2023届高考物理二轮复习专题六第2讲电学实验学案

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第2讲　电学实验1. 掌握基本仪器的使用和读数．2. 理解基本实验方法与数据处理．3. 能解释电学实验的设计．(2022·广东卷)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__变小__(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__无__(选填“有”或“无”)影响．(4)  图c是根据部分实验数据描绘的RxL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__51.80__cm，即为机械臂弯曲后的长度．【解析】 (2) ③闭合S2后，并联部分的电阻减小，根据闭合电路欧姆定律，电压表的示数变小；加在导电绳两端的电压为U，流过导电绳的电流为I2－I1，因此导电绳的电阻Rx＝.(3) 在闭合S2之前，电流表I1的示数包括定值电阻的电流和电压表分得的电流，闭合S2之后，加在电压表两端的电压保持不变，因此流过电压表和定值电阻的总电流仍为I1，故流过导电绳的电流是I2－I1，与电压表内阻无关，电压表内阻对测量没有影响．(4) 由图c可知，导电绳拉伸后的长度为51.80 cm.　　1. 基本仪器的使用(1) 电压表应并联、电流表应串联在电路中，且电流应由正接线柱流入、负接线柱流出．(2)  开始实验前，变阻器的触头位置应保证电路中用电器的安全，即保证电路中流过的电流最小或加在用电器两端的电压最小．(3)  多用电表使用前应检查指针是否停在表盘刻度左端的零刻度位置．若不指零，要用小螺丝刀进行机械调零；红、黑表笔要分别插入“＋”“－”插孔；根据测量项目，将选择开关置于相关区域的适当量程上．用多用电表测电阻：机械调零第一步，断开表笔调螺母；指针指向∞时，根据阻值来选挡；接着进行电(阻)调零，短接表笔指0  Ω，测时双手勿触阻；测量阻值高精度，中值附近去读数；以后每次换挡后，均要重新电(阻)调零；勿忘得数乘倍率，用完拨回OFF挡．长期不用，还应把表内电池取出．2. 电表读数的基本方法：测量值＝最小刻度×小格数＋估读值．(2022·常州八校调研)(1) 如图甲所示，用螺旋测微器测量金属丝的直径时，从调节到读数的过程中，螺旋测微器上三个部件①、②、③使用的先后顺序应该为①、__②__、__③__、①；如图乙所示，测得该合金丝的直径为d＝__0.381__mm.甲　乙(2) 小华在测量干电池的电动势和内阻实验中，利用如下实验器材：一只满偏电流为100  μA的表头，一只开关，两只电阻箱(0～999.9  Ω)和导线若干．图1　图2  图3①小华先将表头与图1中电阻箱1进行连接，将电阻箱调节至图2所示阻值时，就可把表头改装成量程为50 mA的电流表，电阻箱接入电路的阻值为__5__Ω.②用笔画线代替导线，将图1所示实物电路连接图补充完整．【答案】③通过改变电阻R，测得相应的电流I，并且作相关计算后一并记录在下表中．请在图3中描绘出IRI图像．实验次数123456R(Ω)95.075.055.045.035.025.0I(mA)15.018.724.829.536.048.0IR(V)1.431.401.361.331.261.20     【答案】④根据图像可求得电池的电动势E＝__1.54(1.53～1.55)__V，内阻r＝__7.33(7.00～7.50)__Ω.(结果均保留三位有效数字)【解析】 (1) 用螺旋测微器测合金丝直径时，先打开固定螺钉①，把待测合金丝放在测微螺杆与测砧之间，然后调节粗调旋钮②，当合金丝与测微螺杆、测砧接触时停止调节粗调旋钮，然后调节微调旋钮③；为防止读数时测微螺杆发生转动，读数前应先旋紧固定螺钉①，然后再读数，故①、②、③使用的先后顺序应为①②③①；由图乙所示螺旋测微器可知，其示数为0 mm＋38.1×0.01 mm＝0.381 mm.(2)  ①电阻箱接入电路的阻值为5 Ω.②如图所示．③描绘出IRI图线(如图).④根据闭合电路欧姆定律可知IR＝E－Ir，则可知，图像与纵轴的交点表示电源的电动势，故E＝1.54 V，r＝ Ω＝7.33 Ω.1. 测量电路的选择当Rx≫RA时用内接法，如图甲；当Rx≪RV时用外接法，如图乙．甲　乙2. 控制电路的选择(1) 当被测电阻的阻值Rx远大于滑动变阻器的总电阻R时，须用分压式电路．(2)  当要求被测电阻上的电压或电流变化范围较大，且从零开始连续可调时，须用分压式电路．(3)  当被测电阻的阻值Rx小于滑动变阻器的总电阻R或相差不多，并且电压表、电流表示数变化不要求从零调节时，可采用限流式电路．(4)  两种电路均可使用的情况下，应优先采用限流式接法，因为限流式接法消耗功率较小．3. 测电阻的方法实验电路一般分为电源、控制电路和测量电路三部分．(1) 最为精确的测量方法——等效替代法①电流等效替代②电压等效替代(2) 电表内阻测量最常用的方法——半偏法①半偏电流法②半偏电压法4. 电源电动势和内阻的测量方法任何一种实验方法，一定要紧扣闭合电路欧姆定律E＝U＋Ir，而最关键的是看电路中如何测量出路端电压U和电路中的总电流I，这也是命题专家命题时的入手点．(2022·南京、盐城模拟)一实验小组为了测量某元件的电阻，进行了如下实验：(1) 首先用多用电表进行粗测，如图所示，下列操作步骤正确的有__BD__．  丁A. 如图甲，将红黑表笔短接，进行机械调零B. 如图乙，利用所示旋钮进行欧姆调零C. 如图丙，用“×10”挡测量时发现指针偏转角度过大，为了准确测量，应换到“×100”挡D. 实验完成后，挡位调至如图丁所示位置(2)  随着使用时间的增长，欧姆表内部的电源电动势会减小，内阻会增大，但仍能进行欧姆调零．若仍用该表测电阻，则测量结果会__偏大__(选填“偏大”“偏小”或“不变”).(3) 为了精确测量该元件的电阻，同学们又采用了如图所示电路进行测量．电路由控制电路和测量电路两大部分组成．实验用到的器材如下：A. 待测电阻Rx；B. 灵敏电流计G；C. 定值电阻R0＝80 Ω；D. 粗细均匀的电阻丝AB(总长为L＝60.00 cm)；E. 滑动变阻器R；F. 线夹、开关以及导线若干；G. 电源(电动势为3 V).①在闭合开关S前，可将线夹P2大致固定于电阻丝AB中部位置，滑片P1应置于a端．闭合开关后，先移动滑动变阻器的滑片P1至某一位置，然后不断调节线夹P2所夹的位置，直到灵敏电流计G示数为零，测出此时AP2段电阻丝长度x＝12.00 cm，则Rx的阻值计算式为(用R0、L、x表示)，代入数据得Rx＝__20__Ω.②为减小因电阻丝粗细不均匀带来的误差，将定值电阻R0换成电阻箱，并按照①中的操作，电阻箱的阻值记为R1；然后将电阻箱与Rx交换位置，保持线夹P2的位置不变，调节电阻箱，重新使灵敏电流计G示数为零，此时电阻箱的阻值记为R2，则电阻Rx＝____．【解析】 (1) 将红黑表笔短接，进行的是欧姆调零，A错误；图乙所示旋钮为欧姆调零旋钮，B正确；用“×10”挡测量时发现指针偏转角度过大，说明电阻较小，为了准确测量，应换到“×1”挡，C错误；实验完成后，应将开关置于OFF挡或交流电压最高挡，D正确．(2) 多用电表的测量原理为闭合电路欧姆定律，当电池电动势减小、内阻r变大时，欧姆表重新调零，即满偏电流不变，则Ig＝，可知欧姆表的内阻Rg变小，Rg＋r＝R也变小．当测电阻时有I＝＝＝.因R变小，则同一Rx的电流要变小，对应的电阻刻度值要变大，即测量结果会偏大．(3)  ①当灵敏电流计G示数为零时，说明Rx的分压和AP2部分的分压相等，即URx＝＝UAP2＝＝＝，整理得＝，则Rx＝，代入数据解得Rx＝20 Ω.②根据第①问的原理，交换位置前有＝，交换位置后有＝，可得＝，解得Rx＝.1. 设计的原则：科学、可靠、方便、准确．2. 设计的思路(1) 根据题目要求和给出的条件，根据物理规律和原理，设计实验原理，找出实验原理式．(2) 根据设计的实验原理，由公式确定还有哪些待测量(不能太多)，根据基本仪器的使用知识和控制电路的作用，设计实验电路．(3) 根据设计的实验电路，明确需要测量的物理量，由待测量选择、确定实验器材．(4) 由实验器材设计、制定实验步骤，进行误差评估，将测量值代入原理式，求出所要求的物理量．(2022·连云港模拟)实验室有一只灵敏电流计，刻度盘上共有50格刻度而无具体示数，已知该电流计的满偏电流Ig约为几百微安，内阻Rg约为几百欧姆．为了测出Ig和Rg，小明设计了图示的甲、乙电路．除电流计外，提供的器材有：①电压表V(量程4 V，内阻为15 kΩ)；②滑动变阻器R1 (0～20 Ω，2 A)；滑动变阻器R2 (0～2 000 Ω，0.5 A)；③电阻箱R3 (0～999.9 Ω)；电阻箱R4 (0～9 999.9 Ω)；④电池组(电动势6 V，内阻忽略不计)；⑤开关、导线若干．甲　　乙(1) 甲中滑动变阻器A应选择__R1__(选填“R1 ”或“R2 ”).(2) 乙中虚线框内的可变电阻R 应选择__R4__(选填“R2 ”“R3 ”或“R4 ”).(3) 实验主要步骤：①将甲中滑动变阻器滑到最左端，闭合开关，滑片向右滑动，记下电压表的示数U和电流计指针的格数n；某次实验电压表示数为3.6 V，电流计指针为30格，那么电流计的满偏电流Ig为__400__μA.②将乙中的可变电阻R调至最大值，断开S1，闭合S，减小R的阻值，使电流计指针达到满偏；闭合S1，调节B，电流计指针指在35格，此时电阻箱读数为350 Ω，则Rg为__150__Ω.(4)  用图乙测量内阻时，考虑到系统误差，内阻Rg测量值__小于__(选填“大于”“小于”或“等于”)真实值．【解析】 (1) 图甲中滑动变阻器A采用分压式接法，为了方便调节且使电表示数变化比较均匀，滑动变阻器A应选择阻值较小的R1.(2) 由于灵敏电流计的满偏电流只有几百微安，电源电动势为6 V，可知图乙中电路的总电阻很大，需要串联接入电路的可变电阻阻值很大，故虚线框内的可变电阻R应选择R4.(3) ①某次实验电压表示数为3.6 V，电流计指针为30格，图甲中灵敏电流计与电压表串联，可知此时灵敏电流计的电流为I＝＝ A＝240  μA，又I＝Ig，解得电流计的满偏电流为Ig＝I＝×240  μA＝400  μA.②将乙中的可变电阻R调至最大值，断开S1，闭合S，减小R的阻值，使电流计指针达到满偏；闭合S1，调节B，电流计指针指在35格，此时电阻箱读数为350 Ω，闭合S1前后电路的总电阻主要由可变电阻R决定，可认为闭合S1前后电路的总电流保持不变，故有Ig·Rg＝(Ig－Ig)·RB，解得Rg＝150 Ω.(4)  用图乙测量内阻时，考虑到闭合S1后，电路的总电阻减小，电路的总电流增大，即I′总>Ig，则有Ig·R′g＝(I′总－Ig)·RB>(Ig－Ig)·RB，解得灵敏电流计真实内阻应满足R′g>150 Ω，可知内阻Rg 测量值小于真实值．(2022·南京模拟)某课外兴趣小组用如图甲所示的电路观察电解电容器的充、放电现象，并测量电容器的电容．甲(1) 粗略观察充放电的电流大小和方向时，应选择表头为图__乙__(选填“乙”或“丙”)的电流表．乙  丙(2)  放电时，流经电阻R的电流__向右__(选填“向左”或“向右”).(3)  为了能精确测量电容，将甲图中电流表换成电流传感器测量电流，并根据电路图，连接图丁中的实物图．　　　丁  【答案】(4) 电容器放电过程中，电流随时间变化的规律如图戊所示，计算机可以得出it图像所围的区域面积为0.869 mA·s，电阻R为500 Ω，直流电源电压恒为2 V，该电容器电容为__435__μF.(结果保留三位有效数字)(5)  仅将R为500 Ω的电阻改为1 000 Ω，电流传感器内阻不计，重新观察电容放电曲线，请在原it图像中大致画出电阻为1 000 Ω的放电曲线．【答案】【解析】 (1) 图乙电表可以测量正反双向电流，而图丙电表只能测量正向电流，反向电流可能导致电表烧坏，由于刚开始测量时不知道电流的方向，因此粗略观察充放电的电流大小和方向时应选择图乙电表．(2) 充电时电容器左侧接的是电源正极，左极板为正电荷，因此放电时电流为顺时针方向，故流经电阻R的电流向右．(3) 根据电路图，连接的实物图如图．(4) 根据Q＝It可知it图像所围的区域面积即为通过的电荷量，所以Q＝0.869 mA·s＝8.69×10－4 C，因此C＝＝≈435  μF.(5) 仅将R为500 Ω的电阻改为1 000 Ω，其他器件参数不变化，且电流传感器内阻不计时相同，放电时由于R增大，因此初始放电电流会减小，因时，充电完成后电容器极板上储存的总电荷量不变，因此it图像所围的区域面积与R为500 Ω此1 000 Ω的放电曲线如图．