2023版高考物理步步高大二轮复习讲义第一篇 专题七 第17讲　电学实验【解析版】

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考点一 以测电阻为核心的实验
例1 (2022·湖北省新高考联考协作体高三期末)音箱线用于连接功放与音箱，用单晶铜作音箱线，音响的音质会更清晰，因为单晶铜电阻率比普通铜低，下面是测量单晶铜电阻率的实验方案．
(1)用螺旋测微器测量一单晶铜丝的直径，示数如图(a)所示，可读得单晶铜丝的直径为________ mm；
(2)图(b)为实验电路，为了保证两个电表的示数从零开始变化，请画线将滑动变阻器正确接入电路；
(3)电路接好后，闭合开关S，滑动变阻器触头从左移到右，发现电压表示数变化很大，电流表示数总为零，这可能是线夹P处发生______(选填“短路”或“断路”)；
(4)线夹P的问题解决后，闭合开关S，滑动变阻器触头移到合适位置不动，再把线夹P从a向b移动，发现电压表示数很小且变化不大，这时应该把连接电压表负接线柱的导线改接在________，再重新把线夹P从a向b移动，读出多组电压表和电流表示数，计算电阻，把多组电阻值与接入电路长度值画成如图(c)的R－x关系图线，根据图线可知R0＝______ Ω，单晶铜的电阻率为________ Ω·m(π取3，计算结果保留两位有效数字)．
答案 (1)0.084(0.083～0.085均可)
(2)见解析图
(3)断路
(4)R0左端的接线柱上 20 1.7×10－8
解析 (1)单晶铜丝的直径为d＝0＋8.4×0.01 mm＝0.084 mm.
(2)为了保证两个电表的示数从零开始变化，滑动变阻器必须采用分压接法，实验电路如图所示．
(3)线夹P处发生断路，铜丝没有接入电路中，使得电流表示数总为零
(4)因为单晶铜丝的电阻很小，所以电压表的读数很小且变化不大，这时应该把连接电压表负接线柱的导线改接在R0左端的接线柱上，电压表的测量值等于R0和铜丝的总电压；
根据电阻定律R＝ρeq \f(x,S)＋R0
S＝eq \f(1,4)πd2
联立解得R＝eq \f(4ρ,πd2)x＋R0
根据图像知R0＝20 Ω
eq \f(4ρ,πd2)＝eq \f(25－20,1.6) Ω·m－1
解得ρ＝1.7×10－8 Ω·m.
考点二 以闭合电路欧姆定律为核心的实验
例2 (2022·广东肇庆市二模)某同学用以下器材组装一简易欧姆表．
毫安表A(量程0～50 mA)
电阻箱R(阻值0～999.9 Ω)
学生电源(输出电压0～16 V)
红、黑表笔各一只
导线若干
实验步骤如下：
(1)用导线将毫安表A、电阻箱R、学生电源串联起来，两只表笔一只接毫安表的负极，一只接学生电源负极，为使电流从黑色表笔流出，和毫安表相连的表笔应为________(选填“红”或“黑”)表笔；
(2)将学生电源的电压调至2 V，电阻箱调到100.0 Ω，将两表笔短接，发现毫安表指针向右偏转，调节电阻箱阻值，当阻值为35.0 Ω时，发现毫安表恰好满偏，此时电路中的总电阻为________ Ω；(结果保留一位小数)
(3)断开两表笔，他在毫安表0刻度处标记“∞”，“50 mA”刻度处标记“0”，并在其他刻度处标上正确阻值成为一个简易欧姆表，则25 mA处应标记________ Ω；(结果保留一位小数)
(4)将学生电源的电压调至6 V，将两表笔短接，调节电阻箱直到毫安表满偏，此时该欧姆表的倍率为________(选填“×2”“×3”或“×10”)，将一未知电阻接入两表笔之间，发现毫安表指在25 mA处，该电阻的阻值为________ Ω(结果保留一位小数)．
答案 (1)黑 (2)40.0 (3)40.0 (4)×3 120.0
解析 (1)根据电流流向，可以判断与毫安表相连的应为黑表笔．
(2)毫安表满偏，根据R总＝eq \f(E,Ig)，解得R总＝40.0 Ω.
(3)毫安表指向25 mA时，毫安表半偏，待测电阻等于内阻，此处标记40.0 Ω.
(4)学生电源的电压调至6 V，欧姆表的内阻为120.0 Ω，故欧姆表的倍率为×3，毫安表指在25 mA处，该电阻的阻值为40.0×3 Ω＝120.0 Ω.
例3 (2022·山东济南市一模)某实验小组利用电流表和电压表测定一节干电池的电动势和内电阻，实验器材如下：
干电池一节(电动势约为1.5 V，内阻约为0.5 Ω)；
电压表V(量程为0～3 V，内阻约为3 kΩ)；
电流表A(量程为0～0.6 A，内阻约为0.2 Ω)；
滑动变阻器(最大阻值为20 Ω)；
开关、导线若干．
(1)实验电路图选择______(选填“甲”或“乙”)．
(2)用笔画线代替导线，将图中的器材连成实验电路．
(3)完成实验后，某同学利用图像分析由电表内阻引起的实验误差．在下列选项中，实线是根据实验数据描点作图得到的U－I图像；虚线是该电源真实的路端电压U随真实的干路电流I变化的U－I图像．本次实验分析误差的U－I图像是________．
(4)为减小电表内阻引起的实验误差，在电表量程不变的情况下，可以采取的措施是________．
A．换用内阻更小的电流表
B．换用内阻更大的电流表
C．换用内阻更小的电压表
D．换用内阻更大的电压表
答案 (1)甲 (2)见解析图 (3)A (4)D
解析 (1)因为电源内阻较小，接近电流表内阻，为了减小误差所以电流表采用相对电源外接，选择题图甲；
(2)根据电路图得实物连接图如图所示；
(3)由于电压表的分流作用，相同的路端电压下，电流表测量的电流值小于流过电源的电流，内电阻的测量值为电源和电压表并联后的总电阻，比实际电源的内阻小，所以对应实线斜率的绝对值比虚线的小，但当电压为零时，电压表的内阻对测量没有影响，实线和虚线重合，故A正确，B、C、D错误；
(4)因为电压表的分流作用产生的误差，为减小电表内阻引起的实验误差，在电表量程不变的情况下，可以采取的措施是增大电压表的内阻，故D正确，A、B、C错误．
例4 (2022·黑龙江省哈师大附中高三期末)某探究小组采用如图甲所示的电路测定一节干电池的电动势和内阻时，发现量程为0～3 V的电压表出现故障不能正常使用，实验台上有一个量程为0～500 μA、内阻Rg＝200 Ω的灵敏电流计和一个电阻箱R(0～9 999 Ω)．
(1)为了把灵敏电流计改装成量程为0～3 V的电压表继续实验，电阻箱R应调至______ Ω.
(2)请用笔画线代替导线完成图乙的实物电路连接．
(3)探究小组中一个同学用灵敏电流计和电阻箱设计了如图丙所示的实验电路，同样测出了干电池的电动势和内阻．
①多次调节电阻箱，记录灵敏电流计的示数I和电阻箱的阻值R，干电池的电动势和内阻分别用E和r表示，则eq \f(1,I)和R的关系式为________________．
②然后以eq \f(1,I)为纵坐标，以R为横坐标，作出了eq \f(1,I)－R图线为一直线，如图丁所示，测得直线在纵轴上的截距b＝144，直线的斜率k＝eq \f(5,7)，则该干电池的电动势E＝________ V，内阻r＝________ Ω.
答案 (1)5 800 (2)见解析图 (3)①eq \f(1,I)＝eq \f(Rg＋r,E)＋eq \f(R,E) ②1.4 1.6
解析 (1)为了把灵敏电流计改装成量程为0～3 V的电压表继续实验，电阻箱R应调至R＝eq \f(U,Ig)－Rg＝5 800 Ω
(2)如图所示．
(3)①根据闭合电路欧姆定律有
E＝I(R＋Rg＋r)
整理得eq \f(1,I)＝eq \f(Rg＋r,E)＋eq \f(R,E)
②由题意可得b＝eq \f(Rg＋r,E)＝144 A－1
k＝eq \f(1,E)＝eq \f(5,7) V－1
解得E＝1.4 V
r＝1.6 Ω
考点三 创新型实验
1．测量电阻创新方案对比
2．传感器的应用


例5 (2022·江苏连云港市高三期末)某同学用如图甲所示的电路测量未知电阻Rx的阻值．已知电源电动势约为4.5 V，内阻约为1.5 Ω，电压表满偏电压为3 V，定值电阻R0＝3.5 Ω，电阻箱R最大阻值为99.9 Ω.
(1)将S2接1，闭合开关S1前，该同学首先将电阻箱的阻值调到最大，这样操作是________(选填“正确”或“错误”)的；
(2)多次改变电阻箱R的阻值，得到对应电压表的示数U如表格所示，请根据实验数据在图乙中作出U－R关系图像；
(3)断开S1，将S2接2，再闭合S1，电压表示数为1.60 V，利用(2)中测绘的U－R图像可得Rx＝________ Ω，考虑到电压表为非理想电表，则Rx测量值________真实值(选填“大于”“小于”或“等于”)．
答案 (1)错误 (2)见解析图 (3)2.8(2.7～2.9均可) 等于
解析 (1)当电阻箱电阻调到最大时，闭合开关S1时，电压表两端电压为
U＝eq \f(ERm,r＋R0＋Rm)＝eq \f(4.5×99.9,1.5＋3.5＋99.9) V≈4.28 V
超过了电压表的量程，则该操作错误；
(2)作出U－R图像如图；
(3)电压表示数为1.60 V，利用(2)中测绘的U－R图像可得Rx＝2.8 Ω，该方法为等效替代法，电压表内阻对Rx的测量无影响，则Rx测量值等于真实值．
例6 (2022·山东卷·14)某同学利用实验室现有器材，设计了一个测量电阻阻值的实验．实验器材：
干电池E(电动势1.5 V，内阻未知)；
电流表A1(量程10 mA，内阻为90 Ω)；
电流表A2(量程30 mA，内阻为30 Ω)；
定值电阻R0(阻值为150 Ω)；
滑动变阻器R(最大阻值为100 Ω)；
待测电阻Rx；
开关S，导线若干．
测量电路如图所示．
(1)断开开关，连接电路，将滑动变阻器R的滑片调到阻值最大一端．将定值电阻R0接入电路；闭合开关，调节滑片位置．使电流表指针指在满刻度的eq \f(1,2)处．该同学选用的电流表为________(选填“A1”或“A2”)；若不考虑电池内阻．此时滑动变阻器接入电路的电阻值应为________ Ω.
(2)断开开关，保持滑片的位置不变．用Rx替换R0，闭合开关后，电流表指针指在满刻度的eq \f(3,5)处，则Rx的测量值为________ Ω.
(3)本实验中未考虑电池内阻，对Rx的测量值________(选填“有”或“无”)影响．
答案 (1)A1 60 (2)100 (3)无
解析 (1)若不考虑电池内阻，且在电池两端只接R0时，电路中的电流约为
I＝eq \f(E,R0)＝eq \f(1.5,150) A＝10 mA，
由题知，闭合开关，调节滑片位置，要使电流表指针指在满刻度的eq \f(1,2)处，则该同学选到的电流表应为A1；
当不考虑电池内阻，根据闭合电路的欧姆定律有E＝eq \f(Im,2)(R＋R0＋RA1)，计算出R＝60 Ω.
(2)断开开关，保持滑片的位置不变，用Rx替换R0，闭合开关后，有E＝eq \f(3Im,5)(R＋Rx＋RA1)
代入数据有Rx＝100 Ω.
(3)若考虑电池内阻，根据闭合电路的欧姆定律有E＝eq \f(Im,2)[(R＋r)＋R0＋RA1]
E＝eq \f(3Im,5)[(R＋r)＋Rx＋RA1]
联立计算出的Rx不受电池内阻r的影响.
1．(2022·甘肃张掖市高三期末)已知电流计G的量程约为几毫安，内阻很小，现要将其量程扩大为原来的3倍，某同学设计如图所示的电路图， 实验室提供了以下器材：
A．电源(E1＝3 V)
B．电源(E2＝15 V)
C．滑动变阻器R1(阻值为0～1 kΩ)
D．滑动变阻器R2(阻值为0～15 kΩ)
E．电阻箱
F．开关、导线．
(1)电源应选________，滑动变阻器应选________．(均填器材前所对应的字母)
(2)改装步骤如下，请将步骤补充完整：
①按电路图连接各器材，把滑动变阻器的滑片调至最________(选填“左”或“右”)端；
②将开关S2断开，S1闭合；
③调节滑动变阻器的滑片，使电流计G满偏；
④保持________不变，再闭合开关S2，把电阻箱调到适当值，使电流计________；
⑤不再改变电阻箱的阻值，保持电流计G和电阻箱并联，撤去其他电路，即可将电流计G的量程扩大为原来的3倍．
答案 (1)B D (2)①右 ④滑动变阻器滑片的位置 读数为满偏电流的三分之一
解析 (1)这个实验要求在闭合开关S2后，干路电流几乎不变，所以滑动变阻器接入电阻越大越好，所以在电流计满偏时，电动势越大，滑动变阻器接入电阻才越大，所以电源应选B，电流计G满偏电流约为几毫安，所以干路总电阻约为几千欧姆，所以滑动变阻器的最大阻值选15 kΩ的合适，故选D；
(2)①为了保证电流表的安全，则把滑动变阻器的滑片调至最右端，使得接入电路的阻值最大，电流最小；
④要想保持干路电流不变，要求滑动变阻器的阻值不能再改变；使电流计读数为满偏电流的三分之一，此时电阻箱的分流为三分之二的干路电流，其阻值为电流计的二分之一，改装后的总电阻为之前的三分之一，则量程变为原来的3倍．
2．(2022·福建龙岩市三模)为了节能环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统．光控开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值R随光的照度I的变化而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱，光越强，照度越大，照度单位为lx)．
(1)某光敏电阻在不同照度下的阻值R如下表所示，根据表中的数据，请在图甲的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线，并判断光敏电阻的阻值R与照度I是否成反比关系．答________(填“是”或“否”)．
(2)图乙为街道路灯自动控制电路，利用直流电源E为电磁铁供电，利用照明电源为路灯供电．为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果，路灯应接在________(填“AB”或“CD”)之间．
(3)已知线圈的电阻为140 Ω，直流电源E的电动势E＝36 V，内阻忽略不计．当线圈中的电流大于10 mA时，继电器的衔铁将被吸合，滑动变阻器R′的阻值应调为________ Ω，才能使天色渐暗、照度低于1.0 lx时点亮路灯．
(4)使用一段时间后发现，路灯在天色更亮时就已点亮了，为了使路灯能按设计要求点亮和熄灭，变阻器R′的阻值应适当调________(选填“大”或“小”)些．
答案 (1)见解析图 否 (2)AB (3)1 460 (4)小
解析 (1)如图所示
若光敏电阻的阻值R与照度I成反比关系，则有RI为定值，由图像中点的数据可得
5.8×0.2