高考专题复习电学实验中仪器的选择及电路设计问题.docx
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高考专题复习电学实验中仪器的选择及电路设计问题
电学实验中仪器的选择及电路设计问题
一、内容概述:
1.主要题型:
填空题、连线题、画图题
2.命题特点
(1)分析近几年的高考,考查的方向基本不变,主要体现在:
①基本仪器的使用及读
致.②电表的改装、仪器的选择。
②以测量电阻、电源电动势为核心的电学实验.①实验
原理的理解、实验数据的分析以及实验的设计方面。
(2)基本仪器的使用仍是今后高考中考查的热点,同时注重对实验操作过程的考查和
创新设计实验的考查。
3.思想方法
常用方法:
等效替代法、控制变量法、累积法。
滑动变阻器的接法:
分压式、限流式。
电流表的接法:
内接法、外接法。
题型一:
多用电表的使用:
核心知识
1.多用表的电流
多用表的电压和电流
2.“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定位概丝;“欧姆
零点”在表盘刻度的右侧电阻刻度“0”位置,调整的是欧姆挡的调零放钮。
3.欧姆表刻度不均匀的原因
当红黑表笔短接时,调节滑动变阻器R0(即欧姆调零),使灵敏电流计满偏,
此时中值电阻
当两表笔接入电阻Rx时
,电阻Rx与电路中的电流相对应,但不是线性关系,故欧姆表刻度不均匀。
规律方法:
“使用多用电表测电阻”的步骤
步骤一:
机械调零。
步骤二:
选倍率,一般要选择比被测电阻的估计值低一个数量级的倍率,如估计值为200Ω就应该选×10的倍率,使指针的偏转角度在满偏的
之间
步骤三:
进行欧姆调零。
步骤四:
将红黑表笔接在被测电阻的两端进行测量,将指针示数乘以倍率得测量值。
步骤五:
测量结束后,将选择开关旋至OFF或交流电压最高挡。
特别注意:
用欧姆挡测电阻时,如果指针编转角度太小(即指针所指的欧姆刻度值太大),应该适当增大倍率重新调零后再测量;如果指计偏转角度太大(即指针所指的欧姆刻度值太小),应该适当减小倍率重新调零后再测量。
典例1、
(1)①图甲用0.6A量程时,对应刻度盘上每一小格代表________A,表针的示数是________A;当使用3A量程时,对应刻度盘上每一小格代表________A,图中表针示数为________A.
②图乙使用较小量程时,每一小格表示________V,图中指针的示数为________V.若使用的是较大量程,则这时表盘刻度每小格表示________V,图中表针指示的是________V.
(2)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.今欲将接入电路的电阻改为2087Ω,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________.
典例2.某同学通过实验制作一个简易的温控装置,实验原理电路图如图甲所示,继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器R串联接在电源E两端,当继电器的电流超过15mA时,衔铁被吸合,加热器停止加热,实现温控.继电器的电阻约20Ω,热敏电阻的阻值Rt与温度t的关系如下表所示.
t/℃
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
Rt/Ω
199.5
145.4
108.1
81.8
62.9
49.1
(1)提供的实验器材有:
电源E1(3V,内阻不计)、电源E2(6V,内阻不计)、滑动变阻器R1(0~200Ω)、滑动变阻器R2(0~500Ω)、热敏电阻Rt、继电器、电阻箱(0~999.9Ω)、开关S、导线若干.
为使该装置实现对30~80℃之间任一温度的控制,电源E应选用________(填“E1”或“E2”),滑动变阻器R应选用________(填“R1”或“R2”).
(2)实验发现电路不工作.某同学为排查电路故障,用多用电表测量各接点间的电压,则应将如图乙所示的选择开关旋至________(填“A”“B”“C”或“D”).
(3)合上开关S,用调节好的多用电表进行排查.在图甲中,若只有b、c间断路,则应发现表笔接入a、b时指针________(填“偏转”或“不偏转”),接入a、c时指针________(填“偏转”或“不偏转”).
(4)排除故障后,欲使衔铁在热敏电阻为50℃时被吸合,下列操作步骤的正确顺序是________.(填写各步骤前的序号)
①将热敏电阻接入电路
②观察到继电器的衔铁被吸合
③断开开关,将电阻箱从电路中移除
④合上开关,调节滑动变阻器的阻值
⑤断开开关,用电阻箱替换热敏电阻,将阻值调至108.1Ω
题型二、以测电阻为核心的电学实验
1、电流表内接法与外接法的判断方法
(1)比值判断法
若
,应选用内接法;若
,应选用外接法。
(2)临界值判断法
若
,应选用内接法;若
,应选用外接法:
若
,内外接法都可以。
(3)试触法
若电流表示数较电压表示数变化明显,说明外接时电压表分流作用大,应采用内接法:
若电压表示数校电流表示数变化明显,说明内接时电流表的分压作用大,应采用外按法。
2.滑动变阳器限流接法与分压接法的选取原则
1)限流式接法选取原则
一般在滑动变阻器总电阻R0与用电器电阻Rx相差不大时,若既不要求较大范围内调节电流和电压,又不要求从零开始读数,则优先选择限流式接法。
(2)分压式接法选取原则
①滑动变阻器的总电阻R0运小于用电器电阻Rx,或电路中串联的其他电阻的阻值,即
②要求用电器Rx的电流或电压从零开始连续变化:
.
③采用限流式接法时,电路中的最小电流大于用电器Rx的额定电流,或给定的仪表
量程偏小。
三条中满足一条,采用分压接法。
典例1.在把电流表改装成电压表的实验中,需要利用如图所示的电路测定电流表的内阻,其主要操作步骤如下:
①接通S1,调节R1,使电流表指针偏转到满刻度;
②再接通S2,调节R2,使电流表指针偏转到满刻度的一半;
③读出R2的阻值,即可认为电流表的内阻rg=R2.
现备有如下器材:
A.电流表(量程0~100μA,内阻约为100Ω)
B.电阻箱(范围0~9.9Ω)
C.电阻箱(范围0~999.9Ω)
D.电阻箱(范围0~99999Ω)
E.电源(电动势3V,内阻不计)
F.电源(电动势6V,内阻不计)
G.开关和若干导线
(1)电路图中R1应选________,R2应选________,电源应选________.(填入所选器材的字母代号)
(2)实验中读得R2的阻值为100Ω,若将此电流表改装成量程为3V的电压表,应________联一个阻值为________Ω的电阻.
(3)若用此改装表去测量一稳恒电压,则测量值和真实值相比________.(填“偏大”或“偏小”)
典例2.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
(量程3V,内阻约为3000Ω),电阻箱R0(最大阻值为99999.9Ω),滑动变阻器R1(最大阻值100Ω,额定电流2A),电源E(电动势6V,内阻不计),开关2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RV′,与电压表内阻的真实值RV相比,RV′________RV(填“>”“=”或“<”),主要理由是_______________________________.
典例3.某校高二(3)班同学正在做“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验,所有同学使用的小灯泡为同一型号,额定电压为2.5V,电路中所有元件都完好,且电压表和电流表已调零.闭合开关后,一些同学的实验电路出现了如下故障,请你分析出可能存在的问题(图甲中导线分别用a、b、c、d、e、f、g和h表示).
(1)若电压表的示数为2V,电流表的示数为零,小灯泡不亮,则断路的导线为________.
(2)若电压表的示数为零,电流表的示数为0.3A,小灯泡亮,则断路的导线为________.
(3)若反复调节滑动变阻器,小灯泡亮度发生变化,但电压表、电流表的示数不能调为零,则断路的导线为________.
(4)某位同学描绘出小灯泡的伏安特性曲线如图乙所示,小灯泡电阻随温度的升高而________(填“变大”“变小”或“不变”).
(5)该同学把3个这样的小灯泡接入如图丙所示的电路,发现A灯泡恰好正常发光.已知电源电动势为4.5V,则该电源内阻r=________Ω(保留3位有效数字).
题型三、以测电动势为核心的电学实验
测电源电动势和内阻实验的数据处理方法
(1)联立方程求解法
(2)图像处理法
对于不同的电路设计,在作图像时都要画出倾斜直线,即得到有关电动势和内阻的一次函数关系,再利用图像中的倾斜与截距求解。
(3)注意:
当电流表或电压表量程不符合实验要求时,要考虑改装电表进行测量,所以有时也会用两个电流表或两个电压表来进行测量。
典例1.一直流电压表,量程为1V,内阻为1000Ω,现将一阻值为5000~7000Ω之间的固定电阻R1与此电压表串联,以扩大电压表的量程.为求得扩大后量程的准确值,再给定一直流电源(电动势E为6~7V,内阻可忽略不计),一阻值R2=2000Ω的固定电阻,两个单刀开关S1、S2及若干导线.
(1)为达到上述目的,将电路图5连成一个完整的实验电路图.
(2)连接完成以后,当S1与S2均闭合时,电压表的示数为0.90V;当S1闭合,S2断开时,电压表的示数为0.70V,由此可以计算出改装后电压表的量程为________V,电源电动势为________V.
典例2:
用如图所示电路测量电源的电动势和内阻.实验器材:
待测电源(电动势约3V,内阻约2Ω),保护电阻R1(阻值10Ω)和R2(阻值5Ω),滑动变阻器R,电流表A,电压表V,开关S,导线若干.
实验主要步骤:
(ⅰ)将滑动变阻器接入电路的阻值调到最大,闭合开关;
(ⅱ)逐渐减小滑动变阻器接入电路的阻值,记下电压表的示数U和相应电流表的示数I;
(ⅲ)以U为纵坐标,I为横坐标,作U-I图线(U、I都用国际单位);
(ⅳ)求出U-I图线斜率的绝对值k和在横轴上的截距a.
回答下列问题:
(1)电压表最好选用________;电流表最好选用________.
A.电压表(0~3V,内阻约15kΩ)
B.电压表(0~3V,内阻约3kΩ)
C.电流表(0~200mA,内阻约2Ω)
D.电流表(0~30mA,内阻约2Ω)
(2)滑动变阻器的滑片从左向右滑动,发现电压表示数增大.两导线与滑动变阻器接线柱连接情况是________.
A.两导线接在滑动变阻器电阻丝两端的接线柱
B.两导线接在滑动变阻器金属杆两端的接线柱
C.一条导线接在滑动变阻器金属杆左端接线柱,另一条导线接在电阻丝左端接线柱
D.一条导线接在滑动变阻器金属杆右端接线柱,另一条导线接在电阻丝右端接线柱
(3)选用k、a、R1和R2表示待测电源的电动势E和内阻r的表达式,E=________,r=________,代入数值可得E和r的测量值.
典例3.实验室有一个标签看不清的旧蓄电池和定值电阻R0,为测定旧蓄电池的电动势和定值电阻R0的阻值,实验室提供如下器材;
A.电压表V(量程6V,内阻约为4kΩ)
B.电流表A(量程1A,内阻RA=10Ω)
C.滑动变阻器R1(最大阻值20Ω,额定电流2A)
D.电阻箱R(阻值范围0~9999Ω)
(1)为了测定定值电阻R0的阻值,甲同学选用了上述器材设计了一个能较准确测出其阻值的电路,如图是其对应的实物图,请你将实物连线补充完整.
(2)为测出旧蓄电池的电动势E,乙同学选用了上述器材设计了如图所示的电路图.下表是该同学测得的相关数据,请利用测得的数据在坐标纸上画出合适的图象,并根据画出的图象求得该蓄电池的电动势E=________V.(结果保留2位有效数字)
实验次数
1
2
3
4
5
R/Ω
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
I/A
0.83
0.50
0.36
0.26
0.22
/A-1
1.2
2.0
2.8
3.7
4.5
(3)丙同学直接用电压表接在该蓄电池两极读出电压表的读数,其结果与乙同学测得的电动势相比________(填“偏大”“相等”或“偏小”).
3、总结归纳:
测电阻实验时仪表的选择及接法
(1)仪表选择的三个主要原则:
安全性(量程不能太小)、准确性(量程不能太大)、方便性(滑动变阻器要方便调节).
(2)选择电流表内外接法的口诀:
“好表要内接”(越接近理想电流表,其分压的影响越小)或“内大大”大电阻适合电流表内接法,测量值比实际值偏大)。
(3)选择滑动变阻器接法的口决:
“以小控大用分压”(并联总电阻主要由小电阻决定。
并联总电流主要由电阻小的支路决定,故并联电路对小电用的变化更敏感,即小电阻控制着大电阻。
(4)电表有时可反常规使用:
己知内阻的电压表可当电流表使用。
已知内阻的电流表
可当电压表使用。
(5)定值电阻的常见用途:
保护电路、分压或分流。
(6)电压表量程的选择,比电源电动势略大或相差不多,
(7)电流表量程的选择,和电压表量程与被测电阻的比值相差不多
电路实验都是有规律可寻的,明确实验目的,找到相对应的物理知识点,建立公式求解即可,
特别是测电动势和内阻实验中,整理出相关量的一次函数然后结合图像找斜率和截距的物理意义。
四、强化训练:
1.在做“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验时,所使用的电流表内阻约为几欧,电压表的内阻约为十几千欧.实验中通过描点连线得到了小灯泡的伏安特性曲线如图甲所示.
(1)请用笔画线代替导线完成图乙所示的实物连接.
(2)根据图甲,可确定小灯泡的功率P与U2或I2的关系.下列图象中正确的是________.
(3)将被测小灯泡与一定值电阻R和电源串联成图所示的电路.电源的电动势为8V,内阻为1Ω.现测得电路中的电流为0.2A,则定值电阻R所消耗的电功率为________W.
2.某研究性学习小组利用伏安法测定某一电池组的电动势和内阻,实验原理如图所示,其中,虚线框内为灵敏电流计,G为改装的电流表A,V为标准电压表,E为待测电池组,S为开关,R2为滑动变阻器,R1是标称值为5.0Ω的定值电阻.
(1)已知灵敏电流计G的满偏电流Ig=100μA,内阻rg=20kΩ,若要改装后的电流表满偏电流为200mA,应并联一只阻值为________Ω的定值电阻R0(保留2位有效数字).
(2)某次实验测得电压表V的示数和流经滑动变阻器R2的电流的两组数据分别为(5.26V,20mA)和(4.46V,160mA),则由这两组数据可计算出电池组的内阻r=________Ω(保留2位有效数字).
(3)该小组在前面实验的基础上,为探究电路中各元器件的实际阻值对测量结果的影响,用一已知电动势和内阻的标准电池组,通过上述方法多次测量后发现:
电动势的测量值与已知值几乎相同,但内阻的测量值总是偏大.若测量过程无误,则内阻测量值总是偏大的可能原因是________.(填选项前的字母)
A.滑动变阻器的最大阻值偏小
B.R0的实际阻值比计算值偏小
C.R1的实际阻值比标称值偏大
3.某中学实验小组测量一种电阻丝的电阻率.首先用到的实验器材为:
一段拉直并固定在米尺上的电阻丝(电阻丝两端为接线柱,电阻丝上夹上一个小金属夹,金属夹可在电阻丝上移动),直流电源,电流表,定值电阻,开关,导线,螺旋测微器等.
(1)利用螺旋测微器测电阻丝直径,其示数如图所示,该电阻丝的直径为d=________mm.
(2)请用笔画线作导线连接如图所示实验器材.实验过程中,记录相应电阻丝接入电路中的长度L和电流表的示数I,通过改变金属夹位置进行多次测量,并作出
-L关系图线如图所示.
(3)该实验小组发现,为了测定电阻丝的电阻率还需要知道直流电源的有关数据,找来电压表和滑动变阻器,为了尽可能减小实验误差,应选择图________电路(填“甲”或“乙”),然后按正确的电路测量,作出了U-I图象,从图中可得该直流电源电动势E=______V.
(4)请写出电阻丝的电阻率的表达式ρ=________(用题中所给符号a、b、c、d、E等表示).
4.某学生实验小组利用图甲所示电路.测量多用电表内电池的电动势和电阻“×100”挡内部电路的总电阻.使用的器材有:
多用电表;
滑动变阻器:
最大阻值2kΩ;
微安表:
量程1000μA;
导线若干.
回答下列问题:
(1)将多用电表挡位调到电阻“×100”挡,再将红表笔和黑表笔________,调零点.
(2)将图甲中多用电表的红表笔和________(填“1”或“2”)端相连,黑表笔连接另一端.
(3)将滑动变阻器的滑片调到适当位置,使这时微安表的示数为500μA,多用电表的示数如图乙所示,多用电表的读数为________Ω.
(4)调节滑动变阻器的滑片,使其接入电路的阻值为零.此时多用电表和微安表的读数分别为1000Ω和600μA.从测量数据可知,微安表的内阻为________Ω.
(5)多用电表电阻挡内部电路可等效为由一个无内阻的电池、一个理想电流表和一个电阻串联而成的电路,如图丙所示.根据前面的实验数据计算可得,此多用电表内电池的电动势为________V,电阻“×100”挡内部电路的总电阻为________Ω.
5.在测定电源电动势和内阻的实验中,实验室提供了合适的实验器材.
(1)甲同学按电路图20-12甲进行测量实验,其中R2为保护电阻,则
①请用笔画线代替导线在图乙中完成电路的连接;
②由电压表的读数U和电流表的读数I,画出U-I图线如图丙所示,可得电源的电动势E=________V,内阻r=________Ω.
(2)乙同学误将测量电路连接成如图(a)所示,其他操作正确,由电压表的读数U和电流表的读数I,画出U-I图线如图(b)所示,可得电源的电动势E=________V,内阻r=________Ω.(结果保留2位有效数字)
6.小明同学通过实验探究某一金属电阻的阻值R随温度t的变化关系.已知该金属电阻在常温下的阻值约10Ω,R随t的升高而增大.实验电路如图所示,控温箱用以调节金属电阻的温度.实验时闭合S,先将开关K与1端闭合,调节金属电阻的温度,分别记下温度t1、t2、…和电流表的相应示数I1、I2、….然后将开关K与2端闭合,调节电阻箱使电流表的示数再次为I1、I2、…,分别记下电阻箱相应的示数R1、R2、….
(1)有以下两种电流表,实验电路中应选用________.
A.量程0~100mA,内阻约2Ω
B.量程0~0.6A,内阻可忽略
(2)实验过程中,要将电阻箱的阻值由9.9Ω调节至10.0Ω,需旋转图中电阻箱的旋钮“a”“b”“c”,正确的操作顺序是________.
①将旋钮a由“0”旋转至“1”
②将旋钮b由“9”旋转至“0”
③将旋钮c由“9”旋转至“0”
(3)实验记录的t和R的教据见下表.
温度t(℃)
20.0
40.0
60.0
80.0
100.0
阻值R(Ω)
9.6
10.4
11.1
12.1
12.8
请根据表中数据,作出R-t图线.
由图线求得R随t的变化关系为R=________Ω.
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