2021版高考物理（基础版）一轮复习学案：第八章　7素养探究课（六）　科学探究——电学实验基础

素养探究课(六)　科学探究——电学实验基础

　基本仪器的使用和读数[学生用书P184]
【题型解读】
1．螺旋测微器的原理和读数

(1)原理：测微螺杆与固定刻度之间的精密螺纹的螺距为0.5 mm，即旋钮每旋转一周，测微螺杆前进或后退0.5 mm，而可动刻度上的刻度为50等份，每转动一小格，测微螺杆前进或后退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．
(2)读数：测量值(mm)＝固定刻度读数(注意半毫米刻线是否露出)＋可动刻度读数(估读一位)．
2．游标卡尺的原理和读数

(1)原理：利用主尺的分度值与游标尺的分度值的差值制成．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的长度少1 mm.
(2)读数：若用x表示由主尺上读出的整毫米数，K表示从游标尺上读出的与主尺上某一刻线对齐的游标尺上的格数，则记录结果表达为x＋K×精确度．
3．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，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的电流表读数方法相同，此量程下的精确度是0.1 V或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，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”，即读到分度值的一半0.01 A.
【典题例析】
(1)如图甲所示的三把游标卡尺，它们的游标尺从上至下分别为9 mm长10等分、19 mm长20等分、49 mm长50等分，它们的读数依次为________mm，______mm，________mm.

(2)使用螺旋测微器测量金属丝的直径，示数如图乙所示，则金属丝的直径是________mm.
(3)①图丙使用0.6 A量程时，对应刻度盘上每一小格代表________A，图中表针示数是________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.
②图丁使用较小量程时，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.

(4)旋钮式电阻箱如图所示，电流从接线柱A流入，从B流出，则接入电路的电阻为____________Ω.现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，则可得到的电阻值范围为____________．

[解析]　(1)甲图最上面图读数：整毫米是17，不足1毫米数是7×0.1 mm＝0.7 mm，最后结果是17 mm＋0.7 mm＝17.7 mm.
甲图中间图读数：整毫米是23，不足1毫米数是17×0.05 mm＝0.85 mm，最后结果是23 mm＋0.85 mm＝23.85 mm.
甲图最下面图读数：整毫米是3，不足1毫米数是9×0.02 mm＝0.18 mm，最后结果是3 mm＋0.18 mm＝3.18 mm.　
(2)固定刻度示数为2.0 mm，不足半毫米的从可动刻度上读，其示数为15.0，最后的读数：2.0 mm＋15.0×0.01 mm＝2.150 mm.　
(3)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.
(4)电阻为1 987 Ω.最简单的操作方法是先将“×1 k”挡旋钮调到2，再将“×100”挡旋钮调到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.
[答案]　(1)17.7　23.85　3.18　(2)2.150
(3)①0.02　0.44　0.1　2.20　②0.1　1.70　0.5　8.5
(4)1 987　将“×1 k”挡旋钮调到2，再将“×100”挡旋钮调到0　0～19 998 Ω
某同学利用游标卡尺和螺旋测微器分别测量一圆柱体工件的直径和高度，测量结果如图(a)和(b)所示．该工件的直径为____________cm，高度为____________mm.

解析：图(a)为20分度的游标卡尺，其精度为0.05 mm.主尺读数为12 mm，游标尺上第4条刻线与主尺上的一条刻线对齐，故测量结果为12 mm＋4×0.05 mm＝12.20 mm＝1.220 cm.螺旋测微器的精度为0.01 mm，由图(b)知固定刻度读数为6.5 mm，可动刻度读数为“36.0”，故工件的高度为6.5 mm＋36.0×0.01 mm＝6.860 mm.
答案：1.220　6.860
　测量电路和控制电路设计[学生用书P185]
【题型解读】
1．电流表的内接法和外接法

内接法
外接法
电路图


误差原因
电流表分压，U测＝Ux＋UA
电压表分流，I测＝Ix＋IV
电阻测量值
R测＝＝Rx＋RA>Rx，测量值大于真实值
R测＝＝ 适用条件
RA≪Rx
RV≫Rx
适用于测量
大电阻
小电阻
2.滑动变阻器的限流式接法和分压式接法
(1)两种接法的比较(不考虑电源内阻)


限流式接法
分压式接法
对比说明
两种接法电路图


串、并联关系不同
负载R上电压调节范围
≤U≤E(R0为滑动变阻器最大阻值)
0≤U≤E
分压电路调节范围大
负载R上电流调节范围
≤I≤
(R0为滑动变阻器最大阻值)
0≤I≤
分压电路调节范围大
闭合S前滑片P位置
b端
a端
都是为了保护电路元件
由上表可看出：滑动变阻器的分压式接法中，电压和电流的调节范围很大，限流式接法较节能．
(2)必须选用分压式接法的三种情况
①若采用限流式接法不能控制电流(或电压)满足实验要求，即若滑动变阻器阻值调到最大时，待测电阻上的电流(或电压)仍超过电流表(或电压表)的量程，或超过待测电阻的额定电流(或电压)，则必须选用分压式接法．
②若待测电阻的阻值比滑动变阻器总电阻大得多，以致在限流电路中，滑动变阻器的滑片从一端滑到另一端时，待测电阻上的电流或电压变化范围不够大，此时应改用分压式电路．
③若实验中要求电压从零开始调节，则必须采用分压式电路．
【典题例析】
在伏安法测电阻的实验中，待测电阻Rx约为200 Ω，电压表V的内阻约为2 kΩ，电流表A的内阻约为10 Ω，测量电路中电流表的连接方式如图(a)或图(b)所示，结果由公式Rx＝计算得出，式中U与I分别为电压表和电流表的示数．若将图(a)和图(b)中电路测得的电阻值分别记为Rx1和Rx2，则____________(填“Rx1”或“Rx2”)更接近待测电阻的真实值，且测量值Rx1____________(填“大于”“等于”或“小于”)真实值，测量值Rx2____________(填“大于”“等于”或“小于”)真实值.

[解析]　＝20，＝10，因此Rx属于大电阻，用电流表内接法时测量值更接近真实值，即Rx1更接近真实值；因Rx1＝＝Rx＋RA，故Rx1>Rx，Rx2＝＝R并(即Rx与RV的并联值)，故Rx2 [答案]　Rx1　大于　小于
有一个电阻Rx，其阻值大约是10 Ω，请选择适当的器材，以便测量其阻值．可供选择的电路如图甲、乙所示，可供选择的器材如下：

A．电动势为4.5 V、内阻不计的电源E
B．量程为0～15 V、内阻10 kΩ的电压表V1
C．量程为0～3 V、内阻6 kΩ的电压表V2
D．量程为0～300 mA、内阻4 Ω的电流表A1
E．量程为0～5 A、内阻2 Ω的电流表A2
F．最大阻值20 Ω、额定电流1.5 A的滑动变阻器R1
G．最大阻值500 Ω、额定电流0.5 A的滑动变阻器R2
H．开关和若干根导线．
则选用的电路是____________(填“甲”或“乙”)，选用的器材有____________(填器材前的字母序号).
解析：Rx的阻值大约为10 Ω，与电流表内阻接近，因此采用电流表外接法；同时Rx的阻值小于滑动变阻器的最大阻值，因而采用限流式接法，故选用甲图电路．电源电动势E＝4.5 V，E＝Im(Rx＋RA)，Im＝ A＝0.321 A＝321 mA或Im＝ A＝0.375 A＝375 mA，与电流表A1的最大测量值接近，故电流表选D.U＝ImRx＝0.321×10 V＝3.21 V，因而电压表选C.滑动变阻器R2的最大阻值为500 Ω，与Rx偏差太大，因此滑动变阻器选F.
答案：甲　A、C、D、F、H
　实验器材的选取和实物图连接[学生用书P186]
【题型解读】
1．电学实验仪器的选择
选择电学实验器材主要是选择电表、滑动变阻器、电源等器材，一般要考虑以下三个方面的因素：
(1)安全因素：通过电源、电阻和电表的电流均不能超过其允许的最大电流．
(2)误差因素：选用不同量程的电表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；使用多用电表的欧姆挡时宜选用指针尽可能在中间刻线附近的倍率挡位．
(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可以被用到．
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、滑动变阻器，按顺序将主电路中串联的元件依次连接起来；再将要并联的元件并联到电路中去．
(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，要使电流从电表选用量程所对应的正接线柱流入，从负接线柱流出．
【典题例析】

为了测量一电阻的阻值Rx，现有以下器材：蓄电池E，电流表A，电压表V，滑动变阻器R，电阻箱RP，开关S1、S2，导线若干．某活动小组设计了如图甲所示的电路．实验的主要步骤如下：
A．闭合S1，断开S2，调节R和RP，使电流表和电压表示数合适，记下两表示数分别为I1、U1；
B．闭合S2，保持R与RP阻值不变，记下电流表和电压表示数分别为I2、U2.
(1)按电路图在实物图乙上连线．

(2)写出被测电阻的表达式Rx＝____________(用两电表的读数表示).
(3)由于电流表、电压表都不是理想电表，则被测电阻的测量值____________(选填“大于”“小于”或“等于”)真实值.
[解析]　(1)实物连线如图所示．

(2)由欧姆定律可得，第一次测量的电阻为电压表和RP的并联电阻，即＝R并；第二次测量的电阻为电压表、Rx和RP的并联电阻，即＝，联立解得Rx＝.
(3)书写被测电阻表达式时已考虑电表内阻对被测电阻的影响，由其表达式可知，电流表、电压表内阻不影响被测电阻的测量，故其测量值等于真实值．
[答案]　(1)图见解析　(2)　(3)等于
“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，小灯泡的额定电压为2.5 V，额定功率为0.5 W，实验中除导线和开关外，还有以下器材可供选择：
A．直流电源3 V(内阻不计)
B．直流电流表0～300 mA(内阻约为5 Ω)
C．直流电流表0～3 A(内阻约为0.025 Ω)
D．直流电压表0～3 V(内阻约为3.0 kΩ)
E．滑动变阻器100 Ω，0.5 A
F．滑动变阻器10 Ω，2 A
实验要求小灯泡两端的电压从零开始变化并能进行多次测量．
(1)实验中电流表应选用____________，滑动变阻器应选用____________．(均填写仪器前的字母)
(2)应选择下图中哪一个电路图进行实验？________.

(3)如图甲是此实验的器材实物图，图中已连接了部分导线．请根据在上问中所选的电路图，补充完成图中实物间的连线．

(4)开关S闭合之前，图甲中滑动变阻器的滑片应该置于____________．(选填“左端”“右端”或“正中间”)
(5)根据实验数据，画出小灯泡I－U图线如图乙所示．由此可知，当电压为0.5 V时，小灯泡的灯丝电阻是____________Ω.
(6)根据实验测量结果可以绘制小灯泡的电功率P随其两端电压U或电压的平方U2变化的图象，在下列选项中所给出的A、B、C、D图象中可能正确的是____________.

答案：(1)B　F　(2)A　(3)如图所示　(4)左端
(5)5.0　(6)AC


(建议用时：40分钟)
1．如图甲所示为某次测量时电压表的刻度盘的情形，若当时使用的是该表0～3 V的量程，那么电压表读数为____________V；若当时使用的是该表0～15 V的量程，那么电压表读数应为____________V．如图乙所示的电阻箱的读数为____________Ω.
　
解析：电压表0～3 V量程对应的分度值是0.1 V，读数时要估读到分度值的下一位，所以读数为1.15 V(由于最后一位是估读的，有偶然误差，读成1.14～1.16 V都算正确)．电压表0～15 V量程对应的分度值为0.5 V，只要求读到0.1 V这一位，所以读数为5.7 V(5.6～5.8 V都算正确)．图乙中的电阻箱有6个旋钮，每个旋钮上方都标有倍率，将每个旋钮上指针所指的数值(都为整数)乘各自的倍率，从最高位依次往下读，即可得到电阻箱的读数为84 580.2 Ω.
答案：1.15(1.14～1.16均可)　5.7(5.6～5.8均可)
84 580.2
2．(2020·山西长治质检)电压表满偏时通过该表的电流是半偏时通过该表电流的两倍．某同学利用这一事实测量电压表的内阻(半偏法)，实验室提供的器材如下：
待测电压表V(量程3 V，内阻约为3 000 Ω)，电阻箱R0(最大阻值为99 999.9 Ω)，滑动变阻器R1(最大阻值100 Ω，额定电流2 A)，电源E(电动势6 V，内阻不计)，开关两个，导线若干．
(1)虚线框内为该同学设计的测量电压表内阻的电路图的一部分，将电路图补充完整．

(2)根据设计的电路，写出实验步骤：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________.
(3)将这种方法测出的电压表内阻记为R′V，与电压表内阻的真实值RV相比，R′V________RV(填“>”“＝”或“<”)，主要理由是________________________________________________________________________．
解析：

(1)因滑动变阻器阻值较小，所以选择滑动变阻器的分压接法．实验电路图如图所示．
(2)移动滑动变阻器的滑片，以保证通电后电压表所在支路分压最小；闭合开关S1、S2，调节R1，使电压表的指针满偏；保持滑动变阻器滑片的位置不变，断开S2，调节电阻箱R0，使电压表的指针半偏；读取电阻箱所示的电阻值，此即为测得的电压表内阻．
(3)断开S2，调节电阻箱使电压表成半偏状态，电压表所在支路总电阻增大，分得的电压也增大；此时R0两端的电压大于电压表的半偏电压，故R′V＞RV(其他合理说法也可以)．
答案：见解析
3．为测量“12 V　5 W”的小灯泡在不同电压下的功率，给定了以下器材：
电源：电动势为12 V，内阻不计；
电流表：量程0～0.6 A、0～3 A，内阻约为0.2 Ω；
电压表：量程0～3 V、0～15 V，内阻约为15 kΩ；
滑动变阻器：0～20 Ω，允许通过的最大电流1 A；
开关一个，导线若干．
实验要求加在小灯泡上的电压可从零开始调节．
(1)以下四个电路图你认为最合适的是____________.

(2)在本实验中，电流表的量程应选____________.
解析：(1)C与D两图中滑动变阻器采用限流式接法，不符合电压从零开始调节的要求．小灯泡正常发光时的电阻RL＝＝ Ω＝28.8 Ω，＝144，＝520.8，由于<，故电流表应采用外接法，选A.
(2)小灯泡的额定电流I额＝＝ A≈0.4 A，故电流表量程应选0～0.6 A.
答案：(1)A　(2)0～0.6 A
4．(2020·湖南长沙模拟)现要测量电流表G1的内阻，给出下列器材：
电流表G1(量程5 mA，内阻r1约为150 Ω)；电流表G2(量程10 mA，内阻r2约为100 Ω)；定值电阻 R1＝100 Ω；定值电阻R2＝10 Ω；滑动变阻器R3(0～200 Ω)；干电池E(1.5 V，内阻未知)；单刀单掷开关S；导线若干．
(1)定值电阻选____________；
(2)在虚线框中已画出部分实验电路设计图，请补充完整，并标明所用器材的代号；

(3)若选测量数据中的一组计算r1，所用的表达式r1＝__________，式中各符号的意义是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________.
解析：(1)若选R2，则其阻值太小，电流过大，而R1与G1内阻相当，故选R1.
(2)

电路图如图所示：G2的示数与G1的示数之差为通过R1的电流值．
(3)由串、并联电路特点：I1r1＝R1(I2－I1)，得r1＝R1，I1、I2分别表示电流表G1、G2的示数，R1表示定值电阻R1的阻值．
答案：(1)R1　(2)图见解析
(3)R1　I1、I2分别表示电流表G1、G2的示数，R1表示定值电阻R1的阻值
5．(2020·山东威海检测)电流表A1的量程为0～200 μA，内阻约为500 Ω，现要测其内阻，除若干开关、导线之外还有器材如下：
电流表A2：与A1规格相同
滑动变阻器R1：阻值0～20 Ω
电阻箱R2：阻值0～9 999 Ω
保护电阻R3：阻值约为3 kΩ
电源：电动势E约1.5 V，内阻r约2 Ω

(1)如图所示，某同学想用替代法测量电流表内阻，他设计了部分测量电路，在此基础上请你将滑动变阻器接入电路中，使实验可以完成．
(2)电路补充完整后，请你完善以下测量电流表A1内阻的实验步骤．
a．先将滑动变阻器R1的滑动端移到使电路安全的位置，再把电阻箱R2的阻值调到________(填“最大”或“最小”).
b．闭合开关S1、S，调节滑动变阻器R1滑片，使两电流表的指针在满偏附近，记录电流表A2的示数I.
c．断开S1，保持S闭合、R1不变，再闭合S2，调节电阻箱R2，使电流表A2的示数____________，读出此时电阻箱的示数R2，则电流表A1的内阻r1＝____________.

解析：(1)滑动变阻器的阻值远小于待测电流表内阻，因此必须采用分压接法，电路图如图所示．
(2)a.实验前R2应该调节到最大，以保证电表安全；c.替代法最简单的操作是让A2示数不变，则可直接从R2的读数得到电流表的内阻值．
答案：(1)见解析图
(2)a.最大　c．再次为I(或仍为I)　R2
6．一只小灯泡标有“3 V，0.6 W”字样，现用下面给出的器材测量该小灯泡正常发光时的电阻：电源(电动势为12 V、内阻为1 Ω)，最大阻值为5 Ω的滑动变阻器，电流表(内阻为1 Ω)，电压表(内阻为10 kΩ)，开关一个，导线若干．
(1)在设计电路的过程中，为了尽量减小实验误差，电流表应采用____________(选填“内接”或“外接”)法，滑动变阻器应采用____________(选填“分压式”或“限流式”)接法.
(2)在虚线框内画出你所设计的实验电路图(尽量减小实验误差)．




解析：(1)因小灯泡正常工作时的电阻约为Rx＝＝15 Ω，而电流表、

电压表的内阻分别为1 Ω和10 kΩ，满足RV≫Rx，电流表应采用外接法；实验中因小灯泡两端的电压只需3 V，而电源电动势为12 V，所以滑动变阻器应采用分压式接法．
(2)实验电路图如图所示．
答案：(1)外接　分压式　(2)图见解析
7．硅光电池在无光照时不产生电能，可视为一电子元件．某实验小组设计如图甲所示电路，给硅光电池加反向电压(硅光电池负极接高电势点，正极接低电势点)，探究其在无光照时的反向伏安特性．图中电压表V1量程选用0～3 V，内阻为6.0 kΩ；电压表V2的量程选用0～15 V，内阻约为30 kΩ；R0为保护电阻；直流电源电动势E约为12 V，内阻不计．
(1)根据图甲，用笔画线代替导线，将图乙连接成完整电路．


(2)用遮光罩罩住硅光电池，闭合开关S，调节变阻器R，读出电压表V1、V2的示数U1、U2.
①某次测量时，电压表V1的示数如图丙，则U1＝____________V，可算出通过硅光电池的反向电流大小为____________mA(结果保留2位小数).
②该小组测出大量数据，筛选出下表所示的9组U1、U2数据，算出相应的硅光电池两端反向电压Ux和通过的反向电流Ix(表中“－”表示反向)，并在坐标纸上建立Ix－Ux坐标系，标出了与表中前5组Ux、Ix数据对应的5个坐标点．请你标出余下的4个坐标点，并绘出Ix－Ux图线．

1
2
3
4
5
6
7
8
9
U1/V
0.00
0.00
0.06
0.12
0.24
0.42
0.72
1.14
1.74
U2/V
0.0
1.0
2.1
3.1
4.2
5.4
6.7
8.1
9.7
Ux/V
0.0
－1.0
－2.0
－3.0
－4.0
－5.0
－6.0
－7.0
－8.0
Ix/mA
0.00
0.00
－0.01
－0.02
－0.04
－0.07
－0.12
－0.19
－0.29

③由Ix－Ux图线可知，硅光电池无光照下加反向电压时，Ix与Ux成____________(填“线性”或“非线性”)关系.
解析：(2)①V1选用的是0～3 V量程，则刻度盘的分度值为0.1 V，按“十分之一”估读法应估读到0.01 V，故读得结果为1.40 V．因V1与硅光电池串联，故通过硅光电池的反向电流与通过V1的电流相同：I＝＝＝0.23 mA.
③因Ix－Ux图线为一条曲线，故Ix与Ux成非线性关系．
答案：(1)连线如图

(2)①1.40　0.23　②描点绘出Ix－Ux图线如图
③非线性