5.00 Ω,根据上面测量的数据可计算出笔芯的电阻率ρ= Ω·m。(结果保留3位有效数字) (4)若电流表A2的内阻不能忽略,仍利用(1)中方法,则笔芯电阻的测量值 真实值(选填“大于”“小于”或“等于”)。
3.(2020江西高三三模)某物理兴趣小组想测定一个阻值大约为10 kΩ,额定电功率为0.1 W的电阻Rx,现有以下实验器材可以选择:A.电流表A1(量程为1 mA,内阻约为100 Ω)B.电流表A2(量程为3 mA,内阻约为20 Ω)C.电压表V1(量程为10 V,内阻约为50 kΩ)D.电压表V2(量程为30 V,内阻约为100 kΩ)E.直流电源E(电动势为9 V,内阻约为1 Ω)F.滑动变阻器R1(20 Ω,1 A)G.开关、导线若干(1)为了方便并能多次测量使结果尽可能精确,电流表应选 ,电压表应选 (填器材前面的序号); (2)根据所选器材在方框内设计并画出电路图;
(3)若操作、读数、计算均无误,考虑到电表内阻影响,R测 R真(选填“大于”“等于”或“小于”); (4)为避免电表内阻的影响,小组成员提出用新的器材并提出另外的方案(如图所示),连接好电路后,闭合开关S1,调节各可变电阻,使得开关S2由断开到闭合,灵敏电流计G指针无偏转,并记录此时电压表示数U和电流表示数I,则待测电阻Rx= ,该方案中,若从系统误差分析,R测 R真(选填“大于”“等于”或“小于”)。
解析 (1)由于电源电动势为9 V,故电压表应该选择10 V量程,即电压表选择V1,通过待测电阻的最大电流约为 =0.9 mA,故电流表应该选择A1;(2)由于待测电阻阻值很大,故电流表应该选择内接,由于滑动变阻器的阻值远小于待测电阻,故应该采用分压式接法,电路图如图
(3)由于电压表示数为待测电阻和电流表电压之和,故其值大于真实值,由 可知待测电阻的测量值大于真实值;(4)当S2由断开到闭合,灵敏电流计G指针无偏转,即电流计中无电流,因此电压表的示数即为待测电阻两端电压,电流表示数为通过待测电阻的电流,因此由前面分析可知,电压表、电流表的值均为真实值,因此无系统误差,R测=R真。
规律方法 测电源电动势和内阻的三种方法
【典例3】(2020北京高三二模)某小组的同学在做“测量一节干电池的电动势和内阻”的实验,被测电池的电动势约为1.5 V,内阻约为1.0 Ω。他们利用图甲的电路进行测量,已知实验室除待测电池、开关、导线外,还有下列器材可供选用:电流表A1:量程0~0.6 A,内阻约0.125 Ω电流表A2:量程0~3 A,内阻约0.025 Ω电压表V:量程0~3 V,内阻约3 kΩ滑动变阻器R:0~20 Ω,额定电流2 A
(3)由于电表内阻的影响,电压表和电流表的测量值可能与“电池两端电压”和“流过电池的电流”存在一定的偏差。下列分析正确的是 。 A.电压表测量值偏大B.电压表测量值偏小C.电流表测量值偏大D.电流表测量值偏小(4)另一小组的同学认为:利用题中所给器材,改用图丙所示的电路也可以测量该电池的电动势和内阻,请你对他们的方案进行评价: 。
答案 (1)A1 (2)1.48 0.83 (3)D (4)方案不合理。由于一节干电池的内阻较小,电流表的内阻与其相比不可忽略,电流表的分压与电源内阻承担的电压比较接近,所以此实验方案不合理解析 (1)为了使测量结果尽量准确,电流表应选择A1。(2)由图示电源U-I图像可知,电源电动势E=1.48 V,(3)由于电压表的分流作用,电流的测量值小于真实值,实验误差来源于电压表的分流,电流表测量值偏小,选项D正确,ABC错误。故选D。(4)该方案不合理。由于一节干电池的内阻较小,电流表的内阻与其相比不可忽略,电流表的分压与电源内阻承担的电压比较接近,所以此实验方案不合理。
4.(2020广东高三二模)如图甲所示,某同学利用下图电路测量电源电动势和内阻。先将电路中的电压传感器d端与a端连接。(1)若该同学开始实验后未进行电压传感器的调零而其他器材的使用均正确,则移动滑片后,得到的U-I图像最可能为 。
(2)将电压传感器d端改接到电路中c端,正确调零操作,移动滑片后,得到如图乙所示的U-I图像,已知定值电阻R=12 Ω,则根据图像可知电源电动势为 V、内阻为 Ω(结果保留2位有效数字)。
答案 (1)B (2)3.0 0.50解析 (1)该同学开始实验后未进行电压传感器的调零,则电路电流为0时,电压传感器有示数,不为0,作出的U-I图像中,电压随电流的增大而增大,但图像不过坐标原点,因此可能是B,ACD错误。故选B。(2)由于电压传感器正、负极颠倒,因此测量值为负值,计算时倒过来即可,图像与纵轴交点绝对值等于电动势,图像的斜率等于内电阻与定值电阻之和,因此电动势为E=3.0 V,
5.(2020福建高三二模)某同学测量一节旧干电池的电动势和内电阻的电路图如图甲所示,其中虚线框内为用毫安表改装成双量程电压表的电路:
(1)毫安表的内阻Rg=100 Ω,满偏电流为5 mA;R1和R2为定值电阻,其中R1=500 Ω。若使用a和c接线柱,电压表量程为15 V,则R2= Ω; (2)现有两个电流表:A1(量程0.6 A,内阻约0.2 Ω),A2(量程3 A,内阻约0.05 Ω);两个滑动变阻器,最大阻值分别为10 Ω和500 Ω,则应选电流表 (选填“A1”或“A2”),应选最大阻值为 Ω的滑动变阻器; (3)实验主要步骤如下:①开关S2拨向b,将滑动变阻器R的滑片移到最 端(选填“左”或“右”); ②闭合开关S1,多次调节滑动变阻器的滑动片,记下相应的电流表示数I1和毫安表示数I2;③根据测量数据画出的I2-I1图像如图乙所示;④由图像可得电源的电动势E= V,内阻r= Ω。(结果均保留三位有效数字)
答案 (1)2 400 (2)A1 10 (3)①左 ④1.44 1.20
(2)一节电池的电动势约为1.5 V,因此电流表应选用A1。为了方便调节,滑动变阻器应当选择10 Ω的。
规律方法 相对之前的高考,等级考试要求的电学实验,根据新课程标准规定,有了较大的变化。除了一些名称改变的实验外,新增加了一些新实验,如“观察电容器的充、放电现象”“探究影响感应电流方向的因素”“探究变压器原副线圈电压与匝数的关系”等。因此要在一轮复习的基础上,从实验操作及注意事项、实验数据处理和分析、实验创新等方面,进一步强化新增物理实验的复习。
【典例4】(2019北京卷)电容器作为储能器件,在生产生活中有广泛的应用。对给定电容值为C的电容器充电,无论采用何种充电方式,其两极间的电势差u随电荷量q的变化图像都相同。(1)请在图1中画出上述u-q图像。类比直线运动中由v-t图像求位移的方法,求两极间电压为U时电容器所储存的电能Ep。
(2)在如图2所示的充电电路中,R表示电阻,E表示电源(忽略内阻)。通过改变电路中元件的参数对同一电容器进行两次充电,对应的q-t曲线如图3中①②所示。a.①②两条曲线不同是 (选填“E”或“R”)的改变造成的; b.电容器有时需要快速充电,有时需要均匀充电。依据a中的结论,说明实现这两种充电方式的途径。
(3)设想使用理想的“恒流源”替换(2)中电源对电容器充电,可实现电容器电荷量随时间均匀增加。请思考使用“恒流源”和(2)中电源对电容器的充电过程,填写下表(选填“增大”“减小”或“不变”)。
答案 (1)u-q图线如图:Ep= CU2(2)a.Rb.减小电阻R,可以实现对电容器更快速充电;增大电阻R,可以实现更均匀充电。(3)
(2)a.由于电源内阻不计,当电容器充满电后电容器两端电压即电源的电动势,电容器最终的电荷量为:Q=CE,由q-t图可知,两种充电方式最终的电荷量相同,只是时间不同,所以①②曲线不同是R造成的;b.由题图3可知,要快速度充电时,只要减小题图2中的电阻R,要均匀充电时,只要适当增大题图2中的电阻R即可;(3)在电容器充电过程中,电容器的左极板带正电,右极板带负电,相当于另一电源,且充电过程中电荷量越来越大,回路中的总电动势减小。当电容器两端电压与电源电动势相等时,充电结束,所以换成“恒流源”时,为了保证电流不变,“恒流源”两端电压要增大,从而保证通过电源的电流不变。(2)中电源的电压不变,因此通过电源的电流减小。
6.(2020北京高三一模)在“观察电容器的充、放电现象”实验中,电路如图所示:(1)将开关S接通1,电容器的 (选填“上”或“下”)极板带正电,再将S接通2,通过电流表的电流方向向 (选填“左”或“右”)。 (2)若电源电动势为10 V,实验中所使用的电容器大小为3.3×10-3 F,充满电后电容器正极板所带电荷量为 C(结果保留两位有效数字)。 (3)下列关于电容器充电时,电流i与时间t的关系、所带电荷量q与两极板间的电压U的关系正确的是 。
答案 (1)上 左 (2)3.3×10-2 (3)A解析 (1)开关S接通1,电容器充电,根据电源的正负极可知电容器上极板带正电。开关S接通2,电容器放电,通过电流表的电流向左。(2)充满电后电容器所带电荷量Q=CU=3.3×10-2 C(3)电容器充电过程中,电流逐渐减小,随着两极板电荷量增大,电流减小得越来越慢,电容器充电结束后,电流减为0,A正确,B错误;电容是电容器本身具有的属性,根据电容的定义式C= 可知,电荷量与电压成正比,所以图线应 为过原点直线,CD错误。故选A。
7.(2020北京高三一模)某同学在实验室进行探究变压器原、副线圈电压与匝数关系的实验。他准备了可拆变压器、多用电表、开关和导线若干。(1)实验需要以下哪种电源 ; A.低压直流电源B.高压直流电源C.低压交流电源D.高压交流电源
(2)该同学认真检查电路无误后,先保证原线圈匝数不变,改变副线圈匝数,再保证副线圈匝数不变,改变原线圈匝数。分别测出相应的原、副线圈电压值。由于交变电流的电压是变化的,所以,我们实际上测量的是电压的 值(填“有效”或“最大”)。其中一次多用电表读数如图所示,此时电压表读数为 V; (3)理想变压器原、副线圈电压应与其匝数成 (选填“正比”或“反比”),实验中由于变压器的铜损和铁损导致原线圈与副线圈的电压之比一般 (选填“大于”“小于”或“等于”)原线圈与副线圈的匝数之比。
答案 (1)C (2)有效 7.2 (3)正比 大于解析 (1)因为探究变压器原、副线圈电压与匝数关系,必须用交流电源,又因为安全起见必须用低压电源,所以用低压交流电源,故选C。(2)多用电表测量的交流电压为有效值,不是最大值;多用电表选用的挡位是交流电压的10 V挡位,所以应该在0~10 V挡位读数,所以读数应该是7.2 V。
规律方法 解决电学创新实验的“2注意3方法”1.对于电学实验的创新,应注意的2个问题(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。
2.解决电学设计型实验常用的3种方法(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。
【典例5】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2 500 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2 000 Ω);电阻箱Rz(最大阻值为99 999.9 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 (选填“20”或“2 000”) Ω。 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 (选填“左”或“右”)端对应的位置;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2 500.0 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 (选填“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2 601.0 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: 。
答案 (1)连线如图(2)①20 ②左 ③相等 ④2 550(3)调节R1上的分压,尽可能使微安表接近满量程
解析 (1)略(2)①R1在电路中具有分压作用,应选阻值为20 Ω的小电阻。②为了保护微安表,开始时让微安表两端的电压为零,所以开始时将R1的滑片滑到左端。③由题可知,S2接通前后微安表的示数保持不变,故电路中BD导线在S2接通前后通过的电流均为零,所以B、D点在S2接通前后的电势相等。④由于解得,RμA=2 550 Ω。(3)本实验需要观察微安表的示数是否变化,微安表的示数越大,观察误差就越小,所以实验时调节R1让微安表接近满量程,能提高测量微安表内阻精度。
思维点拨 (1)根据电路原理图在实物图上连线。(2)①根据实验方法确定R1选择阻值较小或较大的滑动变阻器;②为了保护微安表,分析滑片C开始应处的位置;③接通S2前后,微安表的示数保持不变,由此分析电势高低;④根据比例方法确定Rx的值。(3)从减少误差的方法来提出建议。方法技巧 对于实验题,要弄清楚实验目的、实验原理以及数据处理、误差分析等问题,一般的实验设计、实验方法都是根据教材上给出的实验方法进行拓展、延伸,所以一定要熟练掌握教材中的重要实验。对于实验仪器的选取一般要求满足安全性原则、准确性原则和操作方便原则。
8.(2020江苏高三二模)(1)为了研究滑动变阻器对实验的影响,某同学利用如图甲所示的电路,分别用最大阻值是5 Ω、50 Ω、2 000 Ω的三种滑动变阻器做限流电阻。当滑动变阻器的滑片由一端向另一端移动的过程中,根据实验数据,分别做出电压表读数U随滑片移动距离x 的关系曲线a、b、c,如图乙所示。如果待测电阻两端电压需要有较大的调节范围,同时操作还要尽量方便,应选择图中的 (选填“a”“b”或“c”)所对应的滑动变阻器。
(2)某同学设计了如图丙所示的电路来测量电源电动势E和内阻r及电阻R1的阻值。实验器材有:待测电源,待测电阻R1,电压表V(量程0~3 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先测电阻R1的阻值。将该同学的操作补充完整:A.闭合S1,将S2切换到a,调节电阻箱,读出其示数R0和对应的电压表示数U1;B.保持电阻箱示数不变, ,读出电压表的示数U2; C.电阻R1的表达式为R1= ; ②该同学已经测得电阻R1=2.8 Ω,继续测电源电动势E和内阻r,其做法是:闭合S1,将S2切换到a,多次调节电阻箱,读出多组电阻箱示数R和对应的电压表示数U,由测得的数据,绘出了如图丁所示的 图线,则电源电动势E= V,内阻r= Ω(结果保留2位有效数字)。
解析 (1)滑动变阻器调节过程中,应尽量使电表示数变化范围较大,这样才能有效减小实验误差,c所对应的电压变化范围较小,a对应的滑动变阻器不方便调节,所以选择b所对应的滑动变阻器。
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