高考物理电学实验专题讲解和练习.docx
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高考物理电学实验专题讲解和练习
专题四 电学实验
电学实验是高考实验考查的重点、热点内容。
试题注重联系实
验操作的考查,如测量仪器的读数问题、实验线路的连线问题、电
表和其他用电器的选择问题都是实验操作的仿真模拟,需要考生具
备良好的动手实践经验。
试题还注重实验数据的处理分析,如根据
实验数据画出图线,根据图线分析得出结论。
“设计和完成实验的能
力”在理科综合《考试说明》中指出的五个考试目标之一。
是近几年
高考物理实验题的命题趋向。
完整的设计一个实验,要经历多个环节,在实际考查中,一般
不会考查全部环节,而是只考查其中的几个环节,有的题目给出条
件和实验器材,要求阐述实验原理;有的给出实验电路图,要求领
会实验原理,确定需测物理量及计算公式;有的则要求考生根据操
作步骤及测定的物理量判断出实验原理……虽然考查方式不尽相
同,但目前高考中几乎所有的设计型实验题都有一个共同点,都以
不同方式或多或少的对实验原理作一定的提示,在给出实验器材的
前提下进行考查。
由于考查环节和要求的不同,题型也不尽相同,但较多的是选择、
填空、作图题。
在复习过程中,应对所学电学实验逐个理解实验原理、实验方
。
法,比较不同实验的异同(如电路图、滑动变阻器和电表的连接)
不断充实自己的经验和方法,逐步达到能灵活运用已学知识解答新
的问题。
对于设计型实验题目要明确实验设计的关键在于实验原理
的设计,它是进行实验的依据和起点,它决定了应选用(或还需)
哪些实验器材,应测量哪些物理量,如何编排实验步骤。
而实验原
理的设计又往往依赖于所提供的实验器材(条件)和实验要求,它
们相辅相成,互为条件。
(一)电学实验中所用到的基本知识
在近年的电学实验中,电阻的测量(包括变形如电表内阻的测
量)、测电源的电动势与内电阻是考查频率较高的实验。
它们所用
到的原理公式为:
R = U ,E = U + Ir 。
由此可见,对于电路中电压 U
I
及电流 I 的测量是实验的关键所在,但这两个量的直接测量和间接
测量的方法却多种多样,在此往往也是高考试题的着力点之处。
因
此复习中应熟练掌握基本实验知识及方法,做到以不变应万变。
1.电路设计原则:
正确地选择仪器和设计电路的问题,有一定的
灵活性,解决时应掌握和遵循一些基本的原则,即“安全性”、“方便
性”、“精确性”原则,兼顾“误差小”、“仪器少”、“耗电少”等各方面因
素综合考虑,灵活运用。
⑴正确性:
实验原理所依据的原理应当符合物理学的基本原理。
⑵安全性:
实验方案的实施要安全可靠,实施过程中不应对仪器及
人身造成危害。
要注意到各种电表均有量程、电阻均有最大允许电
流和最大功率,电源也有最大允许电流,不能烧坏仪器。
⑶方便性:
实验应当便于操作,便于读数,便于进行数据处理。
⑷精确性:
在实验方案、仪器、仪器量程的选择上,应使实验误差
尽可能的小。
2.电学实验仪器的选择:
⑴根据不使电表受损和尽量减少误差的原则选择电表。
首先保证流
过电流表的电流和加在电压表上的电压均不超过使用量程,然后合
理选择量程,务必使指针有较大偏转(一般要大于满偏度的 1/3),
以减少测读误差。
⑵根据电路中可能出现的电流或电压范围选择滑动变阻器,注意流
过滑动变阻器的电流不超过它的额定值,对大阻值的变阻器,如果
是滑动头稍有移动,使电流、电压有很大变化的,不宜采用。
⑶应根据实验的基本要求来选择仪器,对于这种情况,只有熟悉实
验原理,才能作出恰当的选择。
总之,最优选择的原则是:
方法误
差尽可能小;间接测定值尽可能有较多的有效数字位数,直接测定
值的测量使误差尽可能小,且不超过仪表的量程;实现较大范围的
灵敏调节;在大功率装置(电路)中尽可能节省能量;在小功率电
路里,在不超过用电器额定值的前提下,适当提高电流、电压值,
以提高测试的准确度。
3.测量电路的选择
⑴电流表的内、外接问题:
(甲)所示电路为电流表外接电路(简
称外接法);(乙)所示电路为电流表内接电路(简称内接法)。
两
种接法的选择可按下列方法进行:
方法一:
设电流表、电压表内阻分别为 R 、R ,被测电阻为 R ,
AVx
则
当 R < R R 时,电压表分流作用小,应选用外接法
xAV
当 R > R R 时,电流表分压作用小,应选用内接法
xAV
当 R = R R 时,电流表分压作用和电压表分流作用相差不大,
xAV
两种方法均可。
方法二:
在 R 、 R 均不知的情况下,可采用试触法。
如图所
VA
示,分别将 a 端与 b、c 接触,如果前后两次电流表示数比电压表
示数变化明显,说明电压表分流作用大,应采用内接法;如果前后
两次电压表示数比电流表示数变化明显,说明电流表分压作用大,
应采用外接法。
a
b
c
⑵滑动变阻器的分压、限流
接法:
为了改变测量电路(待
甲乙
测电阻)两端的电压(或通
过测量电路的电流),常使滑动变阻器与电源连接作为控制电路,
滑动变阻器在电路中主要有两种连接方式:
如图(甲)为滑动变阻
器的限流式接法,R 为待测电阻。
它的接线方式是电源、滑动变阻
X
器与待测电阻三者串联。
对待测电阻供电电压的最大调节范围是:
ER
X
RR
X
~ E ( R 是待测电阻,R 是滑动变阻器的总电阻,不计电源内
X
阻)。
如图(乙)是滑动变阻器的分压式接法。
接线方式是电源与滑
动变阻器组成闭合电路,而被测电路与滑动变阻器的一部分电阻并
联,该接法对待测电阻供电电压的调节范围是:
0 ~ E (不计电源内
阻时)。
选取接法的原则:
①要求负载上电压或电流变化范围大,且从零开始连续可调,
须用分压式接法。
②负载电阻 Rx 远大于滑动变阻器总电阻 R 时,须用分压式接
法,此时若采用限流式接法对电路基本起不到调节作用。
③采用限流电路时,电路中的最小电流(电压)仍超过电流表
的量程或超过用电器的额定电流(电压)时,应采用变阻器的分压
式接法。
④负载电阻的阻值 Rx 小于滑动变阻器的总电阻 R 或相差不
大,并且电压表、电流表示数变化不要求从零开始起调,可用限流
式接法。
⑤两种电路均可使用时应优先用限流式接法,因为限流电路结
构简单,总功率较小。
滑动变阻器的粗调和微调作用:
①在限流电路中,全电阻较大的变阻器起粗调作用,全电阻较
小的变阻器起微调作用。
②在分压电路中,全电阻较小的变阻器起粗调作用,全电阻较
大的变阻器起微调作用。
4.实物图的连接:
实物图连线应掌握基本方法和注意事项。
⑴注意事项:
①连接电表应注意量程选用正确,正、负接线柱不要接错。
②各导线都应接在接线柱上,不应在导线中间出现分叉。
③对于滑动变阻器的连接,要搞清楚接入电路的是哪一部分电阻,
在接线时要特别注意不能将线接到滑动触头上。
⑵基本方法:
①画出实验电路图。
②分析各元件连接方式,明确电流表与电压表的量程。
③画线连接各元件。
(用铅笔画线,以便改错)连线方式应是单线连
接,连线顺序应先画串联电路,再画并联电路。
一般先从电源正极开始,到电键,再到滑动变阻器等。
按顺序
以单线连接方式将干路中要串联的元件依次串联起来;然后连接支
路将要并联的元件再并联到电路中去。
连接完毕,应进行检查,检
查电路也应按照连线的方法和顺序。
(二)定值电阻的测量方法
1.欧姆表测量:
最直接测电阻的仪表。
但是一般用欧姆表测量只
能进行粗测,为下一步的测量提供一个参考依据。
用欧姆表可以测
量白炽灯泡的冷电阻。
2.替代法:
替代法的测量思路是等效的思想,可以是利用电流等
效、也可以是利用电压等效。
替代法测量电阻精度高,不需要计算,
方法简单,但必须有可调的标准电阻(一般给定的仪器中要有电阻
箱)。
【例题】在某校开展的科技活动中,为了要测出一个未知电阻的阻
值 Rx,现有如下器材:
读数不准的电流表 A、定值电阻 R0、电阻
箱 R1、滑动变阻器 R2、单刀单掷开关 S1、
单刀双掷开关 S2、电源和导线。
⑴画出实验电路图,并在图上标出你所选用器材的代码。
⑵写出主要的实验操作步骤。
【解析】⑴实验电路如右图所示。
⑵①将 S2 与 Rx 相接,记下电流表指针所指位置。
②将S2 与 R1 相
接,保持 R2 不变,调节 R1 的阻值,使电流表的指针指在原位置上,
记下 R1 的值,则 Rx=R1。
3.伏安法:
伏安法的测量依据是欧姆定律(包括部分电路欧姆定
律和全电路欧姆定律),需要的基本测量仪器是电压表和电流表,
当只有一个电表(或给定的电表不能满足要求时),可以用标准电
阻(电阻箱或一个定值电阻)代替;当电表的内阻已知时,根据欧
姆定律 I=U/R 电压表同时可以当电流表使用,同样电流表也可以当
电压表用。
4.伏安法拓展:
某些问题中,因实验器材不具备(缺电流表或电
压表),或因实验条件限制,或因实验精度不允许而不能用“伏安法”。
这时我们就得依据问题的具体条件和要求重新选择实验原理,用“伏
安法”的替代形式——“比较法”来设计实验方案。
⑴利用已知内阻的电压表:
利用“伏伏”法测定值电阻的阻值
【例题】用以下器材测量一待测电阻 Rx 的阻值(900~1000Ω):
电源 E,具有一定内阻,电动势约为 9.0V;
电压表 V1,量程为 1.5V,内阻 r1=750Ω;
电压表 V2,量程为 5V,内阻 r2=2500Ω;
滑动变阻器 R,最大阻值约为 100Ω;
单刀单掷开关 K,导线若干。
测量中要求电压表的读数不小于其量程的 1/3,试画出测量电阻 Rx
的一种实验电路原理图。
【解析】如图所示
⑵利用已知内阻的电流表:
利用“安安”法测定值电阻的阻值
【例题】用以下器材测量一待测电阻的阻值。
器材(代号)与规格
如下:
1 2
电流表 A(量程 250mA,内阻 r1 为 5Ω);标准电流表 A(量程 300mA,
内阻 r2 约为 5Ω);
待测电阻 R1(阻值约为 100Ω);滑动变阻器 R2(最大阻值 10Ω);
电源 E(电动势约为 10V,内阻 r 约为 1Ω);单刀单掷开关 S,导
线若干。
⑴要求方法简捷,并能测多组数据,画出实验电路原理图,并标明
每个器材的代号.
⑵需要直接测量的物理量是_______,用测的量表示待测电阻 R1 的
计算公式是 R1=________。
【解析】⑴实验电路图如图所示。
⑵两电流表 A1、 A2 的读数为 I1、I2 和 电 流 表
A1 的内阻为 r1,待测电阻 R1 的阻值的计算公式是:
R1 =
I
1 r
I - I 1
2 1
⑶电压表、电流表混合用
【例题】有一电阻 Rx,其阻值在 100~200Ω 之间,额定功率为
0.25W。
要用伏安法较准确地测量它的阻值,实验器材有:
安培表 A1,量程为 50mA,RA1=100Ω
安培表 A2,量程为 1A,RA2=20Ω
电压表 V1,量程为 5V,RV1=10kΩ
电压表 V2,量程为 15V, RV2=30kΩ
变阻器 R1,变阻范围 0~20Ω ,2A
变阻器 R2,变阻范围 0~1000Ω,1A
9V 电源,电键,导线。
⑴实验中应选用的电流表、电压表、变阻器分别
是:
。
⑵画出所用实验电路图。
【解析】⑴允许通过电阻中电流可能的最大值由:
P = I 2R 得,
I = 35mA I = 50mA 。
因为电阻可能为 200Ω,所以通过被测电阻的
12
电流的最大值可能是 35mA,应用电流表的示数来控制通过电阻的
12
因为电阻可能为 100Ω,所以允许加在电阻两端的电压的最大值可
能是 5V,应用电压表的示数来控制加在电阻两端
的电压,因此电压表应选 V1。
因为 R1< R2,且 2A>35mA, 所以应
选变阻器 R1。
因为 R1<Rx 所以滑动变阻器连接方式应选用分压电
路。
因为 R < R R ,所以应选用外接电路。
xAV
⑵实验所用电路如图所示
【变式题】(2006 年广东)某同学设计了一个如图甲所示的实验电
路,用以测定电源电动势和内阻,使用的实验器材为:
待测干电池
组(电动势约 3 V)、电流表(量程 0.6 A,内阻小于 1 Ω)、电阻箱
(0~99.99 Ω)、滑动变阻器(0~10 Ω)、单刀双掷开关、单刀单
掷开关各一个及导线若干。
考虑到干电池的内阻较小,电流表的内
阻不能忽略。
⑴该同学按图甲连线,通过控制开关状态,测得电流表内阻约为
0.20Ω 。
试 分 析 该 测 量 产 生 误 差 的 原 因 是
_________________________________________。
⑵简要写出利用图甲所示电路测量电源电动势和内阻的实验步骤:
①
_________________________________________________________
____________;
②
_________________________________________________________
_____________;
⑶图乙是由实验数据绘出的 1R 图象,由此求出待测干电池组的电
I
动势 E=______V、内阻
r=______Ω。
(计算结果保留三位有效数字)
C
DS
R
K
RA
A
1
I
/A-
AP
Er
图甲
B
R/Ω
图乙
【解析】由测定电源电动势和内阻实验的原理知,此种接法出现误
差的原因是电流表的分压作用。
而 R = r + r , 1 - R 图线的斜率表示
安
电源电动势的倒数,据此得出电动势 E=2.81V, 内 阻
r=2.33Ω。
若不能正确理解 1 - R 图象的物理意义,则无法得出正
I
确的答案。
因此对于实验中处理数据的图像的意义,一定要分析清
楚。
【答案】⑴并联电阻箱后线路总阻值减小,从而造成总电流增大
⑵ ①调节电阻箱R,断开开关K,将开关 S 接 D,记录电
阻箱的阻值和电流表示数;
②断开开关 D,再次调节电阻箱R,将开关 S 接 D,记
录电阻箱的阻值和电流表示数
⑶ 2.81、2.33
(三)电表内阻的测量方法
1.互测法:
⑴电流表、电压表各一只,可以测量它们的内阻:
V
A
VA
⑵两只同种电表,若知道一只的内阻,就可以测另一只的内阻:
A2
A1
V1
V2
⑶两只同种电表内阻都未知,则需要一只电阻箱才能测定电表
的内阻:
R
V1
R
A1A2
V2
2.替代法:
R
2
S
A R
2
S
V
A11
V1
1
3.半偏法:
A
V
R2
R2
S2 R1
R1
(R1»R2) (R1«R2)
S1S
2
VS
1
4.闭合电路欧姆定律计算法:
(不计电源内阻)
【例题 1】(2000 年全国)从下表中选出适当的实验器材,设计一
电路来测量电流表 A1 的内阻 r1,要求方法简捷,有尽可能高的测
量精度,并能测得多组数据。
⑴在虚线方框中画出电路图,标明所用器材的代号。
器材(代号)规格
电流表(A1) 量程 10mA,内阻 r1 待测(约
40Ω)
电流表(A2) 量程 500μA,内阻 r2=750Ω
电压表(V) 量程 10V,内阻 r3=10Ω
电阻(R1)阻值约 100Ω,作保护电阻用
滑 动 变 阻 器 总阻值约 50Ω
(R)
电池(E)电动势 1.5V,内阻很小
导线若干,电
键K
⑵ 若 选 测 量 数 据 中 的 一 组 来 计 算 r1 , 则 所 用 的 表 达 式 为
r1=____________,式中各符号的意义是____________。
【解析】⑴如图所示。
⑵ r
1
I
I
1
2
表示通过电流表 A1 的电流,I2 表示通过电流表 A2 的
电流,
r2 表示电流表 A2 的内阻。
【备考提示】在很多情况下,电压表和电流表(已知内阻)的功用
可以互换。
有时利用一块电表配合定值电阻也可以完成功能的互
换。
实际上就是部分电路欧姆定律的变形运用。
在处理时,一定要
明确原理,灵活运用。
VV
mA
给定的器材有:
待测电压表(量程 2V,内阻约 4kΩ);电流表
(量程 1.2mA,内阻约 500Ω);直流电源 E(电动势约 2.4V,内
阻不计);固定电阻 3 个:
R1=4000Ω,R2=10000Ω,R3=15000Ω;
电键 S 及导线若干。
要求测量时两电表指针偏转均超过其量程的一
半。
⑴试从 3 个固定电阻中选用 1 个,与其它器材一起组成测量电路,
并在虚线框内画出测量电路的原理图。
(要求电路中各器材用题中
给定的符号标出。
)
⑵电路接通后,若电压
VmA
表读数为 U,电流表读数
为 I ,则电压表内阻RV
=_________。
R1
S
E
【解析】⑴实验电路如图所示,若选用电阻 R1,则并联电阻 R 并=
2000Ω,电压表读数
U=
并 mA
E 2.4
并
E
R +r
并
mA
= 2.4
2000 + 500
=0.00096A=0.96mA>0.6mA,R1 符合要求,
同理可得 R2、R3 不符合要求,故选 R1。
R
1
RIR I-U
121
【备考提示】本题涉及实验器材选取和电路设计等,对考生的分析
综合能力提出了较高要求,解答此类试题必须根据测量要求和所提
供的器材,由仪表的选择原则和基本规律为分析的入手点。
【变式题】
1.(2006 年全国Ⅱ)现要测定一个额定电压 4V、额定功率 1.6W 的
小灯泡(图中用○× 表示)的伏安特性曲线。
要求所测电压范围为
0.1V~4V。
V
A1A2
程 4.5V,内阻约为 4×104Ω),电流表(量程 250mA,内阻约为
2Ω),电流表(量程 500mA,内阻约为 1Ω),滑动变阻器 R(最
大阻值约为 30Ω),电键 S,导线若干。
如果既要满足测量要求,又要测量误差较小,应该选用的电流表
是,下面两个电路应该选用的是。
【解析】在测量小灯泡的伏安曲线时,
由于题目要求电压范围为 0.1V~4V,因
A2
此滑动变阻器采用分压式接法。
根据估算通过小灯泡的额定电流为
I=0.4A,因此电流表应该选用。
在伏安法测量过程中,由于
临界电阻 R =R R = 200Ω 大于小灯泡电阻,因此应该选择电流表外
AV
接法即选择甲电路进行测量。
2.(2006 年北京)某同学用如图所示电路,测绘标有
“3.8 V,0.3 V ”的小灯泡的灯丝电阻 R 随电压 U 变化的
图象。
①除了导线和开关外,有以下一些器材可供选择:
电流表:
A 1(量程 100 mA,内阻约 2Ω)
A2 (量程 0.6 A,内阻约 0.3Ω)
电压表:
V1(量程 5 V,内阻约 5Ω)
V2(量程 15 V,内阻约 15Ω)
电源:
E1(电动势为 1.5 V,内阻为 0.2Ω)
E2(电动势为 4 V,内阻约为 0.04Ω)
为了调节方便,测量准确,实验中应选用电流表 ___________,电
压 表 ______________ , 滑 动 变 阻 器 ________________ , 电 源
___________________。
(填器材的符号)
②根据实验数据,计算并描绘出 R-U 的图象如图所示。
由图象可知,
此灯泡在不工作时,灯丝电阻为___________;当所加电压为 3.00 V
时 , 灯 丝 电 阻 为 ____________ , 灯 泡 实 际 消 耗 的 电 功 率 为
___________W。
③根据 R-U 图象,可确定小灯泡耗电功率 P 与外加电压 U 的关系,
符合该关系的示意图是下列图中的__________。
ABCD
【解析】①对器材的选用应以安全、实用为原则。
小灯泡的额定电
压和额定电流分别为 3.8V 和 0.3A,故电压表应选 V1,电流表 A2;
由于是分压接法,故滑动变阻器应选 R1,便于调节,电源应选 E2。
②由图象可看出:
U=0 时,小灯泡不工作,对应电阻为 1.5Ω,当
U=3.0V 时,对应的电阻为 11.5Ω。
此时,灯泡实际消耗的功率 P
= U 2 / R =0.78W。
③由 R-U 图线可看出,随 U 的增大,电阻的
变化越来越小,而 P=U 2 / R ,随 U 的变化,功率 P 的变化将更加
明显,故选 A。
(四)一类借助图像法处理的上海实验试题
近几年的上海高考中,经常出现一类需要借助图像关系处理的
实验题,该种题目处理技巧性强,并且要
求能够准确理解图像的物理意义,该类问
题对于山东的命题不无导向作用,备考时
也应引起足够的重视。
U(V)
200
160
120
80
40
L1 L2
00.20.40.6 I (A)
【例题 1】(2004 年上海)两个额定电压
为 220V 的白炽灯 L1 和 L2 的 U – I 特性曲线如图所示。
L2 的额定功
率约为W;现将 L1
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