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2023届二轮复习 第19讲 电学实验 学案（浙江专用）
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第19讲 电学实验
题型1 以测电阻为核心的实验
1.仪器使用必备
仪器
极性
量程选择
读数
电流表
电流从正接线柱流入,负接线柱流出
使指针指示比满偏刻度13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
欧姆表
黑表笔接内部电源正极
使指针尽量指在表盘的中间位置左右
读数并乘以相应挡位的倍率
2.多用电表的使用“三注意”
(1)电流的流向。
由于使用多用电表时不管测量什么项目,电流都要从电表的“+”插孔(红表笔)流入,从“-”插孔(黑表笔)流出,所以使用欧姆表时,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)要区分开“机械零点”与“欧姆零点”。
“机械零点”在表盘刻度左侧“0”位置,调整的是表盘下边中间的指针定位螺丝;“欧姆零点”在表盘刻度的右侧电阻刻度“0”位置,调整的是欧姆调零旋钮。
(3)选倍率。
若出现指针偏转角太小(即指针所指的刻度值过大),应换用大倍率挡,反之要换用小倍率挡,且换挡后必须重新进行欧姆调零。
3.电流表内接法与外接法的比较
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=UI=RA+Rx>Rx,电阻的测量值大于真实值
R测=UI=RVRV+RxRx
条件
Rx>RVRA,大电阻
Rx
(1)“以小控大用分压,相差无几用限流”。
①当采用分压式接法时,一般应选用最大阻值较小、而额定电流较大的滑动变阻器。
②当采用限流式接法时,一般应选用最大阻值比待测电阻稍大或差不多的滑动变阻器。
(2)必须采用分压式接法的三种情况。
①要求电压从零开始变化。
②滑动变阻器阻值太小,不能起到限流的作用。
③限流式接法不能获取有区分度的多组数据。
[例1] 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将选择开关转到欧姆挡的 (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.调节指针定位螺丝,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“×1 k”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
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,则将选择开关转到欧姆挡的“×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的电阻,则需先将选择开关旋转到“×100”位置,然后将两表笔短接进行欧姆调零,使电表指针对准电阻的“0”刻线。故为DBE。
答案:(1)①直流电流、电压 ②×1 ③0刻线 (2)DBE
[例2] (2022·宁波二模)某实验小组为了测定自来水的电阻率,把粗细均匀的圆柱形玻璃管中注满自来水,玻璃管两端用橡皮塞住管口,用铁钉引出测量,进行如下实验:
(1)在注水前,用游标卡尺测玻璃管内径如图甲所示,则该玻璃管的内径为 mm。
(2)用多用电表欧姆挡的“×1 k”倍率,对玻璃管中水的电阻进行测量,结果如图乙所示。
(3)为了较精确测量水柱的阻值,实验小组采用图丙所示的实验电路进行实验。
①请在图丁中根据图丙完成对应的电路图。
②在闭合开关之前,应把滑动变阻器的滑片P置于最 (选填“左”或“右”)端。
③实验时电流表采用量程为0～200 μA,内阻约为500 Ω的微安表,电压表选用0～3 V量程,内阻约为3 kΩ,闭合开关后调节滑动变阻器的滑片,发现电压表的偏转角度很小,测得的数据如表中所示:
U/V
0.08
0.20
0.30
0.40
0.50
0.55
I/μA
25
78
117
145
185
195
④实验小组根据测得数据画出自来水柱的I-U图像,得到电阻值为2.8 kΩ,与多用电表测量值相差极大。试分析出现这种情况的主要原因: 。
解析:(1)玻璃管的内径为2.2 cm+25×0.02 mm=22.50 mm。
(3)①电路图如图所示。
②在闭合开关之前,为了使电表读数从最小开始,应把滑动变阻器的滑片P置于最左端。
④电路图中电流表采用外接法,由于自来水柱的电阻比电压表内阻大得多,电压表的分流很大,使得电流表的读数比流过自来水柱的真实电流大得多,则有R测=UIA≪R真=UI真。
答案:(1)22.50 (3)①图见解析 ②左 ④见解析
[例3] (2022·金华二模)现要组装一个酒精测试仪,它利用的是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器,此传感器的电阻Rx随酒精气体浓度的增加而减小,规律如图甲所示。目前国际公认的酒驾标准是“0.2 mg/mL≤酒精气体浓度<0.8 mg/mL”,醉驾标准是“酒精气体浓度≥0.8mg/mL”。提供的器材有:
A.二氧化锡半导体型酒精气体传感器Rx
B.直流电源(电动势为4 V,内阻不计)
C.电压表(量程为0～3 V,内阻非常大,作为浓度表使用)
D.电阻箱(最大阻值为999.9 Ω)
E.定值电阻R1(阻值为50 Ω)
F.定值电阻R2(阻值为10 Ω)
G.单刀双掷开关一个,导线若干
(1)图乙是酒精测试仪电路图,请在图丙中完成实物连线。
(2)电路中R应选用定值电阻 (选填“R1”或“R2”)。
(3)为便于识别,按照下列步骤调节此测试仪:
①电路接通前,先将电阻箱调为30.0 Ω,然后开关向 (选填“c”或“d”)端闭合,将电压表此时指针对应的刻度线标记为 mg/mL。
②逐步减小电阻箱的阻值,电压表的示数不断变大,按照图甲数据将电压表上“电压”刻度线标为“酒精气体浓度”;
③将开关向另一端闭合,酒精测试仪即可正常使用。
解析:(1)实物连线如图所示。
(2)本实验电压表并联在定值电阻两端,由欧姆定律可得,定值电阻两端的电压UR=ERRx+R,由图甲可知10 Ω≤Rx≤70 Ω,电动势为4 V,电压表量程为0～3 V,得URmax=4R10+R≤3 V,则R≤30 Ω,故选R2。
(3)①本实验采用替代法,用电阻箱的阻值替代传感器的电阻Rx,故电阻箱应先调到30.0 Ω,结合(1)中电路,开关应向c端闭合;由图甲可知Rx=30 Ω时,酒精气体浓度为0.2 mg/mL。
答案:(1)图见解析 (2)R2 (3)①c 0.2
题型2 以测电动势为核心的实验
1.电源的U-I图线
电源的U-I图线如图所示,由U=E-Ir可知,图线与纵轴的交点表示电源的电动势,斜率的绝对值表示内阻。
2.测量电源电动势和内阻的三种方法
方法
伏安法
伏阻法
安阻法
原理
E=U+Ir
E=U+URr
E=IR+Ir
关系
式
U=E-Ir
1U=rER+1E
1I=RE+rE
图像
纵截距:E
斜率绝对值:r
纵截距:1E
斜率:rE
纵截距:rE
斜率:1E
3.数据处理注意点
(1)为了使路端电压变化明显,可使用内阻较大的旧电池。
(2)电流不要过大,应小于0.5 A,读数要快。
(3)要测出不少于6组的(I,U)数据,变化范围要大些。
(4)若U-I图线纵轴刻度不从零开始,则图线和横轴的交点不再是短路电流,内阻应根据r=|ΔUΔI|确定。
[例4] 在“测量电池的电动势和内阻”实验中,
(1)用如图甲所示的电路测量,得到的一条实验数据拟合线如图乙所示,则该电池的电动势E= V(保留3位有效数字);内阻r= Ω(保留2位有效数字)。
(2)现有如图丙所示的实验器材,照片中电阻箱阻值可调范围为0～9 999 Ω,滑动变阻器阻值变化范围为0～10 Ω,电流表G的量程为0～3 mA、内阻为200 Ω,电压表的量程有0～3 V和0～15 V。请在图丙中选择合适的器材,在虚线框中画出两种测量一节干电池的电动势和内阻的电路图。
解析:(1)根据闭合电路欧姆定律U=E-Ir可得图线与纵轴的交点为电动势,延长图线可知E=1.46 V,图线斜率绝对值为内阻,得r=0.64 Ω。
(2)在(1)的基础上,因为电流表量程太小,可以通过电压表和电阻箱来代替电流表进行测量,即E=U+UR'r,可以实现测量电动势和内阻;或者通过电流表G和电阻箱并联来扩大电流表量程,从而实现测量。电路如图所示。
答案:(1)1.46(1.45～1.47均可) 0.64(0.62～0.66均可) (2)图见解析
[例5] 某同学利用电压表(0～3 V)、定值电阻R1、电阻箱R0等实验器材测量电池A的电动势和内阻,实验电路图如图甲所示。实验时多次改变电阻箱的阻值,记录外电路的总电阻阻值R(远小于电压表内阻),用电压表测得路端电压U,并绘制如图乙所示的1U-1R关系图线A,重复上述实验方法测量电池B的电动势和内阻,得到图乙中的图线B。
(1)图丙是某次电压表测量的表盘图示,此时电压表的读数为 。
(2)由图线A可知电池A的电动势EA= V,内阻rA= Ω。
(3)若将一个阻值R2=0.5 Ω的定值电阻先后与电池A和电池B串联构成回路,则两电池的输出功率PA (选填“大于”“等于”或“小于”)PB,两电池的效率ηA (选填“大于”“等于”或“小于”)ηB。
解析:(1)图丙电压表的读数为1.32 V。
(2)根据E=U+URr得1U=1E+rE·1R;图线A,截距b=0.5=1E,斜率k=0.25=rE,故电动势E=2.0 V,内阻r=0.5 Ω。
(3)从图乙知,EB>EA,内阻rB
(2)2.0 0.5 (3)小于 小于
[例6] (2020·浙江7月选考)某同学分别用图甲和图乙的电路测量同一节干电池的电动势和内阻。
(1)在虚线框中画出图乙的电路图。
(2)某次测量时电流表和电压表的示数如图丙所示,则电流I= A,电压U= V。
(3)实验得到如图丁所示的两条直线,图中直线Ⅰ对应电路是图 (选填“甲”或“乙”)。
(4)该电池的电动势E= V(保留3位有效数字),内阻r= Ω(保留2位有效数字)。
解析:(1)如图所示。
(2)电流表的量程为0～0.6 A,读数为0.40 A;电压表量程为0～3 V,读数为1.30 V。
(3)图甲的电路图如图所示,按照正常的数据处理,图甲的斜率绝对值应该代表电池内阻和电流表内阻之和,而图乙的斜率绝对值代表电池内阻,因此斜率绝对值较大的应该是图甲,即直线Ⅰ对应图乙,直线Ⅱ对应图甲。
(4)根据闭合电路欧姆定律可知U=E-Ir,直线Ⅰ与纵轴的交点代表电池电动势,即E=1.52 V,斜率的绝对值代表电池内阻,即r=1.52-1.220.58 Ω≈0.52 Ω。
答案:(1)图见解析 (2)0.40 1.30 (3)乙
(4)1.52 0.52
题型3 电学其他实验
1.探究影响感应电流方向的因素
(1)若原线圈磁场较弱,为使现象明显,把原线圈插入或拔出时,可采用较大速度。
(2)开始实验时滑动变阻器的滑片应置于连入电路的阻值最大的位置。
(3)灵敏电流计满偏电流为300 μA,允许通过的电流很小,查明灵敏电流计指针的偏转方向和电流方向的关系时,应使用一节干电池。
(4)原、副线圈接入电路前应仔细观察导线绕向并画出草图。
2.探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
(1)先保持原线圈的匝数不变,改变副线圈的匝数,研究对副线圈电压的影响。然后再保持副线圈的匝数不变,改变原线圈的匝数,研究对副线圈电压的影响。(电路上要标出两个线圈的匝数、原线圈欲加电压的数值且要事先推测副线圈两端电压的可能数值)
(2)连接电路后要同组的几位同学各自独立检查后,方可接通电源。
(3)为了人身安全,使用低压交流电源,所用电压不要超过12 V。
(4)为了多用电表的安全,使用交流电压挡测电压时,先用最大量程试测,大致确定被测电压后再选用适当的挡位进行测量。
[例7] 在“探究影响感应电流方向的因素”实验中:
(1)用试触的方法确定电流方向与电流计指针偏转方向的关系。如图甲所示实验表明,如果电流从负接线柱流入,指针将向 (选填“左”或“右”)偏转。
(2)观察如图乙所示的线圈绕线方向,若电流从A流入到B流出,从上向下看电流的方向为 (选填“顺时针”或“逆时针”)。
(3)用如图丙所示的实验装置,若电流计指针向右偏转,则线圈中感应电流产生的磁场的方向 (选填“向上”或“向下”)。用电流计观察感应电流的方向,然后判断感应电流的磁场方向,得到如下实验记录。
磁体的磁场方向
向下
向下
向上
向上
穿过线圈的磁通量的
变化
增大
减小
增大
减小
感应电流的磁场方向
向上
向下
向下
向上
则下列判断正确的是 。
A.感应电流的磁场方向和磁体的磁场方向一定相反
B.感应电流的磁场方向和磁体的磁场方向一定相同
C.磁通量增大时,感应电流的磁场方向和磁体的磁场方向一定相反
D.磁通量减小时,感应电流的磁场方向和磁体的磁场方向一定相反
解析:(1)如题图甲所示,当电流从“+”接线柱流入电流计时,指针向右偏转,如果电流从负接线柱流入,则指针将向左偏转。
(2)如题图乙所示的线圈绕线方向,若电流从A流入到B流出,从上向下看电流的方向为逆时针。
(3)若电流计指针向右偏转,那么从上向下看感应电流的方向为逆时针,根据安培定则,则线圈中感应电流产生的磁场的方向向上。由表中实验信息可知:当磁体向上运动时,穿过线圈的磁通量减少,感应电流的磁场方向与原磁场方向相同;当磁体向下运动时,穿过线圈的磁通量增加,感应电流的磁场方向与原磁场方向相反,故A、B、D错误,C正确。
答案:(1)左 (2)逆时针 (3)向上 C
[例8] 在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验中,
(1)实验室中有下列器材:
A.可拆变压器(铁芯、两个已知匝数的线圈)
B.条形磁体
C.直流电源
D.多用电表
E.开关、导线若干
上述器材在本实验中用不到的是 (填器材序号),本实验中还需用到的器材有 。
(2)继续实验,先保持原线圈的匝数不变,增加副线圈的匝数,观察到副线圈两端的电压 (选填“增大”“减小”或“不变”);然后再保持副线圈的匝数不变,增加原线圈的匝数,观察到副线圈两端的电压 (选填“增大”“减小”或“不变”);上述“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”中采用的实验方法是 。
解析:(1)在本实验中用不到的是条形磁体和直流电源,即B、C;本实验中还需用到的器材有低压交流电源。
(2)继续实验,先保持原线圈的匝数不变,增加副线圈的匝数,因电压和匝数成正比,即U1U2=n1n2,则观察到副线圈两端的电压增大;然后再保持副线圈的匝数不变,增加原线圈的匝数,观察到副线圈两端的电压减小;上述“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”中采用的实验方法是控制变量法。
答案:(1)BC 低压交流电源
(2)增大 减小 控制变量法
专题训练19 电学实验
1.某同学用电流传感器和电压传感器做“观察电容器的充、放电现象”实验,电路如图甲所示。
(1)先使开关K与1端相连,电源向电容器充电,这个过程很快完成,充满电的电容器下极板带 电。
(2)然后把开关K掷向2端,电容器通过电阻R放电,传感器将电流、电压信息传入计算机,经处理后得到电流随时间变化的it图线如图乙所示,图线与i轴及t轴所围成的面积表示 (选填“充满电后电容器的电荷量”或“充满电后电容器储存的电能”)。
(3)若电源电动势为6 V,电容器的电容为1 000 μF,则电容器充满电后的电荷量为 C。
解析:(1)根据电路连接方式可知充满电的电容器下极板带负电。
(2)根据q=It可知图线与i轴及t轴所围成的面积表示充满电后电容器的电荷量。
(3)充满电后电容器两端电压等于电源电动势,则电容器充满电后的电荷量为Q=CE=6×10-3C。
答案:(1)负 (2)充满电后电容器的电荷量 (3)6×10-3
2.某同学做“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”的实验。
(1)如图所示,该同学将变压器的原线圈接在低压交流电源上,小灯泡接在变压器的副线圈上,小灯泡发光,下列说法正确的是 。
A.将原线圈接在电压相同的低压直流电源上,小灯泡亮度不变
B.电流是从原线圈经铁芯流到副线圈,最后流过小灯泡
C.将可拆变压器的横条铁芯取下,小灯泡的亮度降低
(2)实验过程中,该同学听到变压器发出明显的“嗡嗡”低鸣声,引起该现象的原因可能是 。
A.原线圈上输入电压过低
B.变压器上的两个固定螺丝没有拧紧
C.小灯泡与底座之间接触不良
解析:(1)将原线圈接在电压相同的低压直流电源时,小灯泡将熄灭,A错误;电流不会从原线圈经铁芯流到副线圈,B错误;将可拆变压器的横条铁芯取下后,导致电磁感应现象减弱,副线圈中感应电流减小,故小灯泡的亮度降低,C正确。
(2)听到变压器发出明显的“嗡嗡”低鸣声,是因为变压器上的两个固定螺丝没有拧紧,A、C错误,B正确。
答案:(1)C (2)B
3.某同学用如图所示的装置做“探究影响感应电流方向的因素”实验,螺线管A、滑动变阻器、开关与电池相连构成回路,螺线管B与“0刻度线”在中间的灵敏电流计构成闭合回路,螺线管B套在螺线管A的外面。
(1)闭合开关后,通过不同的操作观察指针摆动情况,以下正确的有 。(多选)
A.断开与闭合开关时指针会偏向同一侧
B.闭合开关,待电路稳定后,如果滑动变阻器的滑片不移动,指针不
偏转
C.滑动变阻器的滑片匀速向左或匀速向右滑动,灵敏电流计指针都静止在中央
D.滑动变阻器的滑片向右加速移动和向右减速移动,都能使指针偏向同一侧
(2)图中,闭合开关前滑动变阻器的滑片应位于最 (选填“左”或“右”)端;在未断开开关,也未把A、B两螺线管和铁芯分开放置的情况下,直接拆除某螺线管处导线,可能由于自感现象突然被电击一下,则被电击可能是在拆除 (选填“A”或“B”)螺线管所在电路时发生的。
解析:(1)断开与闭合开关时,螺线管B中磁通量变化情况相反,产生的感应电流方向相反,指针偏转方向相反,故A错误;闭合开关,待电路稳定后,如果滑动变阻器的滑片不移动,则螺线管A中的电流不变,穿过螺线管B的磁通量不变,感应电流为零,指针不偏转,故B正确;滑动变阻器的滑片匀速向左或匀速向右滑动,螺线管A中的电流变化,穿过螺线管B的磁通量变化,感应电流不为零,指针都将发生偏转,故C错误;滑动变阻器的滑片向右加速移动和向右减速移动,螺线管A中的电流都增大,穿过螺线管B的磁通量都增大,产生的感应电流方向相同,都能使指针偏向同一侧,故D正确。
(2)为了保护元件,闭合开关前滑动变阻器的滑片应位于最左端。由题意可知可能是在拆除A螺线管所在电路的导线时,导致螺线管A中磁通量在一瞬间减小从而产生了较大的自感电动势,使操作者被电击
一下。
答案:(1)BD (2)左 A
4.在“练习使用多用电表”的实验中,图甲为某多用电表的面板。
(1)若用此表测量一阻值约为150 Ω的定值电阻,下列操作正确的是 。(多选)
A.将选择开关调到“×100”欧姆挡
B.欧姆调零时,两表笔短接,用螺丝刀转动指针定位螺丝,直到指针与表盘右边零刻度对齐
C.在电阻测量时,双手不能同时接触电阻两端
D.测量完成后,将选择开关调到“OFF”挡
(2)图乙为一正在测量中的多用电表表盘。如果选择开关在欧姆挡“×1 k”,则读数为 Ω;如果选择开关在直流电压挡“2.5 V”,则读数为 V。
乙
(3)若用多用电表的欧姆挡去探测一个正常的二极管,某次探测时,发现表头指针偏转角度很大,则与二极管正极相连的是多用电表的
(选填“红表笔”或“黑表笔”)。
解析:(1)测电阻时倍率的选择原则是尽可能使指针指向刻度盘的中央位置,因为待测阻值约为150 Ω,选择开关应调到“×10”欧姆挡,故A错误;欧姆调零时,两表笔短接,调节欧姆调零旋钮,直到指针与表盘右边零刻度对齐,故B错误;在电阻测量时,双手不能同时接触电阻两端,否则测出来的是电阻和人体并联后的电阻,误差太大,故C正确;测量完成后,将选择开关调到“OFF”挡,符合操作规则,故D正确。
(2)欧姆挡读数为15×1 000 Ω=15 000 Ω,如果选择开关在直流电压挡“2.5 V”,则读数为1.25 V。
(3)用多用电表的欧姆挡去探测一个正常的二极管,发现表头指针偏转角度很大,说明回路中电阻较小,二极管处于导通状态,与二极管正极相连的是电势较高的一端,多用电表的黑表笔与内部电池正极相接,故与二极管正极相连的是黑表笔。
答案:(1)CD (2)15 000 1.25 (3)黑表笔
5.某实验小组计划先用多用电表测量定值电阻R0的阻值,再设计电路测量电源的电动势和内阻。实验器材有:待测定值电阻R0,待测电源(电动势E约为8 V,内阻r约为1 Ω),多用电表一只,电阻箱R,开关一个,导线若干。
(1)用多用电表测量定值电阻R0的阻值。
①对多用电表完成机械调零后,先将选择开关调到欧姆“×10”挡,再将红、黑表笔短接,调整图a中多用电表的 (选填“A”或“B”)旋钮,进行欧姆调零;
②将红、黑表笔分别与定值电阻R0两端相连,多用电表指针位置如图b所示;
③应将选择开关调到欧姆× 挡,再次进行欧姆调零后重新测量,指针位置如图c所示,定值电阻的阻值R0= Ω;
④完成测量后,将选择开关调到 挡或交流电压最高挡。
(2)用多用电表测量电源电动势和内阻。
①将多用电表选择开关调到 (选填“交流”或“直流”)电压10 V挡;
②按图d所示电路连接实物;
③闭合开关,调节电阻箱R,读出多用电表示数U,测得多组R和U并做好记录;
④根据实验数据,作出1U1R图像如图e所示,电源电动势E= V,内阻r= Ω。(结果均保留3位有效数字)
解析:(1)①由题图a知,欧姆调零旋钮为B。
③为使多用电表指针指在中央刻度位置,应选欧姆“×1”挡。根据多用电表的读数规则可读出定值电阻的阻值R0=8 Ω。
④完成测量后,将选择开关调到OFF挡或交流电压最高挡。
(2)①由于电源为直流电源,则将多用电表选择开关调到直流电压
10 V挡。
④根据闭合电路的欧姆定律有E=U+I(r+R0),I=UR,整理有1U=1E+r+R0E·1R,设1U1R图像的纵截距为b,斜率为k,则可求出E=1b,k=r+R0E,代入解得
E≈8.33 V,r≈1.00 Ω。
答案:(1)①B ③1 8 ④OFF
(2)①直流 ④8.33 1.00
6.(2022·绍兴二模)某同学在“测量电池的电动势和内阻”实验中,使用了以下器材:干电池1节(带电池盒)、电压表1个(量程0～3 V、0～15 V)、电阻箱(可调范围0～9 999.9 Ω)、开关一个、导线若干。
(1)请你根据他的器材在虚线框中画出实验电路图。
(2)某次电压表的示数如图甲所示,则电压为 V。
(3)按照正确的操作获取相应的电压U和电阻R数据,并将电压与电阻的比值作为电流I,作出如图乙所示的UI图像。根据图像测得干电池的电动势为 V,内阻为 Ω。(结果均保留3位有效数字)
(4)若他不用电压表,在其他器材不变的情况下使用电流表(量程0～0.6 A、0～3 A),获得正确的数据,则测得电动势 (选填“大于”“等于”或“小于”)真实值。
解析:(1)实验中无电流表,可以用电压表与电阻箱测电池电动势与内阻,干电池、开关、电阻箱组成串联电路,电压表测路端电压,实验电路图如图所示。
(2)一节干电池电动势约为1.5 V,所以电压表量程选择0～3 V,分度值为0.1 V,则电压表读数为1.30 V。
(3)根据闭合电路欧姆定律得U=E-Ir,可得UI图像纵轴截距为电动势,延长图线如图。
电动势为E=1.44 V,斜率的绝对值表示内阻,r=1.44-0.900.3 Ω=1.80 Ω。
(4)若他不用电压表,在其他器材不变的情况使用电流表获得正确的数据,电流与电阻箱阻值的乘积为路端电压,没有电压表的分流,所以测出的电动势等于真实值。
答案:(1)图见解析 (2)1.30 (3)1.44 1.80 (4)等于
7.(2022·台州二模)某同学为测定一段粗细均匀、电阻率较小的电阻丝的电阻率,采用了如图甲所示的电路进行测量。实验步骤如下:
a.改变电阻丝上的导电夹P的位置,重复测量,记录多组x、U、I的值;
b.用游标卡尺在电阻丝上的三个不同位置测出电阻丝直径,求出平均值D;
c.调节电阻丝上的导电夹P的位置,用毫米刻度尺测量并记录导电夹P到电阻丝右端B的长度x;闭合开关S,记录电压表示数U、电流表示数I;
(1)上述实验步骤,正确的先后顺序应是 。
(2)若游标卡尺某次测量结果如图乙所示,其读数为 mm。
(3)根据多组测量得到的实验数据绘出UIx图像如图丙所示,若图线斜率为k,则电阻丝的电阻率ρ= (用已知或测量出的物理量的符号表示);电流表内阻对电阻率的测量 (选填“有”或“没有”)影响。
(4)用记录的数据绘制出UI图像如图丁所示,由图像可知电源的内阻r= Ω。(结果保留2位有效数字)
解析:(1)实验步骤为先用游标卡尺在电阻丝上的三个不同位置测出电阻丝直径,求出平均值D;然后调节电阻丝上的导电夹P的位置,用毫米刻度尺测量并记录导电夹P到电阻丝右端B的长度x;闭合开关S,记录电压表示数U、电流表示数I;再改变电阻丝上的导电夹P的位置,重复测量,记录多组x、U、I的值。顺序为bca。
(2)游标卡尺的读数为9 mm+11×0.05 mm=9.55 mm。
(3)由欧姆定律得Rx+RA=UI,由电阻定律得Rx=ρxS=ρxπ(D2) 2,整理得UI=4ρπD2x+RA,可得4ρπD2=k,则ρ=πkD24,根据UI=4ρπD2x+RA可知电流表的内阻对电阻率没有影响。
(4)根据闭合电路欧姆定律U=E-Ir可知,UI图像斜率的绝对值表示电源内阻,r=1.5-1.01.0 Ω=0.50 Ω。
答案:(1)bca (2)9.55 (3)πkD24 没有 (4)0.50
8.(1)某同学在电表的改装实验中用如图1所示电路来测量一只满偏电流200 μA的电流计内阻。测量数据如图2所示,电压表读数U=
V,则电流计内阻Rg= Ω。
(2)该同学用电压表来探究某充电宝的电学特性,电路如图3所示,电路中电源为充电宝,将充电宝连接线接入电路。记录被测充电宝实验时的电量百分比(充满电电量百分比为100%)。按图3连接实物电路,将滑动变阻器滑片调到 (选填“最左端”或“最右端”)。闭合开关,调节滑动变阻器,记录每次操作时的电流表和电压表示数。随后改变充电宝电量,
重复上述实验操作,得到不同电量下各组U、I的实验数据,并作出相应UI图像,如图4所示。
通过电量为60%时的数据获得充电宝此时电动势E= V,内阻r= Ω(结果均保留2位小数)。随后该同学又分析了多组数据可得到结论:不同电量时充电宝电动势 变化,内阻 变化。(均选填“会”或“不会”)
解析:(1)由于电源电动势为1.5 V,因此电压表接的是0～3 V量程,电压表的示数为1.00 V,微安表读数为100 μA,电阻箱接入电路的阻值R箱=9 500 Ω,根据欧姆定律可知电流计内阻Rg=UI-R箱=500 Ω。
(2)闭合开关前,滑动变阻器应调到接入电路的阻值最大,因此调到最右端;在UI图像中,图像与纵轴的交点表示电动势,斜率的绝对值表示内阻,因此E=3.83 V,r=3.83-2.320.70 Ω≈2.16 Ω,不同电量的情况下,UI图像与纵轴的截距不同,斜率也不同,因此不同电量的情况下,电动势会发生变化,内阻也会发生变化。
答案:(1)1.00 500 (2)最右端 3.83(3.70～3.90均可) 2.16(2.05～2.30均可) 会 会
9.(2022·杭州高级中学选考模拟)某同学利用图甲所示电路,测量多用电表内电源的电动势E和欧姆“×10”挡内部电路的总电阻R内。使用的器材有:多用电表、毫安表(量程0～10 mA)、电阻箱、导线
若干。
回答下列问题:
(1)将多用电表挡位调到欧姆“×10”挡,红表笔和黑表笔短接,调零。
(2)将电阻箱阻值调到最大,再将图甲中多用电表的红表笔和 (选填“1”或“2”)端相连,黑表笔连接另一端。
(3)调节电阻箱,记下多组毫安表的示数I和电阻箱相应的阻值R;某次测量时电阻箱的读数如图乙所示,则该读数为 Ω。
(4)该同学根据I=ER+R内,得到关于1I的表达式,以1I为纵坐标,R为横坐标,作1IR图像,如图丙所示;由图得E= V,R内= Ω。(结果均保留3位有效数字)
(5)该多用电表的表盘如图丁所示,其电阻刻度线中央刻度值标为“15”,据此判断欧姆“×10”挡内部电路的总电阻为 Ω,该同学的测量值R内与此结果偏差较大的原因是
。
解析:(2)欧姆表中电流从红表笔流入电表,从黑表笔流出电表;电流从电流表正接线柱流入,故红表笔接1,黑表笔接2。
(3)由题图乙可知,电阻箱读数为R=(2×10+3×1+2×0.1) Ω=
23.2 Ω。
(4)由I=ER+R内得1I=1ER+R内E,由题图丙可得1E=k=175-14050,解得E≈1.43 V,截距为R内E=b=140,得R内=200 Ω。
(5)由题图丁可知,此欧姆表的中值电阻为R中=15×10 Ω=150 Ω,则欧姆“×10”挡内部电路的总电阻为150 Ω;由该同学处理方法可知,没有考虑毫安表的内阻。如果考虑毫安表的内阻则有1I=1ER+R内E+rE,由此可知,该同学的测量值R内与此结果偏差较大的原因是没有考虑毫安表的内阻。
答案:(2)1 (3)23.2 (4)1.43 200 (5)150 没有考虑毫安表内阻的影响
10.利用伏安法测电阻,可以选电流表内接法和电流表外接法两种
方法。
(1)关于两种方法测得的电阻值Rx产生的误差,下列说法正确的是 。(多选)
A.无论哪种方法,采用多次测量取平均值的方式,就能有效减小误差,使误差几乎为0
B.采用图甲电路测得的电阻值大于电阻的真实值
C.采用图乙电路测得的电阻值小于电阻的真实值
(2)某同学设计了如图所示的电路进行改进。所选实验器材均符合实验要求,实验中的主要操作步骤如下:
①正确连接实验电路后,调节滑动变阻器R1、R2的滑片至适当位置;
②断开开关S2,闭合开关S1,调节滑动变阻器R1、R2的滑片,使电流表A2的示数恰好为电流表A1示数的三分之二,记录此时电压表V的示数U1和电流表A1的示数I1;
③保持滑动变阻器R2的滑片位置不变,再闭合开关S2,记录电压表V的示数U2和电流表A2的示数I2;
④根据以上测量数据可得Rx= ;该实验也可测得电流表A1的内阻r1= (用U1、I1、U2、I2表示)。实验计算得到的Rx值与真实值相比 (选填“偏大”“偏小”或“相等”)。
解析:(1)图甲中电流表内接,电压表测量的是待测电阻和电流表总电压,由欧姆定律知UI=Rx+RA>Rx,即采用图甲电路测得的电阻值大于电阻的真实值,而图乙中电流表测的是电压表和待测电阻的总电流,故UI=UIV+Ix
答案:(1)BC (2)④2U2I2 U1I1-2U23I2 相等
第19讲 电学实验
题型1 以测电阻为核心的实验
1.仪器使用必备
仪器
极性
量程选择
读数
电流表
电流从正接线柱流入,负接线柱流出
使指针指示比满偏刻度13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
欧姆表
黑表笔接内部电源正极
使指针尽量指在表盘的中间位置左右
读数并乘以相应挡位的倍率
2.多用电表的使用“三注意”
(1)电流的流向。
由于使用多用电表时不管测量什么项目,电流都要从电表的“+”插孔(红表笔)流入,从“-”插孔(黑表笔)流出,所以使用欧姆表时,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)要区分开“机械零点”与“欧姆零点”。
“机械零点”在表盘刻度左侧“0”位置,调整的是表盘下边中间的指针定位螺丝;“欧姆零点”在表盘刻度的右侧电阻刻度“0”位置,调整的是欧姆调零旋钮。
(3)选倍率。
若出现指针偏转角太小(即指针所指的刻度值过大),应换用大倍率挡,反之要换用小倍率挡,且换挡后必须重新进行欧姆调零。
3.电流表内接法与外接法的比较
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=UI=RA+Rx>Rx,电阻的测量值大于真实值
R测=UI=RVRV+RxRx
条件
Rx>RVRA,大电阻
Rx
(1)“以小控大用分压,相差无几用限流”。
①当采用分压式接法时,一般应选用最大阻值较小、而额定电流较大的滑动变阻器。
②当采用限流式接法时,一般应选用最大阻值比待测电阻稍大或差不多的滑动变阻器。
(2)必须采用分压式接法的三种情况。
①要求电压从零开始变化。
②滑动变阻器阻值太小,不能起到限流的作用。
③限流式接法不能获取有区分度的多组数据。
[例1] 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将选择开关转到欧姆挡的 (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.调节指针定位螺丝,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“×1 k”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
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,则将选择开关转到欧姆挡的“×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的电阻,则需先将选择开关旋转到“×100”位置,然后将两表笔短接进行欧姆调零,使电表指针对准电阻的“0”刻线。故为DBE。
答案:(1)①直流电流、电压 ②×1 ③0刻线 (2)DBE
[例2] (2022·宁波二模)某实验小组为了测定自来水的电阻率,把粗细均匀的圆柱形玻璃管中注满自来水,玻璃管两端用橡皮塞住管口,用铁钉引出测量,进行如下实验:
(1)在注水前,用游标卡尺测玻璃管内径如图甲所示,则该玻璃管的内径为 mm。
(2)用多用电表欧姆挡的“×1 k”倍率,对玻璃管中水的电阻进行测量,结果如图乙所示。
(3)为了较精确测量水柱的阻值,实验小组采用图丙所示的实验电路进行实验。
①请在图丁中根据图丙完成对应的电路图。
②在闭合开关之前,应把滑动变阻器的滑片P置于最 (选填“左”或“右”)端。
③实验时电流表采用量程为0～200 μA,内阻约为500 Ω的微安表,电压表选用0～3 V量程,内阻约为3 kΩ,闭合开关后调节滑动变阻器的滑片,发现电压表的偏转角度很小,测得的数据如表中所示:
U/V
0.08
0.20
0.30
0.40
0.50
0.55
I/μA
25
78
117
145
185
195
④实验小组根据测得数据画出自来水柱的I-U图像,得到电阻值为2.8 kΩ,与多用电表测量值相差极大。试分析出现这种情况的主要原因: 。
解析:(1)玻璃管的内径为2.2 cm+25×0.02 mm=22.50 mm。
(3)①电路图如图所示。
②在闭合开关之前,为了使电表读数从最小开始,应把滑动变阻器的滑片P置于最左端。
④电路图中电流表采用外接法,由于自来水柱的电阻比电压表内阻大得多,电压表的分流很大,使得电流表的读数比流过自来水柱的真实电流大得多,则有R测=UIA≪R真=UI真。
答案:(1)22.50 (3)①图见解析 ②左 ④见解析
[例3] (2022·金华二模)现要组装一个酒精测试仪,它利用的是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器,此传感器的电阻Rx随酒精气体浓度的增加而减小,规律如图甲所示。目前国际公认的酒驾标准是“0.2 mg/mL≤酒精气体浓度<0.8 mg/mL”,醉驾标准是“酒精气体浓度≥0.8mg/mL”。提供的器材有:
A.二氧化锡半导体型酒精气体传感器Rx
B.直流电源(电动势为4 V,内阻不计)
C.电压表(量程为0～3 V,内阻非常大,作为浓度表使用)
D.电阻箱(最大阻值为999.9 Ω)
E.定值电阻R1(阻值为50 Ω)
F.定值电阻R2(阻值为10 Ω)
G.单刀双掷开关一个,导线若干
(1)图乙是酒精测试仪电路图,请在图丙中完成实物连线。
(2)电路中R应选用定值电阻 (选填“R1”或“R2”)。
(3)为便于识别,按照下列步骤调节此测试仪:
①电路接通前,先将电阻箱调为30.0 Ω,然后开关向 (选填“c”或“d”)端闭合,将电压表此时指针对应的刻度线标记为 mg/mL。
②逐步减小电阻箱的阻值,电压表的示数不断变大,按照图甲数据将电压表上“电压”刻度线标为“酒精气体浓度”;
③将开关向另一端闭合,酒精测试仪即可正常使用。
解析:(1)实物连线如图所示。
(2)本实验电压表并联在定值电阻两端,由欧姆定律可得,定值电阻两端的电压UR=ERRx+R,由图甲可知10 Ω≤Rx≤70 Ω,电动势为4 V,电压表量程为0～3 V,得URmax=4R10+R≤3 V,则R≤30 Ω,故选R2。
(3)①本实验采用替代法,用电阻箱的阻值替代传感器的电阻Rx,故电阻箱应先调到30.0 Ω,结合(1)中电路,开关应向c端闭合;由图甲可知Rx=30 Ω时,酒精气体浓度为0.2 mg/mL。
答案:(1)图见解析 (2)R2 (3)①c 0.2
题型2 以测电动势为核心的实验
1.电源的U-I图线
电源的U-I图线如图所示,由U=E-Ir可知,图线与纵轴的交点表示电源的电动势,斜率的绝对值表示内阻。
2.测量电源电动势和内阻的三种方法
方法
伏安法
伏阻法
安阻法
原理
E=U+Ir
E=U+URr
E=IR+Ir
关系
式
U=E-Ir
1U=rER+1E
1I=RE+rE
图像
纵截距:E
斜率绝对值:r
纵截距:1E
斜率:rE
纵截距:rE
斜率:1E
3.数据处理注意点
(1)为了使路端电压变化明显,可使用内阻较大的旧电池。
(2)电流不要过大,应小于0.5 A,读数要快。
(3)要测出不少于6组的(I,U)数据,变化范围要大些。
(4)若U-I图线纵轴刻度不从零开始,则图线和横轴的交点不再是短路电流,内阻应根据r=|ΔUΔI|确定。
[例4] 在“测量电池的电动势和内阻”实验中,
(1)用如图甲所示的电路测量,得到的一条实验数据拟合线如图乙所示,则该电池的电动势E= V(保留3位有效数字);内阻r= Ω(保留2位有效数字)。
(2)现有如图丙所示的实验器材,照片中电阻箱阻值可调范围为0～9 999 Ω,滑动变阻器阻值变化范围为0～10 Ω,电流表G的量程为0～3 mA、内阻为200 Ω,电压表的量程有0～3 V和0～15 V。请在图丙中选择合适的器材,在虚线框中画出两种测量一节干电池的电动势和内阻的电路图。
解析:(1)根据闭合电路欧姆定律U=E-Ir可得图线与纵轴的交点为电动势,延长图线可知E=1.46 V,图线斜率绝对值为内阻,得r=0.64 Ω。
(2)在(1)的基础上,因为电流表量程太小,可以通过电压表和电阻箱来代替电流表进行测量,即E=U+UR'r,可以实现测量电动势和内阻;或者通过电流表G和电阻箱并联来扩大电流表量程,从而实现测量。电路如图所示。
答案:(1)1.46(1.45～1.47均可) 0.64(0.62～0.66均可) (2)图见解析
[例5] 某同学利用电压表(0～3 V)、定值电阻R1、电阻箱R0等实验器材测量电池A的电动势和内阻,实验电路图如图甲所示。实验时多次改变电阻箱的阻值,记录外电路的总电阻阻值R(远小于电压表内阻),用电压表测得路端电压U,并绘制如图乙所示的1U-1R关系图线A,重复上述实验方法测量电池B的电动势和内阻,得到图乙中的图线B。
(1)图丙是某次电压表测量的表盘图示,此时电压表的读数为 。
(2)由图线A可知电池A的电动势EA= V,内阻rA= Ω。
(3)若将一个阻值R2=0.5 Ω的定值电阻先后与电池A和电池B串联构成回路,则两电池的输出功率PA (选填“大于”“等于”或“小于”)PB,两电池的效率ηA (选填“大于”“等于”或“小于”)ηB。
解析:(1)图丙电压表的读数为1.32 V。
(2)根据E=U+URr得1U=1E+rE·1R;图线A,截距b=0.5=1E,斜率k=0.25=rE,故电动势E=2.0 V,内阻r=0.5 Ω。
(3)从图乙知,EB>EA,内阻rB
(2)2.0 0.5 (3)小于 小于
[例6] (2020·浙江7月选考)某同学分别用图甲和图乙的电路测量同一节干电池的电动势和内阻。
(1)在虚线框中画出图乙的电路图。
(2)某次测量时电流表和电压表的示数如图丙所示,则电流I= A,电压U= V。
(3)实验得到如图丁所示的两条直线,图中直线Ⅰ对应电路是图 (选填“甲”或“乙”)。
(4)该电池的电动势E= V(保留3位有效数字),内阻r= Ω(保留2位有效数字)。
解析:(1)如图所示。
(2)电流表的量程为0～0.6 A,读数为0.40 A;电压表量程为0～3 V,读数为1.30 V。
(3)图甲的电路图如图所示,按照正常的数据处理,图甲的斜率绝对值应该代表电池内阻和电流表内阻之和,而图乙的斜率绝对值代表电池内阻,因此斜率绝对值较大的应该是图甲,即直线Ⅰ对应图乙,直线Ⅱ对应图甲。
(4)根据闭合电路欧姆定律可知U=E-Ir,直线Ⅰ与纵轴的交点代表电池电动势,即E=1.52 V,斜率的绝对值代表电池内阻,即r=1.52-1.220.58 Ω≈0.52 Ω。
答案:(1)图见解析 (2)0.40 1.30 (3)乙
(4)1.52 0.52
题型3 电学其他实验
1.探究影响感应电流方向的因素
(1)若原线圈磁场较弱,为使现象明显,把原线圈插入或拔出时,可采用较大速度。
(2)开始实验时滑动变阻器的滑片应置于连入电路的阻值最大的位置。
(3)灵敏电流计满偏电流为300 μA,允许通过的电流很小,查明灵敏电流计指针的偏转方向和电流方向的关系时,应使用一节干电池。
(4)原、副线圈接入电路前应仔细观察导线绕向并画出草图。
2.探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
(1)先保持原线圈的匝数不变,改变副线圈的匝数,研究对副线圈电压的影响。然后再保持副线圈的匝数不变,改变原线圈的匝数,研究对副线圈电压的影响。(电路上要标出两个线圈的匝数、原线圈欲加电压的数值且要事先推测副线圈两端电压的可能数值)
(2)连接电路后要同组的几位同学各自独立检查后,方可接通电源。
(3)为了人身安全,使用低压交流电源,所用电压不要超过12 V。
(4)为了多用电表的安全,使用交流电压挡测电压时,先用最大量程试测,大致确定被测电压后再选用适当的挡位进行测量。
[例7] 在“探究影响感应电流方向的因素”实验中:
(1)用试触的方法确定电流方向与电流计指针偏转方向的关系。如图甲所示实验表明,如果电流从负接线柱流入,指针将向 (选填“左”或“右”)偏转。
(2)观察如图乙所示的线圈绕线方向,若电流从A流入到B流出,从上向下看电流的方向为 (选填“顺时针”或“逆时针”)。
(3)用如图丙所示的实验装置,若电流计指针向右偏转,则线圈中感应电流产生的磁场的方向 (选填“向上”或“向下”)。用电流计观察感应电流的方向,然后判断感应电流的磁场方向,得到如下实验记录。
磁体的磁场方向
向下
向下
向上
向上
穿过线圈的磁通量的
变化
增大
减小
增大
减小
感应电流的磁场方向
向上
向下
向下
向上
则下列判断正确的是 。
A.感应电流的磁场方向和磁体的磁场方向一定相反
B.感应电流的磁场方向和磁体的磁场方向一定相同
C.磁通量增大时,感应电流的磁场方向和磁体的磁场方向一定相反
D.磁通量减小时,感应电流的磁场方向和磁体的磁场方向一定相反
解析:(1)如题图甲所示,当电流从“+”接线柱流入电流计时,指针向右偏转,如果电流从负接线柱流入,则指针将向左偏转。
(2)如题图乙所示的线圈绕线方向,若电流从A流入到B流出,从上向下看电流的方向为逆时针。
(3)若电流计指针向右偏转,那么从上向下看感应电流的方向为逆时针,根据安培定则,则线圈中感应电流产生的磁场的方向向上。由表中实验信息可知:当磁体向上运动时,穿过线圈的磁通量减少,感应电流的磁场方向与原磁场方向相同;当磁体向下运动时,穿过线圈的磁通量增加,感应电流的磁场方向与原磁场方向相反,故A、B、D错误,C正确。
答案:(1)左 (2)逆时针 (3)向上 C
[例8] 在“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”实验中,
(1)实验室中有下列器材:
A.可拆变压器(铁芯、两个已知匝数的线圈)
B.条形磁体
C.直流电源
D.多用电表
E.开关、导线若干
上述器材在本实验中用不到的是 (填器材序号),本实验中还需用到的器材有 。
(2)继续实验,先保持原线圈的匝数不变,增加副线圈的匝数,观察到副线圈两端的电压 (选填“增大”“减小”或“不变”);然后再保持副线圈的匝数不变,增加原线圈的匝数,观察到副线圈两端的电压 (选填“增大”“减小”或“不变”);上述“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”中采用的实验方法是 。
解析:(1)在本实验中用不到的是条形磁体和直流电源,即B、C;本实验中还需用到的器材有低压交流电源。
(2)继续实验,先保持原线圈的匝数不变,增加副线圈的匝数,因电压和匝数成正比,即U1U2=n1n2,则观察到副线圈两端的电压增大;然后再保持副线圈的匝数不变,增加原线圈的匝数,观察到副线圈两端的电压减小;上述“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”中采用的实验方法是控制变量法。
答案:(1)BC 低压交流电源
(2)增大 减小 控制变量法
专题训练19 电学实验
1.某同学用电流传感器和电压传感器做“观察电容器的充、放电现象”实验,电路如图甲所示。
(1)先使开关K与1端相连,电源向电容器充电,这个过程很快完成,充满电的电容器下极板带 电。
(2)然后把开关K掷向2端,电容器通过电阻R放电,传感器将电流、电压信息传入计算机,经处理后得到电流随时间变化的it图线如图乙所示,图线与i轴及t轴所围成的面积表示 (选填“充满电后电容器的电荷量”或“充满电后电容器储存的电能”)。
(3)若电源电动势为6 V,电容器的电容为1 000 μF,则电容器充满电后的电荷量为 C。
解析:(1)根据电路连接方式可知充满电的电容器下极板带负电。
(2)根据q=It可知图线与i轴及t轴所围成的面积表示充满电后电容器的电荷量。
(3)充满电后电容器两端电压等于电源电动势,则电容器充满电后的电荷量为Q=CE=6×10-3C。
答案:(1)负 (2)充满电后电容器的电荷量 (3)6×10-3
2.某同学做“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”的实验。
(1)如图所示,该同学将变压器的原线圈接在低压交流电源上,小灯泡接在变压器的副线圈上,小灯泡发光,下列说法正确的是 。
A.将原线圈接在电压相同的低压直流电源上,小灯泡亮度不变
B.电流是从原线圈经铁芯流到副线圈,最后流过小灯泡
C.将可拆变压器的横条铁芯取下,小灯泡的亮度降低
(2)实验过程中,该同学听到变压器发出明显的“嗡嗡”低鸣声,引起该现象的原因可能是 。
A.原线圈上输入电压过低
B.变压器上的两个固定螺丝没有拧紧
C.小灯泡与底座之间接触不良
解析:(1)将原线圈接在电压相同的低压直流电源时,小灯泡将熄灭,A错误;电流不会从原线圈经铁芯流到副线圈,B错误;将可拆变压器的横条铁芯取下后,导致电磁感应现象减弱,副线圈中感应电流减小,故小灯泡的亮度降低,C正确。
(2)听到变压器发出明显的“嗡嗡”低鸣声,是因为变压器上的两个固定螺丝没有拧紧,A、C错误,B正确。
答案:(1)C (2)B
3.某同学用如图所示的装置做“探究影响感应电流方向的因素”实验,螺线管A、滑动变阻器、开关与电池相连构成回路,螺线管B与“0刻度线”在中间的灵敏电流计构成闭合回路,螺线管B套在螺线管A的外面。
(1)闭合开关后,通过不同的操作观察指针摆动情况,以下正确的有 。(多选)
A.断开与闭合开关时指针会偏向同一侧
B.闭合开关,待电路稳定后,如果滑动变阻器的滑片不移动,指针不
偏转
C.滑动变阻器的滑片匀速向左或匀速向右滑动,灵敏电流计指针都静止在中央
D.滑动变阻器的滑片向右加速移动和向右减速移动,都能使指针偏向同一侧
(2)图中,闭合开关前滑动变阻器的滑片应位于最 (选填“左”或“右”)端;在未断开开关,也未把A、B两螺线管和铁芯分开放置的情况下,直接拆除某螺线管处导线,可能由于自感现象突然被电击一下,则被电击可能是在拆除 (选填“A”或“B”)螺线管所在电路时发生的。
解析:(1)断开与闭合开关时,螺线管B中磁通量变化情况相反,产生的感应电流方向相反,指针偏转方向相反,故A错误;闭合开关,待电路稳定后,如果滑动变阻器的滑片不移动,则螺线管A中的电流不变,穿过螺线管B的磁通量不变,感应电流为零,指针不偏转,故B正确;滑动变阻器的滑片匀速向左或匀速向右滑动,螺线管A中的电流变化,穿过螺线管B的磁通量变化,感应电流不为零,指针都将发生偏转,故C错误;滑动变阻器的滑片向右加速移动和向右减速移动,螺线管A中的电流都增大,穿过螺线管B的磁通量都增大,产生的感应电流方向相同,都能使指针偏向同一侧,故D正确。
(2)为了保护元件,闭合开关前滑动变阻器的滑片应位于最左端。由题意可知可能是在拆除A螺线管所在电路的导线时,导致螺线管A中磁通量在一瞬间减小从而产生了较大的自感电动势,使操作者被电击
一下。
答案:(1)BD (2)左 A
4.在“练习使用多用电表”的实验中,图甲为某多用电表的面板。
(1)若用此表测量一阻值约为150 Ω的定值电阻,下列操作正确的是 。(多选)
A.将选择开关调到“×100”欧姆挡
B.欧姆调零时,两表笔短接,用螺丝刀转动指针定位螺丝,直到指针与表盘右边零刻度对齐
C.在电阻测量时,双手不能同时接触电阻两端
D.测量完成后,将选择开关调到“OFF”挡
(2)图乙为一正在测量中的多用电表表盘。如果选择开关在欧姆挡“×1 k”,则读数为 Ω;如果选择开关在直流电压挡“2.5 V”,则读数为 V。
乙
(3)若用多用电表的欧姆挡去探测一个正常的二极管,某次探测时,发现表头指针偏转角度很大,则与二极管正极相连的是多用电表的
(选填“红表笔”或“黑表笔”)。
解析:(1)测电阻时倍率的选择原则是尽可能使指针指向刻度盘的中央位置,因为待测阻值约为150 Ω,选择开关应调到“×10”欧姆挡,故A错误;欧姆调零时,两表笔短接,调节欧姆调零旋钮,直到指针与表盘右边零刻度对齐,故B错误;在电阻测量时,双手不能同时接触电阻两端,否则测出来的是电阻和人体并联后的电阻,误差太大,故C正确;测量完成后,将选择开关调到“OFF”挡,符合操作规则,故D正确。
(2)欧姆挡读数为15×1 000 Ω=15 000 Ω,如果选择开关在直流电压挡“2.5 V”,则读数为1.25 V。
(3)用多用电表的欧姆挡去探测一个正常的二极管,发现表头指针偏转角度很大,说明回路中电阻较小,二极管处于导通状态,与二极管正极相连的是电势较高的一端,多用电表的黑表笔与内部电池正极相接,故与二极管正极相连的是黑表笔。
答案:(1)CD (2)15 000 1.25 (3)黑表笔
5.某实验小组计划先用多用电表测量定值电阻R0的阻值,再设计电路测量电源的电动势和内阻。实验器材有:待测定值电阻R0,待测电源(电动势E约为8 V,内阻r约为1 Ω),多用电表一只,电阻箱R,开关一个,导线若干。
(1)用多用电表测量定值电阻R0的阻值。
①对多用电表完成机械调零后,先将选择开关调到欧姆“×10”挡,再将红、黑表笔短接,调整图a中多用电表的 (选填“A”或“B”)旋钮,进行欧姆调零;
②将红、黑表笔分别与定值电阻R0两端相连,多用电表指针位置如图b所示;
③应将选择开关调到欧姆× 挡,再次进行欧姆调零后重新测量,指针位置如图c所示,定值电阻的阻值R0= Ω;
④完成测量后,将选择开关调到 挡或交流电压最高挡。
(2)用多用电表测量电源电动势和内阻。
①将多用电表选择开关调到 (选填“交流”或“直流”)电压10 V挡;
②按图d所示电路连接实物;
③闭合开关,调节电阻箱R,读出多用电表示数U,测得多组R和U并做好记录;
④根据实验数据,作出1U1R图像如图e所示,电源电动势E= V,内阻r= Ω。(结果均保留3位有效数字)
解析:(1)①由题图a知,欧姆调零旋钮为B。
③为使多用电表指针指在中央刻度位置,应选欧姆“×1”挡。根据多用电表的读数规则可读出定值电阻的阻值R0=8 Ω。
④完成测量后,将选择开关调到OFF挡或交流电压最高挡。
(2)①由于电源为直流电源,则将多用电表选择开关调到直流电压
10 V挡。
④根据闭合电路的欧姆定律有E=U+I(r+R0),I=UR,整理有1U=1E+r+R0E·1R,设1U1R图像的纵截距为b,斜率为k,则可求出E=1b,k=r+R0E,代入解得
E≈8.33 V,r≈1.00 Ω。
答案:(1)①B ③1 8 ④OFF
(2)①直流 ④8.33 1.00
6.(2022·绍兴二模)某同学在“测量电池的电动势和内阻”实验中,使用了以下器材:干电池1节(带电池盒)、电压表1个(量程0～3 V、0～15 V)、电阻箱(可调范围0～9 999.9 Ω)、开关一个、导线若干。
(1)请你根据他的器材在虚线框中画出实验电路图。
(2)某次电压表的示数如图甲所示,则电压为 V。
(3)按照正确的操作获取相应的电压U和电阻R数据,并将电压与电阻的比值作为电流I,作出如图乙所示的UI图像。根据图像测得干电池的电动势为 V,内阻为 Ω。(结果均保留3位有效数字)
(4)若他不用电压表,在其他器材不变的情况下使用电流表(量程0～0.6 A、0～3 A),获得正确的数据,则测得电动势 (选填“大于”“等于”或“小于”)真实值。
解析:(1)实验中无电流表,可以用电压表与电阻箱测电池电动势与内阻,干电池、开关、电阻箱组成串联电路,电压表测路端电压,实验电路图如图所示。
(2)一节干电池电动势约为1.5 V,所以电压表量程选择0～3 V,分度值为0.1 V,则电压表读数为1.30 V。
(3)根据闭合电路欧姆定律得U=E-Ir,可得UI图像纵轴截距为电动势,延长图线如图。
电动势为E=1.44 V,斜率的绝对值表示内阻,r=1.44-0.900.3 Ω=1.80 Ω。
(4)若他不用电压表,在其他器材不变的情况使用电流表获得正确的数据,电流与电阻箱阻值的乘积为路端电压,没有电压表的分流,所以测出的电动势等于真实值。
答案:(1)图见解析 (2)1.30 (3)1.44 1.80 (4)等于
7.(2022·台州二模)某同学为测定一段粗细均匀、电阻率较小的电阻丝的电阻率,采用了如图甲所示的电路进行测量。实验步骤如下:
a.改变电阻丝上的导电夹P的位置,重复测量,记录多组x、U、I的值;
b.用游标卡尺在电阻丝上的三个不同位置测出电阻丝直径,求出平均值D;
c.调节电阻丝上的导电夹P的位置,用毫米刻度尺测量并记录导电夹P到电阻丝右端B的长度x;闭合开关S,记录电压表示数U、电流表示数I;
(1)上述实验步骤,正确的先后顺序应是 。
(2)若游标卡尺某次测量结果如图乙所示,其读数为 mm。
(3)根据多组测量得到的实验数据绘出UIx图像如图丙所示,若图线斜率为k,则电阻丝的电阻率ρ= (用已知或测量出的物理量的符号表示);电流表内阻对电阻率的测量 (选填“有”或“没有”)影响。
(4)用记录的数据绘制出UI图像如图丁所示,由图像可知电源的内阻r= Ω。(结果保留2位有效数字)
解析:(1)实验步骤为先用游标卡尺在电阻丝上的三个不同位置测出电阻丝直径,求出平均值D;然后调节电阻丝上的导电夹P的位置,用毫米刻度尺测量并记录导电夹P到电阻丝右端B的长度x;闭合开关S,记录电压表示数U、电流表示数I;再改变电阻丝上的导电夹P的位置,重复测量,记录多组x、U、I的值。顺序为bca。
(2)游标卡尺的读数为9 mm+11×0.05 mm=9.55 mm。
(3)由欧姆定律得Rx+RA=UI,由电阻定律得Rx=ρxS=ρxπ(D2) 2,整理得UI=4ρπD2x+RA,可得4ρπD2=k,则ρ=πkD24,根据UI=4ρπD2x+RA可知电流表的内阻对电阻率没有影响。
(4)根据闭合电路欧姆定律U=E-Ir可知,UI图像斜率的绝对值表示电源内阻,r=1.5-1.01.0 Ω=0.50 Ω。
答案:(1)bca (2)9.55 (3)πkD24 没有 (4)0.50
8.(1)某同学在电表的改装实验中用如图1所示电路来测量一只满偏电流200 μA的电流计内阻。测量数据如图2所示,电压表读数U=
V,则电流计内阻Rg= Ω。
(2)该同学用电压表来探究某充电宝的电学特性,电路如图3所示,电路中电源为充电宝,将充电宝连接线接入电路。记录被测充电宝实验时的电量百分比(充满电电量百分比为100%)。按图3连接实物电路,将滑动变阻器滑片调到 (选填“最左端”或“最右端”)。闭合开关,调节滑动变阻器,记录每次操作时的电流表和电压表示数。随后改变充电宝电量,
重复上述实验操作,得到不同电量下各组U、I的实验数据,并作出相应UI图像,如图4所示。
通过电量为60%时的数据获得充电宝此时电动势E= V,内阻r= Ω(结果均保留2位小数)。随后该同学又分析了多组数据可得到结论:不同电量时充电宝电动势 变化,内阻 变化。(均选填“会”或“不会”)
解析:(1)由于电源电动势为1.5 V,因此电压表接的是0～3 V量程,电压表的示数为1.00 V,微安表读数为100 μA,电阻箱接入电路的阻值R箱=9 500 Ω,根据欧姆定律可知电流计内阻Rg=UI-R箱=500 Ω。
(2)闭合开关前,滑动变阻器应调到接入电路的阻值最大,因此调到最右端;在UI图像中,图像与纵轴的交点表示电动势,斜率的绝对值表示内阻,因此E=3.83 V,r=3.83-2.320.70 Ω≈2.16 Ω,不同电量的情况下,UI图像与纵轴的截距不同,斜率也不同,因此不同电量的情况下,电动势会发生变化,内阻也会发生变化。
答案:(1)1.00 500 (2)最右端 3.83(3.70～3.90均可) 2.16(2.05～2.30均可) 会 会
9.(2022·杭州高级中学选考模拟)某同学利用图甲所示电路,测量多用电表内电源的电动势E和欧姆“×10”挡内部电路的总电阻R内。使用的器材有:多用电表、毫安表(量程0～10 mA)、电阻箱、导线
若干。
回答下列问题:
(1)将多用电表挡位调到欧姆“×10”挡,红表笔和黑表笔短接,调零。
(2)将电阻箱阻值调到最大,再将图甲中多用电表的红表笔和 (选填“1”或“2”)端相连,黑表笔连接另一端。
(3)调节电阻箱,记下多组毫安表的示数I和电阻箱相应的阻值R;某次测量时电阻箱的读数如图乙所示,则该读数为 Ω。
(4)该同学根据I=ER+R内,得到关于1I的表达式,以1I为纵坐标,R为横坐标,作1IR图像,如图丙所示;由图得E= V,R内= Ω。(结果均保留3位有效数字)
(5)该多用电表的表盘如图丁所示,其电阻刻度线中央刻度值标为“15”,据此判断欧姆“×10”挡内部电路的总电阻为 Ω,该同学的测量值R内与此结果偏差较大的原因是
。
解析:(2)欧姆表中电流从红表笔流入电表,从黑表笔流出电表;电流从电流表正接线柱流入,故红表笔接1,黑表笔接2。
(3)由题图乙可知,电阻箱读数为R=(2×10+3×1+2×0.1) Ω=
23.2 Ω。
(4)由I=ER+R内得1I=1ER+R内E,由题图丙可得1E=k=175-14050,解得E≈1.43 V,截距为R内E=b=140,得R内=200 Ω。
(5)由题图丁可知,此欧姆表的中值电阻为R中=15×10 Ω=150 Ω,则欧姆“×10”挡内部电路的总电阻为150 Ω;由该同学处理方法可知,没有考虑毫安表的内阻。如果考虑毫安表的内阻则有1I=1ER+R内E+rE,由此可知,该同学的测量值R内与此结果偏差较大的原因是没有考虑毫安表的内阻。
答案:(2)1 (3)23.2 (4)1.43 200 (5)150 没有考虑毫安表内阻的影响
10.利用伏安法测电阻,可以选电流表内接法和电流表外接法两种
方法。
(1)关于两种方法测得的电阻值Rx产生的误差,下列说法正确的是 。(多选)
A.无论哪种方法,采用多次测量取平均值的方式,就能有效减小误差,使误差几乎为0
B.采用图甲电路测得的电阻值大于电阻的真实值
C.采用图乙电路测得的电阻值小于电阻的真实值
(2)某同学设计了如图所示的电路进行改进。所选实验器材均符合实验要求,实验中的主要操作步骤如下:
①正确连接实验电路后,调节滑动变阻器R1、R2的滑片至适当位置;
②断开开关S2,闭合开关S1,调节滑动变阻器R1、R2的滑片,使电流表A2的示数恰好为电流表A1示数的三分之二,记录此时电压表V的示数U1和电流表A1的示数I1;
③保持滑动变阻器R2的滑片位置不变,再闭合开关S2,记录电压表V的示数U2和电流表A2的示数I2;
④根据以上测量数据可得Rx= ;该实验也可测得电流表A1的内阻r1= (用U1、I1、U2、I2表示)。实验计算得到的Rx值与真实值相比 (选填“偏大”“偏小”或“相等”)。
解析:(1)图甲中电流表内接,电压表测量的是待测电阻和电流表总电压,由欧姆定律知UI=Rx+RA>Rx,即采用图甲电路测得的电阻值大于电阻的真实值,而图乙中电流表测的是电压表和待测电阻的总电流,故UI=UIV+Ix
答案:(1)BC (2)④2U2I2 U1I1-2U23I2 相等
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