2023届高考物理二轮复习专题八第2讲电学实验及其创新学案

这是一份2023届高考物理二轮复习专题八第2讲电学实验及其创新学案，共65页。
第2讲　电学实验及其创新

高考考点
命题轨迹
考查内容
考查要求
电学基本器材的
使用和读数
2022湖南卷T12
关键能力
综合性
2021福建卷T11
必备知识
基础性
2021浙江6月卷T19
必备知识
基础性
以测电阻为核心的
电学实验
2022全国甲卷T22
关键能力
综合性
2022广东卷T12
关键能力
综合性
2022山东卷T14
关键能力
综合性
2022全国乙卷T23
关键能力
综合性
2022浙江1月卷T18
关键能力
综合性
2021北京卷T16
关键能力
综合性
2021全国甲卷T23
关键能力
综合性
以测电源电动势为
核心的电学实验
2021湖南卷T12
关键能力
综合性
2021全国乙卷T23
关键能力
综合性
2021浙江1月卷T19
关键能力
综合性
电学实验创新
2022河北卷T12
关键能力
综合性
2021广东卷T12
关键能力
综合性
2021湖北卷T13
关键能力
综合性

考点一　电学基本器材的使用和读数

(2021·福建卷,11)某实验小组使用多用电表和螺旋测微器测量一长度为80.00 cm电阻丝的电阻率,该电阻丝的电阻值约为100～200 Ω,材料未知。实验过程如下:
(1)用螺旋测微器测量该电阻丝的直径,示数如图a所示,该电阻丝的直径为　　　　mm。 

(2)对多用电表进行机械调零。
(3)将多用电表的选择开关旋至　　　　(选填“×1”“×10”“×100”或“×1k”)倍率的电阻挡。 
(4)将黑、红表笔短接,调节欧姆调零旋钮,使指针指在电阻挡零刻度线。
(5)将黑、红表笔并接在待测电阻丝两端,多用电表的示数如图b所示。该电阻丝的电阻值为　　　　Ω。 

(6)测量完成之后,将表笔从插孔拔出,并将选择开关旋到“OFF”位置。
(7)实验测得的该电阻丝电阻率为　　　　Ω·m(结果保留3位有效数字)。 
解析:(1)该电阻丝的直径为d=1 mm+41.6×0.01 mm=1.416 mm。
(3)使用多用电表欧姆挡测电阻时,为了减小误差,应尽可能使指针偏转至刻度盘中央附近,由于该电阻丝的阻值在100～200 Ω,而表盘中央刻度在 15～20左右,所以应选择“×10”倍率的电阻挡。
(5)15～20之间的分度值为1,所以该电阻丝的电阻值为R=16×10 Ω=160 Ω。
(7)根据电阻定律有R=ρlS=ρ4lπd2,解得该电阻丝的电阻率为ρ=πd2R4l≈3.15×10-4 Ω·m。
答案:(1)1.416　(3)×10　(5)160
(7)3.15×10-4
(2021·浙江6月卷,19)小李在实验室测量一电阻Rx的阻值。
(1)因电表内阻未知,用如图1所示的电路来判定电流表该内接还是外接。正确连线后,合上开关S,将滑动变阻器的滑片P移至合适位置。单刀双掷开关K掷到1,电压表的读数U1=1.65 V,电流表的示数如图2所示,其读数I1=　　　　 A;将K掷到2,电压表和电流表的读数分别为U2=1.75 V,I1=0.33 A。由此可知应采用电流表　　　　(选填“内”或“外”)接法。 

(2)完成上述实验后,小李进一步尝试用其他方法进行实验:
①器材间连线如图3所示,请在虚线框中画出对应的电路图;

　　　　　　　　　　　　　　　





②先将单刀双掷开关掷到左边,记录电流表读数,再将单刀双掷开关掷到右边,调节电阻箱的阻值,使电流表的读数与前一次尽量相同,电阻箱的示数如图3所示。则待测电阻Rx=　　　　 Ω。此方法　　　　(选填“有”或“无”)明显的实验误差,其理由是　。 
解析:(1)由电流表的表盘可知电流大小为0.34 A,
电压表的百分比变化为
η1=1.75-1.651.75×100%=5.7%,
电流表的百分比变化为
η2=0.34-0.330.33×100%=3.0%。
因此可知电压表的示数变化更明显,说明电流表的分压更严重,因此不能让电流表分压,采用外接法。
(2)①电路图如图所示。

②两次实验中电路电流相同,因此可有I=ERA+r+Rx=ERA+r+R0,
可得Rx=R0,读数可得Rx=5 Ω,电阻箱的最小分度和待测电阻阻值接近,这样测得的阻值不够精确,如待测电阻阻值为5.4 Ω,则实验只能测得其为Rx=5 Ω,误差较大。
答案:(1)0.34　外
(2)①图见解析　②5　有　电阻箱的最小分度与待测电阻阻值比较接近(或其他合理解释)

1.电压表、电流表、多用电表的读数技巧
对电表读数问题,要先弄清楚电表的分度值,即每小格的数值,再确定是12、15还是110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,掌握测量电阻的步骤。
3.电表的“三用”
如果知道电表的内阻,电流表、电压表就既可以测电流,也可以测电压,还可以作为定值电阻来用,即“一表三用”。

1.(2022·福建福州三模)兴趣小组利用实验室中器材自制一个具有“×1”和“×10”两种倍率的欧姆表,电路设计如图甲所示。实验室可用器材有:

A.干电池(电动势E=1.5 V,内阻r=0.5 Ω)
B.毫安表(满偏电流Ig=1 mA,内阻rg=180 Ω)
C.滑动变阻器R0(最大阻值为200 Ω)
D.定值电阻R1(阻值为2 Ω)
E.定值电阻R2(阻值为18 Ω)
F.单刀双掷开关一个,红、黑表笔各1支,导线若干。
(1)根据上述器材和要求,电路中电阻Rx应选定值电阻　　　　(选填“R1”或“R2”)。 
(2)用“×10”倍率测量电阻时,选挡开关S应合向　　　　(选填“a”或“b”)。测量电阻时,毫安表的指针指在图乙所示位置处时被测电阻值为　　　　 Ω。 

(3)该欧姆表用久后,电池老化造成电动势减小、内阻增大,但仍能进行欧姆调零,则用其测得的电阻值　　　　(选填“大于”“等于”或“小于”)真实值。 
解析:(1)将两定值电阻和毫安表看作一个等效电流表,设当开关S掷向a端时﹐等效电流表满偏电流为Ia。当开关S掷向b端时,等效电流表满偏电流为Ib,根据串联规律可得(Ia-Ig)Rx=Ig(Rg+Ry),(Ib-Ig)(Rx+Ry)=IgRg,由于毫安表内阻为180 Ω,若Rx=R1,Ry=R2,则有Ia=100Ig,Ib=10Ig,若Rx=R2,Ry=R1,则有Ia=1009Ig,Ib=10Ig,根据要求自制具有“×1”和“×10”两种倍率的欧姆表,电路中电阻Rx应选定值电阻R1。
(2)根据串并联电路电流与电阻关系,可以看出 Ia>Ib,使用欧姆表,外接电阻越大,通过等效电流表的值越小,故用“×10”倍率测量电阻时,选挡开关S应掷向“b”;当开关S掷向“b”时,等效电流表Ib=10Ig,设欧姆表总的内电阻为R内,由闭合电路欧姆定律得,当毫安表满偏时有E=IbR内=10IgR内,解得R内=150 Ω,如题图乙,当毫安表半偏时有E=12IbR内=10×Ig2(R内+R),解得R=150 Ω。
(3)设等效电流表的电流为IG,电动势减小时,由欧姆表原理可得内阻R内=EIG,欧姆表内阻减小,
当测量电阻R时的电流为I=IGR内R+R内=IGRR内+1。
可知,回路中电流减小,指针偏左,对应欧姆表的刻度应该偏大,其测得的电阻值大于真实值。
答案:(1)R1　(2)b　150　(3)大于
2.(2022·浙江绍兴模拟)实验室有一额定电压为220 V的白炽灯,某同学欲了解其低压伏安特性,为此设计了系列实验,请依次回答下列问题。
(1)该同学用多用电表粗测白炽灯的电阻,正确操作后得到图甲,则该情况下白炽灯的电阻为　　　　 Ω。


(2)该同学随后用学生电源供电(电源选择15 V稳压),选择合适的滑动变阻器和其他器材,连接电路如图乙,打算直接闭合开关开始测量。请你指出连接图中存在的问题(至少列举两条)。

①　; 
②　。 
(3)该同学改掉所有问题后,正确测量过程中得到的一组电流表、电压表示数如图丙,则两表的读数分别为　　　　 A、　　　　 V。 

(4)该同学根据测量数据,作出了U-I图像,下列图像中最可能正确的是　　　　(选填字母“A”“B”或“C”)。 


解析:(1)由题图可知,选择挡位为“×1”,则其读数为40×1 Ω=40 Ω。
(2)由题图可知,电源选择15 V稳压,则流过灯泡的最大电流Imax=1540 A=0.375 A;可知电流表量程选择错误;滑动变阻器采用分压式接法,闭合开关前,滑动变阻器滑片应置于最右端。
(3)电流表选择量程为0～0.6 A,分度值为0.02 A,其读数为0.20 A;
电压表选择量程为0～15 V,分度值为0.5 V,其读数为4.0 V。
(4)电灯泡的电阻随温度的升高而升高,随着实验过程中电压增大,其阻值增大,则U-I图线上的点与原点连线的斜率随着电压增大而增大,故A可能,B、C不可能。
答案:(1)40　(2)①电流表量程选错　②滑动变阻器滑片位置错误　(3)0.20　4.0　(4)A
考点二　以测电阻为核心的电学实验

(2022·广东卷,12)弹性导电绳逐步成为智能控制系统中部分传感器的敏感元件。某同学测量弹性导电绳的电阻与拉伸后绳长之间的关系,实验过程如下:
(1)装置安装和电路连接
如图a所示,导电绳的一端固定,另一端作为拉伸端,两端分别用带有金属夹A、B的导线接入如图b所示的电路中。


(2)导电绳拉伸后的长度L及其电阻Rx的测量
①将导电绳拉伸后,用刻度尺测量并记录A、B间的距离,即为导电绳拉伸后的长度L。
②将滑动变阻器R的滑片滑到最右端。断开开关S2,闭合开关S1,调节R,使电压表和电流表的指针偏转到合适位置。记录两表的示数U和I1。
③闭合S2,电压表的示数　　　　(选填“变大”或“变小”)。调节R使电压表的示数仍为U,记录电流表的示数I2,则此时导电绳的电阻Rx=　　　(用I1、I2和U表示)。 
④断开S1,增大导电绳拉伸量,测量并记录A、B间的距离,重复步骤②和③。
(3)该电压表内阻对导电绳电阻的测量值　　　(选填“有”或“无”)影响。 
(4)图c是根据部分实验数据描绘的Rx-L图线。将该导电绳两端固定在某种机械臂上,当机械臂弯曲后,测得导电绳的电阻Rx为1.33 kΩ,则由图线可读出导电绳拉伸后的长度为　　　　 cm,即为机械臂弯曲后的长度。 
解析:(2)断开开关S2,根据欧姆定律可得定值电阻的阻值R0=UI1。闭合开关S2,导电绳与定值电阻并联,并联后的总电阻小于定值电阻的阻值R0,电流表示数增大,电压表示数变小。调节滑动变阻器R使电压表的示数仍为U,设导电绳与定值电阻并联后的总电阻为R′,则R′=R0RxR0+Rx,根据欧姆定律得R′=UI2,联立解得Rx=UI2-I1。
(3)考虑电压表内阻时,有I1U=1R0+1RV,I2U=1R0+1Rx+1RV,联立解得Rx=UI2-I1,与(2)中分析的结果相同,故电压表内阻对导电绳电阻的测量值无影响。
(4)由Rx-L图线可知,导电绳电阻Rx=1.33 kΩ对应的导电绳拉伸后的长度 L=51.80 cm。
答案:(2)变小　UI2-I1　(3)无　(4)51.80
(2022·湖北卷,13)某探究小组学习了多用电表的工作原理和使用方法后,为测量一种新型材料制成的圆柱形电阻的电阻率,进行了如下实验探究。
(1)该小组用螺旋测微器测量该圆柱形电阻的直径D,示数如图甲所示,其读数为　　　　 mm。再用游标卡尺测得其长度L。 


(2)该小组用如图乙所示的电路测量该圆柱形电阻Rx的阻值。图中电流表量程为0.6 A、内阻为1.0 Ω,定值电阻R0的阻值为20.0 Ω,电阻箱R的最大阻值为999.9 Ω。首先将S2置于位置1,闭合S1,多次改变电阻箱R的阻值,记下电流表的对应读数I,实验数据见下表。
R/Ω
I/A
1I/A-1
5.0
0.414
2.42
10.0
0.352
2.84
15.0
0.308
3.25
20.0
0.272
3.68
25.0
0.244
4.10
30.0
0.222
4.50
根据表中数据,在图丙中绘制出1I-R图像。再将S2置于位置2,此时电流表读数为0.400 A。根据图丙中的图像可得Rx=　　　　 Ω(结果保留2位有效数字)。最后可由表达式ρ=　　　　(用D、L、Rx表示)得到该材料的电阻率。 
(3)该小组根据图乙的电路和图丙的1I-R图像,还可以求得电源电动势E=　　　　 V,内阻r=　　　　 Ω。(结果均保留2位有效数字) 
(4)持续使用后,电源电动势降低、内阻变大。若该小组再次将此圆柱形电阻连入此装置,测得电路的电流,仍根据原来描绘的图丙的图像得到该电阻的测量值会　　　　(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。 
解析:(1)用螺旋测微器测量该圆柱形电阻的直径D,其读数为3.5 mm+0.01 mm×20.0=3.700 mm。
(2)(3)由电路可知,当将S2置于位置1,闭合S1时E=I(RA+R0+r+R),即1I=1ER+RA+R0+rE,由图像可知1E=4.9-2.035,解得E≈12 V;RA+R0+rE=2,解得r=3.0 Ω。再将S2置于位置2,此时电流表读数为0.400 A,则E=I′(r+R0+RA+Rx),解得Rx=6.0 Ω;根据Rx=ρLS=ρL14πD2,解得ρ=πD2Rx4L。
(4)根据表达式E=I′(r+R0+RA+Rx),因电源电动势变小,内阻变大,则当电流表有相同读数时,得到的Rx的值偏小,即Rx测量值偏小。
答案:(1)3.700
(2)6.0　πD2Rx4L
(3)12　3.0
(4)偏小
(2022·全国乙卷,23)一同学探究阻值约为550 Ω的待测电阻Rx在0～5 mA范围内的伏安特性。可用器材有:电压表(量程为3 V,内阻很大),电流表(量程为1 mA,内阻为300 Ω),电源E(电动势约为4 V,内阻不计),滑动变阻器R(最大阻值可选10 Ω或1.5 kΩ),定值电阻R0(阻值可选75 Ω或150 Ω),开关S,导线若干。

(1)要求通过Rx的电流可在0～5 mA范围内连续可调,将图a所示的器材符号连线,画出实验电路的原理图。
(2)实验时,图a中的R应选最大阻值为　　　　(选填“10 Ω”或“1.5 kΩ”)的滑动变阻器,R0应选阻值为　　　　(选填“75 Ω”或“150 Ω”)的定值电阻。 
(3)测量多组数据可得Rx的伏安特性曲线。若在某次测量中,电压表、电流表的示数分别如图b和图c所示,则此时Rx两端的电压为　　　　 V,流过Rx的电流为　　　　 mA,此组数据得到的Rx的阻值为　　　　 Ω(结果保留3位有效数字)。 

解析:(1)该实验探究待测电阻Rx在0～5 mA范围内的伏安特性,因此滑动变阻器采用分压式连接,电压表的内阻很大,故可看成理想电压表,故采用电流表外接法,由于题目中给的电流表量程太小,故应与电流表并联一定值电阻扩大其量程。
(2)滑动变阻器R选最大阻值为10 Ω的,方便调节;又因电流表的量程为1 mA,内阻为300 Ω,通过测量电阻的最大电流为5 mA,因此电流表量程应扩大为原来的5倍,因此分流电阻阻值应为该电流表内阻的四分之一,故电流表并联电阻的阻值为R0=75 Ω。
(3)Rx两端电压即为电压表读数2.30 V;因电流表并联R0,量程扩大,通过待测电阻的电流为电流表读数的5倍,即通过Rx的电流为5×0.84 mA=4.20 mA,故Rx=2.304.20×10-3 Ω≈548 Ω。
答案:(1)如图所示　(2)10 Ω　75 Ω　
(3)2.30　4.20　548


1.电阻测量首先要根据实验目的、实验原理、实验器材的不同而灵活选用“伏安法”(又分为内接法和外接法)“安安法”“伏伏法”“伏安加R法”等测量电路。从供电方式上又可分为限流电路和分压电路。
(1)有电压表、电流表且量程恰当时选择“伏安法”。
(2)电压表不能用或没有电压表等情形下,若精确知道电流表内阻,可以将电流表当作电压表使用,即选择“安安法”。
(3)电流表不能用或没有电流表等情况下,若精确知道电压表内阻,可以将电压表当作电流表使用,即选择“伏伏法”。
(4)在运用伏安法测电阻时,由于电压表或电流表的量程太小或太大,为了满足安全精确的原则,选择“伏安加R法”,此法又叫“加保护电阻法”。
2.在复习时要掌握测定电阻的常用方法。
名称
电路
测量原理
伏安法

Rx=UI,小外偏小,大内偏大
伏安法消除系统误差

Rx=U2I2-U1I1

Rx=U1U2I2U1-I1U2
活用电表法
伏伏法

V2内阻已知时,Rx=U1U2RV2-RV2
安安法

A1内阻已知时,Rx=I1I2-I1RA1
等效替代法

电源输出电压不变,将S合到2,调节R1,使电流表的示数与S合到1时的示数相等,则Rx=R1

电源输出电压不变,将S合到b,调节R1,使电压表的示数与S合到a时的示数相等,则Rx=R1
半偏法

闭合S1,断开S2,调节R1使G表指针满偏;闭合S2,只调节R2使G表半偏(R1≫Rg),则R2=Rg测RV真
电桥法

调节电阻箱R3,当A、B两点的电势相等时,R1和R3两端的电压相等,设为U1,同时R2和Rx两端的电压也相等,设为U2,根据欧姆定律有U1R1=U2R2,U1R3=U2Rx。由以上两式解得R1·Rx=R2·R3,这就是电桥平衡的条件,由该平衡条件可求出被测电阻Rx的阻值
欧姆表法
电路略,注意:①要在指针靠近中央时读数;②换挡要进行欧姆调零;③欧姆表刻度左密右疏

3.(2022·福建南平三模)如图甲为某学习小组测定定值电阻Rx的阻值和某种金属丝电阻率ρ所设计的实验电路,电源为输出电压恒为3 V的学生电源,电流表的量程为0～0.6 A,待测金属丝粗细均匀。主要实验步骤如下:

(1)用螺旋测微器测出金属丝的直径d=0.500 mm。
(2)调节接线夹夹在金属丝上的位置,测出接入电路中金属丝的长度L。闭合开关,读出电流表的读数如图乙所示,电流表读数I=　　　　 A。 

(3)改变接线夹位置,重复步骤(2),测出多组L与I的值。
(4)根据测得的数据,作出如图丙所示的图线,可得Rx=　　　　 Ω(结果保留2位有效数字),金属丝的电阻率ρ=　　　　 Ω·m(结果保留3位有效数字)。 

(5)若考虑电流表的内阻影响,电阻率的测量值　　　　(选填“大于”“等于”或“小于”)真实值。 
解析:(2)电流表选择量程为0～0.6 A,分度值为0.02 A,则读数为0.40 A。
(4)根据电阻定律得R=ρLS,由欧姆定律可得I=UR+Rx,整理得1I=ρ3SL+Rx3,结合图像可得斜率k=ρ3S=4,纵轴截距2.0=Rx3,又S=πd24,
解得Rx=6.0 Ω,ρ≈2.36×10-6 Ω·m。
(5)由(4)分析结论k=ρ3S可知,电流表的内阻不影响电阻率的测量,故电阻率的测量值等于真实值。
答案:(2)0.40　(4)6.0　2.36×10-6　(5)等于
4.(2022·浙江绍兴模拟)(1)在“描绘小灯泡伏安特性”实验中,下列电路连接正确的是　　　　。 


(2)接通电源,调节滑动变阻器,当电压表为1.59 V 时,电流表指针偏转情况如图甲所示,则电流表读数为　　　　 A。 

(3)测量数据输入计算机,利用数表软件直接生成小灯泡伏安特性曲线如图乙所示,由图线分析:小灯泡电阻的阻值在0～0.3 V的过程中变化量为ΔR1,在1.0～1.3 V的过程中变化量为ΔR2,则两者关系应是ΔR1　　　　(选填“>”“