2024届高考物理一轮复习全书完整Word版第八章 专题强化八

专题强化八　电学实验基础

一、螺旋测微器的使用

1．构造：如图1所示，B为固定刻度，E为可动刻度．

图1

2．原理：测微螺杆F与固定刻度B之间的精密螺纹的螺距为0.5 mm，即旋钮D每旋转一周，F前进或后退0.5 mm，而可动刻度E上的刻度为50等份，每转动一小格，F前进或后退0.01 mm，即螺旋测微器的精确度为0.01 mm.读数时估读到毫米的千分位上，因此，螺旋测微器又叫千分尺．

3.读数：测量值(mm)＝固定刻度数(mm)(注意半毫米刻度线是否露出)＋可动刻度数(估读一位)×0.01(mm)．

图2

如图2所示，固定刻度示数为2.0 mm，半毫米刻度线未露出，而从可动刻度上读的示数为15.0，最后的读数为：2.0 mm＋15.0×0.01 mm＝2.150 mm.

二、游标卡尺

1．构造：主尺、游标尺(主尺和游标尺上各有一个内、外测量爪)、游标卡尺上还有一个深度尺．(如图3所示)

图3

 2.用途：测量厚度、长度、深度、内径、外径．

3．原理：利用主尺的最小分度与游标尺的最小分度的差值制成．

不管游标尺上有多少个小等分刻度，它的刻度部分的总长度比主尺上的同样多的小等分刻度少1 mm.常见的游标卡尺的游标尺上小等分刻度有10个的、20个的、50个的，其规格见下表：

4.读数：若用x表示从主尺上读出的整毫米数，K表示从游标尺上读出与主尺上某一刻度线对齐的游标的格数，则记录结果表示为(x＋K×精确度) mm.

三、常用电表的读数

对于电压表和电流表的读数问题，首先要弄清电表量程，即指针指到最大刻度时电表允许通过的最大电压或电流，然后根据表盘总的刻度数确定精确度，按照指针的实际位置进行读数即可．

(1)0～3 V的电压表和0～3 A的电流表的读数方法相同，此量程下的精确度分别是0.1 V和0.1 A，看清楚指针的实际位置，读到小数点后面两位．

(2)对于0～15 V量程的电压表，精确度是0.5 V，在读数时只要求读到小数点后面一位，这时要求“格估读”，即读到0.1 V.

(3)对于0～0.6 A量程的电流表，精确度是0.02 A，在读数时只要求读到小数点后面两位，这时要求“半格估读”，即读到最小刻度的一半0.01 A.

1．游标卡尺和螺旋测微器的读数

游标卡尺的读数应注意以下几点

(1)看清精确度

例如(图4)

图4

易错成11 mm＋4×0.1 mm＝11.40 mm

正确的应为11.4 mm，游标卡尺不需要估读，后面不能随意加零或去零；

例如(图5)

图5

易错成10 mm＋12×0.05 mm＝10.6 mm，正确的应为10.60 mm.

(2)主尺上的单位应为厘米

主尺上标识的1、2、3等数字通常是指厘米，读数时应将毫米和厘米分清，游标卡尺主尺上的最小刻度是1 mm.

例如(图6)

图6

易错成5 mm＋4×0.05 mm＝5.20 mm

正确的应为50 mm＋4×0.05 mm＝50.20 mm.

(3)区分零刻度与标尺最前端

例如(图7)

图7

易错成13 mm＋10×0.05 mm＝13.50 mm

正确读数为14 mm＋10×0.05 mm＝14.50 mm.

例1　某同学测定一金属杆的长度和直径，示数如图8甲、乙所示，则该金属杆的长度和直径分别为________cm和________mm.

图8

答案　60.10　4.20

解析　刻度尺的分度值为1 mm，要估读到0.1 mm.

游标卡尺读数为4 mm＋10×0.02 mm＝4.20 mm.

变式1　(2019·安徽蚌埠市第二次质检)小明用螺旋测微器测量一根导体棒的直径，刻度如图9甲所示，读数为________ mm；用游标为20分度的游标卡尺测量某个圆筒的深度，部分刻度如图乙所示，读数为________ cm.

图9

答案　4.224(4.222～4.226)　2.185

解析　螺旋测微器的固定刻度为4.0 mm，可动刻度为22.4×0.01 mm＝0.224 mm，所以最终读数为4.0 mm＋0.224 mm＝4.224 mm；这种游标卡尺的游标尺刻度是把主尺刻度19 mm的长度，分为20等份，每等份为0.95 mm，游标尺上第17个刻度和主尺上38 mm刻度对齐，读数为38 mm－17×0.95 mm＝21.85 mm＝2.185 cm.

变式2　(2020·山东济宁市模拟)图10甲中螺旋测微器的读数为________ mm.如图乙为用多用电表的“×1”欧姆挡正确操作后测某电阻时指针的位置，其读数为________ Ω.

图10

答案　0.730　8

解析　螺旋测微器的读数为0.5 mm＋23.0×0.01 mm＝0.730 mm；欧姆表选用“×1”欧姆挡，读数为8 Ω.

2．电压表、电流表和变阻箱的读数

例2　(1)如图11甲所示的电表使用0.6 A量程时，对应刻度盘上每一小格代表________A，图中表针示数为________ A；当使用3 A量程时，对应刻度盘中每一小格代表________ A，图中表针示数为________ A.

图11

(2)如图乙所示的电表使用较小量程时，每小格表示______ V，图中表针的示数为______ V．若使用的是较大量程，则这时表盘刻度每小格表示_______ V，图中表针示数为________ V.

答案　(1)0.02　0.44　0.1　2.20

(2)0.1　1.70　0.5　8.5

解析　(1)使用0.6 A量程时，刻度盘上的每一小格为0.02 A，表针示数为0.44 A；当使用3 A量程时，每一小格为0.1 A，表针示数为2.20 A.

(2)电压表使用3 V量程时，每小格表示0.1 V，表针示数为1.70 V；使用15 V量程时，每小格表示0.5 V，表针示数为8.5 V.

例3　旋钮式电阻箱如图12所示，电流从接线柱A流入，从B流出，则接入电路的电阻为________ Ω，今欲将接入电路的电阻改为2 087 Ω，最简单的操作方法是________________.若用两个这样的电阻箱，即可得到的电阻值范围为________．

图12

答案　1 987　将“×1 k”旋钮调到2，再将“×100”旋钮调到0　0～19 998 Ω

解析　接入电路的电阻为1 987 Ω，最简单的操作方法是将“×1 k”旋钮调到2，再将“×100”旋钮调到0.每个电阻箱的最大阻值是9 999 Ω，用这样的两个电阻箱串联可得到的最大电阻是2×9 999 Ω＝19 998 Ω.故用两个这样的电阻箱，可得到的电阻值范围为0～19 998 Ω.

变式3　如图13甲是学生实验用的有两个量程的电流表刻度盘，当用“＋”和“－0.6”两接线柱时，能测的最大电流是________ A，对应刻度盘上每一小格代表________ A；图中表针示数为________ A；当使用电流表的“＋”和“－3”两个接线柱时，对应刻度盘上每一小格代表______ A，图中表针示数为________ A.

图13

图乙为学生实验用的有两个量程的电压表刻度盘．当使用较小量程时，测量电压最大值不得超过________ V，每小格表示________ V，图中指针示数为________ V；若使用的是较大量程，则表盘刻度每小格表示________ V，图中指针示数为________ V.

答案　0.60　0.02　0.34　0.1　1.70　3.00　0.1

2．20　0.5　11.0

解析　结合电流表和电压表所选量程，首先应正确读出相应的分度值，然后根据表针所指位置和其读数方法可得结果．

1．电压表和电流表的内、外接法

(1)两种接法比较

(2)两种电路的选择

①阻值比较法：先将待测电阻的估计值与电压表、电流表内阻进行比较，若Rx较小，宜采用电流表外接法；若Rx较大，宜采用电流表内接法．简单概括为“大内偏大，小外偏小”．

②临界值计算法：

Rx<时，用电流表外接法；Rx>时，用电流表内接法．

图14

③实验试探法：按图14所示接好电路，让连接电压表的导线P先后与a、b处接触一下，如果电压表的示数有较大的变化，而电流表的示数变化不大，则可采用电流表外接法；如果电流表的示数有较大的变化，而电压表的示数变化不大，则可采用电流表内接法．

例4　用内阻为3 000 Ω的电压表和内阻为10 Ω的电流表测电阻，在图15甲、乙两种情况下，电压表的示数都是60 V，电流表的示数都是0.2 A，则R1的测量值为______ Ω，真实值是________ Ω，R2的测量值为________ Ω，真实值是________ Ω.

图15

答案　300　290　300　333.3

解析　题图甲：电阻R1的测量值R1测＝＝300 Ω，真实值R1真＝R1测－RA＝290 Ω；题图乙：电阻R2的测量值R2测＝＝300 Ω，真实值R2真＝≈333.3 Ω.

2．滑动变阻器两种连接方式

(1)滑动变阻器两种接法的对比

(2)滑动变阻器必须接成分压电路的几种情况：

①要求电压表能从零开始读数；

②当待测电阻Rx≫R(滑动变阻器的最大阻值)时；

③若采用限流式接法，电路中的最小电流仍超过电路中电表、电阻允许的最大电流．

(3)滑动变阻器的最大阻值和用电器的阻值差不多且要求电压不从零开始变化，通常情况下，由于限流式结构简单、耗能少，优先使用限流式．

例5　(2019·江苏苏锡常镇四市一模)甲、乙两位同学在测量电阻的实验中：

(1)甲用图16所示电路来测量定值电阻Rx的阻值，提供的器材如下：Rx(阻值约10 Ω)，滑动变阻器RP1(0～10 Ω)，滑动变阻器RP2(0～200 Ω)，电流表A(0～0.6 A、0～3 A)，电压表V(0～3 V、0～15 V)，电源E(电动势为3 V)，开关S，导线若干．

图16

图17

图18

①为便于调节和读数，滑动变阻器应该选择________(选填“RP1”或“RP2”)．

②请帮助该同学将图17中实物电路连接完整．

(2)乙用图18所示电路测量另一待测电阻Rx′的阻值，电阻箱R(0～999.9 Ω)，滑动变阻器RP3(50 Ω　1 A)，电压表V(0～3 V)，电源E(电动势为3 V)．测量步骤如下：

第1步：将Rx′接在电路中A、B两点间，闭合开关S，调节滑动变阻器滑片P至适当位置，此时电压表的示数为2 V．断开开关S，移走Rx′；

第2步：将电阻箱R接在A、B两点间，闭合开关S，保持滑动变阻器滑片位置不变，调节R使电压表的示数仍为2 V，此时R接入电路中的阻值为48 Ω.则该同学测得Rx′的阻值为________ Ω.

(3)与真实值相比，甲同学利用图16电路测得Rx的阻值偏________；若乙同学在进行第2步实验时，无意中将滑动变阻器的滑片P向右移动了少许，则他测得Rx′的阻值将偏________．(均选填“大”或“小”)

答案　(1)①RP1　②见解析图　(2)48　(3)小　大

解析　(1)滑动变阻器采用分压式接法，为了便于操作和读数，滑动变阻器阻值应该选用较小的，故选RP1；滑动变阻器左侧下接线柱与电源的负极连接，电压表3 V量程的接线柱与电流表负接线柱连接，如图所示：

(2)由于Rx′和电阻箱分别接入电路中时电压表的读数相同，所以两者的电阻也必然相同，即Rx′＝48 Ω.

(3)甲同学利用题图电路测得Rx，由于电压表的分流作用，使Rx测量值比真实值偏小．

对于乙同学的实验可作这样的分析：当把滑动变阻器接入电路时，调节滑动变阻器，使得电压表的读数为2 V，此时将滑动变阻器的滑片P向右移动了少许，由闭合电路欧姆定律可知，电流减小，电压表的示数小于2 V，只有增大R的阻值，使电流减小，内电压与滑动变阻器两端的电压减小，这样R两端的电压才会升高到2 V，使得测量值Rx′偏大．

1．主要类型

用灵敏电流计改装为较大量程电流表、电压表和多用电表．

2．改装原理

(1)电流表的改装利用了并联电路分流的原理．

(2)电压表的改装利用了串联电路分压的原理．

例6　(2019·全国卷Ⅰ·23)某同学要将一量程为250 μA的微安表改装为量程为20 mA的电流表．该同学测得微安表内阻为1 200 Ω，经计算后将一阻值为R的电阻与该微安表连接，进行改装．然后利用一标准毫安表，根据图19(a)所示电路对改装后的电表进行检测(虚线框内是改装后的电表)．

图19

(1)根据图(a)和题给条件，将图(b)中的实物连线．

(2)当标准毫安表的示数为16.0 mA时，微安表的指针位置如图20所示，由此可以推测出改装的电表量程不是预期值，而是________．(填正确答案标号)

图20

A．18 mA   B．21 mA

C．25 mA   D．28 mA

(3)产生上述问题的原因可能是________．(填正确答案标号)

A．微安表内阻测量错误，实际内阻大于1 200 Ω

B．微安表内阻测量错误，实际内阻小于1 200 Ω

C．R值计算错误，接入的电阻偏小

D．R值计算错误，接入的电阻偏大

(4)要达到预期目的，无论测得的内阻值是否正确，都不必重新测量，只需要将阻值为R的电阻换为一个阻值为kR的电阻即可，其中k＝________.

答案　(1)连线如图所示

(2)C　(3)AC　(4)

解析　(1)量程为250 μA的微安表改装成量程为20 mA的电流表，量程扩大了80倍，需要将定值电阻与微安表并联，然后根据题图(a)的原理图连线．

(2)当标准毫安表示数为16.0 mA时，对应的微安表读数为160 μA，说明量程扩大了100倍，因此所改装的电表量程是25 mA，选项C正确．

(3)根据IgRg＝(I－Ig)R得：I＝＋Ig

出现该情况可能是微安表内阻测量错误，实际电阻大于1 200 Ω，或者并联的电阻R计算错误，接入的电阻偏小，选项A、C正确．

(4)设微安表的满偏电压为U，则对并联的电阻R有

U＝(25－0.25)×10－3R

U＝(20－0.25)×10－3kR，解得k＝.

变式4　(2019·全国卷Ⅲ·23)某同学欲将内阻为98.5 Ω、量程为100 μA的电流表改装成欧姆表并进行刻度和校准，要求改装后欧姆表的15 kΩ刻度正好对应电流表表盘的50 μA刻度．可选用的器材还有：定值电阻R0(阻值14 kΩ)，滑动变阻器R1(最大阻值1 500 Ω)，滑动变阻器R2(最大阻值500 Ω)，电阻箱(0～99 999.9 Ω)，干电池(E＝1.5 V，r＝1.5 Ω)，红、黑表笔和导线若干．

图21

(1)欧姆表设计

将图21中的实物连线组成欧姆表．欧姆表改装好后，滑动变阻器R接入电路的电阻应为________ Ω；滑动变阻器选________(填“R1”或“R2”)．

(2)刻度欧姆表表盘

通过计算，对整个表盘进行电阻刻度，如图22所示．表盘上a、b处的电流刻度分别为25和75，则a、b处的电阻刻度分别为________、________.

图22

(3)校准

红、黑表笔短接，调节滑动变阻器，使欧姆表指针指向________ kΩ处；将红、黑表笔与电阻箱连接，记录多组电阻箱接入电路的电阻值及欧姆表上对应的测量值，完成校准数据测量．若校准某刻度时，电阻箱旋钮位置如图23所示，则电阻箱接入的阻值为________ Ω.

图23

答案　(1)如图所示　900　R1

(2)45　5　(3)0　35 000.0

解析　(1)由题知当两表笔间接入15 kΩ的电阻时，电流表示数为50 μA，由闭合电路欧姆定律有＝，代入数据解得R＝900 Ω，所以滑动变阻器选择R1.

(2)欧姆表的内阻Rg′＝Rg＋r＋R0＋R＝15 kΩ，当电流为25 μA时，有＝，可得Rx′＝45 kΩ；当电流为75 μA时，有＝，可得Rx″＝5 kΩ.

(3)红、黑表笔短接，调节滑动变阻器，使欧姆表指针指向0 kΩ处．题图中电阻箱读数为35 000.0 Ω.

1．电学实验器材的选取

选择电学实验器材主要是选择电表、滑动变阻器、电源等，一般要考虑四方面因素：

(1)安全因素：通过电源、电阻和电表的电流不能超过其允许的最大电流．

(2)误差因素：选用电表量程应考虑尽可能减小测量值的相对误差，电压表、电流表在使用时，其指针应偏转到满偏刻度的以上；使用欧姆表时应选用指针尽可能在中间刻度附近的倍率挡位．

(3)便于操作：选用滑动变阻器时应考虑对外供电电压的变化范围既能满足实验要求，又便于调节．在调节滑动变阻器时，应使其大部分电阻线都被用到．

(4)实验实际：除以上三个因素外，还应注重实验实际，如所用的电源与滑动变阻器的匹配问题等．

2．实物图连接的注意事项

(1)画线连接各元件，一般先从电源正极开始，按照电路原理图依次到开关，再到滑动变阻器，按顺序以单线连接方式将主电路中串联的元件依次串联起来；其次将要并联的元件再并联到电路中去．

(2)连线时要将导线接在接线柱上，两条导线不能交叉．

(3)要注意电表的量程和正、负接线柱，要使电流从电表的正接线柱流入，从负接线柱流出．

例7　为测量某微安表G(量程200 μA，内阻大约2 200 Ω)的内阻，有以下器材可供选择：

A．电压表(0～3 V)；

B．电压表(0～15 V)；

C．滑动变阻器(0～10 Ω)；

D．滑动变阻器(0～1 kΩ)；

E．电源E(电动势约为6 V)

F．电阻箱RZ(最大阻值为9 999 Ω)

开关S一个，导线若干．

图24

(1)按图24甲所示电路图将图乙中的实物连线．

(2)实验过程为：合上开关S，先调节R使电压表读数为U，再调节电阻箱(此时电压表读数几乎不变)，使微安表指示为满偏，记下此时电阻箱阻值为R1＝8 056 Ω；

然后再调节R，使电压表读数为U，再调节电阻箱(此时电压表读数几乎不变)，使微安表指示为满偏，记下此时电阻箱阻值为R2(如图25所示)．

图25

电压表应选________，滑动变阻器应选________．(填字母代号)

电阻箱的读数R2＝________ Ω，待测微安表的内阻Rg＝________ Ω.

答案　 (1)见解析图　(2)A　C　4 653　2 153

解析　(1)根据电路图，实物连线如图所示．

(2)因为电源电动势约为6 V，B电压表量程太大，故电压表选A，但操作时，需注意不能超过A电压表的量程．要使调节电阻箱时电压表读数几乎不变，微安表内阻应远大于滑动变阻器阻值，故滑动变阻器选C；由题图可知，电阻箱的读数R2＝4 653 Ω；

由题意有(Rg＋R1)Ig＝U，(Rg＋R2)Ig＝U，

联立解得，待测微安表的内阻Rg＝2 153 Ω.

变式5　(2019·河北中原名校联盟下学期联考)实验台上备有下列器材：

A．电流表(量程500 μA，内阻约为300 Ω)；

B．电流表(量程100 μA，内阻约为1 kΩ)；

C．电压表(量程15 V，内阻约100 kΩ)；

D．电压表(量程6 V，内阻约6 kΩ)；

E．直流电源(15 V，允许最大电流1 A)；

F．滑动变阻器(最大阻值100 Ω，额定功率1 kW)

G．开关和导线若干．

某同学用供选器材设计了测一个阻值约30 kΩ电阻的实验，电路如图26所示(电路还没有完全接好)．

图26

(1)实验中所用的电流表应选________，电压表应选________．(填器材前的字母)

(2)请用笔画线代替导线将尚未连接好的电压表连入电路中．

(3)开关闭合前，滑动变阻器的滑片P应置于________(填“a”或“b”)处．

(4)正确连接电路后，无论如何调节滑动变阻器的滑片，电压表和电流表示数均不能取到较小值，其原因可能是导线________(填图中导线代号)没有连接好．

答案　(1)A　C　(2)见解析图　(3)b　(4)④

解析　(1)待测电阻Rx的阻值约为30 kΩ，直流电源电动势为15 V，经粗略计算电路中的最大电流约为Imax＝＝500 μA，所以电流表选择A；由于电压表D的量程不足，所以电压表选择C.

(2)在题图所示电路中，电流表内阻约为300 Ω，电压表内阻约为100 kΩ，由串、并联电路规律得，电流表的分压作用小于电压表的分流作用，故电流表应采用内接法，实物连线如图所示．

(3)实验前，分压电路的电压应该是0，故滑动变阻器的滑片P应置于b端．

(4)实验中无论如何调节滑动变阻器的滑片，电压表和电流表示数均不能取到较小值，是由于滑动变阻器接成限流式，因此是导线④没有连接好．