查补易混易错17 电学实验-【查漏补缺】2022年高考物理三轮冲刺过关（解析版）

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查补易混易错17 电学实验

近几年高考实验题基本上是“一力一电”的模式，题型多样，考查内容广阔，教法灵活，注重考查物理实验的基本技能、知识的应用和拓展能力，更加注重考查考生的理解能力、实验探究能力和创新能力。
对电学实验的考查规律大致体现在以下两个方面：⑴研究小灯泡的伏安特性曲线[2021河北卷]、测电源的电动势和内阻[2021湖南、湖北卷等]的考查频次较高，其次是伏安法没电阻、各种变式测电阻，热敏电阻的测量，电表的改装，多用电表的考查等紧随其后，利用传感器制作简单的自动控制装置[2021广东、山东卷]是近几年的一个考查热点；新课标中新增的观察电容器的充、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实验基本没考查。⑵几乎所有的电学实验都是以闭合电路欧姆定律或者部分电路欧姆定律等基本电学理论为核心，主要表现在电表改装、多用电表、各种变式测电阻、伏安法测电动势和内阻等基于教材实验的拓展实验。
【真题示例·2021·湖南卷·12】 某实验小组需测定电池的电动势和内阻，器材有：一节待测电池、一个单刀双掷开关、一个定值电阻（阻值为）、一个电流表（内阻为）、一根均匀电阻丝（电阻丝总阻值大于，并配有可在电阻丝上移动的金属夹）、导线若干。由于缺少刻度尺，无法测量电阻丝长度，但发现桌上有一个圆形时钟表盘。某同学提出将电阻丝绕在该表盘上，利用圆心角来表示接入电路的电阻丝长度。主要实验步骤如下：
（1）将器材如图（a）连接：

（2）开关闭合前，金属夹应夹在电阻丝的___________端（填“a”或“b”）；
（3）改变金属夹的位置，闭合开关，记录每次接入电路的电阻丝对应的圆心角和电流表示数，得到多组数据；
（4）整理数据并在坐标纸上描点绘图，所得图像如图（b）所示，图线斜率为，与纵轴截距为，设单位角度对应电阻丝的阻值为，该电池电动势和内阻可表示为___________，___________（用、、、、表示）
（5）为进一步确定结果，还需要测量单位角度对应电阻丝的阻值。利用现有器材设计实验，在图（c）方框中画出实验电路图__________（电阻丝用滑动变阻器符号表示）；
（6）利用测出的，可得该电池的电动势和内阻。
【答案】 ①. ②. ③. ④.

【解析】（2）[1]开关闭合前，为了保护电路中的元件，应将电阻丝的最大阻值接入电路，根据电阻定律可知电阻丝接入越长，接入电阻越大，金属夹应夹在电阻丝的端。
（4）[2]设圆心角为时，电阻丝接入电路中的电阻为，根据闭合电路欧姆定律可知

整理得

结合图象的斜率和截距满足
，

解得电源电动势和内阻为



（5）[3]实验器材中有定值电阻和单刀双掷开关，考虑使用等效法测量电阻丝电阻，如图


原理的简单说明：
① 将开关置于位置，读出电流表示数；
② 将开关置于电阻丝处，调节电阻丝的角度，直到电流表示数为，读出此时角度θ ；
③ 此时，即可求得的数值。

【易错分析】①考生对实验原理重视程度不够，基本实验技能不扎实，不能将已有的实验方法进行优化和迁移；②对替代法测电阻丝阻值的方法不熟悉；③数学 推理过程出现错误，未将电流表和定值电阻R的电阻计算在内。

【易错01】测定金属丝的电阻率
1.数据处理的方法
(1)在求Rx的平均值时可用两种方法
①用Rx=UI 分别算出各次的阻值,再取平均值。
②用U-I图线的斜率求出阻值。
(2)计算电阻率
将记录的数据Rx、l、d的值代入电阻率计算式ρ=RxSl=πd2U4lI。
2.误差分析
(1)金属丝的横截面积是利用直径计算而得的,直径的测量是产生误差的主要来源之一。
(2)采用伏安法测量金属丝的电阻时,由于采用的是电流表外接法,测量值小于真实值,使电阻率的测量值偏小。
(3)金属丝的长度测量、电流表和电压表的读数等会带来偶然误差。
(4)由于金属丝通电后发热升温,会使金属丝的电阻率变大,造成测量误差。
【易错02】测电阻的其它方法:
1.安安法
若电流表内阻已知,则可将其当做电流表、电压表以及定值电阻来使用。
(1)如图甲所示,当两电表所能测得的最大电压接近时,如果已知A1的内阻R1,则可测得A2的内阻R2=I1R1I2。
(2)如图乙所示,当两电表的满偏电压UA2≫UA1时,A1串联一定值电阻R0后,同样可测得A2的电阻R2=I1(R1+R0)I2。

2.伏伏法
若电压表内阻已知,则可将其当做电流表、电压表和定值电阻来使用。
(1)如图1所示,两电表的满偏电流接近时,若已知V1的内阻R1,则可测出V2的内阻R2=U2U1R1。

(2)如图2所示,两电表的满偏电流IV1≪IV2时,V1并联一定值电阻R0后,同样可得V2的内阻R2=U2U1R1+U1R0。

3.半偏法测电流表内阻
电路图如图所示

步骤:(1)断开S2,闭合S1,调节R0,使电流表示数为满偏电流I0。
(2)保持R0不变,闭合S2,调节R,使电流表示数为I02。
(3)由上可得RA=R。
4.等效替代法
如图所示,先让待测电阻与一电流表串联后接到电动势恒定的电源上,读出电流表示数I;然后将电阻箱与电流表串联后接到同一电源上,调节电阻箱的阻值,使电流表的示数仍为I,则电阻箱的示数即待测电阻的阻值。

【易错03】测量电源的电动势和内阻
1.数据处理的方法
(1)公式法:联立六组对应的U、I数据,满足关系式U1=E-I1r、U2=E-I2r、U3=E-I3r、…,让第1式和第4式联立方程,第2式和第5式联立方程,第3式和第6式联立方程,这样解得三组E、r,取其平均值作为电池的电动势E和内阻r。
(2)图像法:在坐标纸上以路端电压U为纵轴、干路电流I为横轴建立U-I坐标系,在坐标平面内描出各组(I,U)值所对应的点,然后尽量多地通过这些点作一条直线,不在直线上的点大致均匀分布在直线两侧,个别偏离直线较远的点可舍去,则直线与纵轴交点的纵坐标值即电池电动势的大小(一次函数的纵轴截距),图线斜率的绝对值即电池的内阻r,即r=ΔUΔI。
2.误差分析
(1)偶然误差
①由于读数不准和电表线性不良引起误差。
②用图像法求E和r时,由于作图不准确造成误差。
③测量过程中通电时间过长或电流过大,都会引起E、r变化造成误差。
(2)系统误差
由于电压表和电流表内阻影响而导致的误差。
a.如图甲所示,在理论上E真=U+(IV+IA)r,其中电压表示数U是准确的电源两端电压,而实验中忽略了通过电压表的电流IV而造成误差,而且电压表示数越大,IV越大。

甲

乙
结论:①当电压表示数为零时,IV=0,IA=I短,短路电流测量值=真实值;
②E测