全国通用高考物理一轮复习第9章恒定电流微专题51电学创新实验.docx
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全国通用高考物理一轮复习第9章恒定电流微专题51电学创新实验
电学创新实验
[方法点拨]
(1)结合闭合电路欧姆定律、串并联电路特点,去理解电路找出测量量与已知量间的关系.
(2)熟练掌握基本实验的原理、实验方法等是解决创新实验的关键.
1.用下列器材测量电容器的电容:
一块多用电表,一台直流稳压电源,一个待测电容器(额定电压16V),定值电阻R1(阻值未知),定值电阻R2=150Ω,电流传感器、数据采集器和计算机,单刀双掷开关S,导线若干.
实验过程如下:
实验次数
实验步骤
第1次
①用多用电表“×10”挡测量电阻R1,指针偏转如图1甲所示.
②将电阻R1等器材按照图乙正确连接电路,将开关S与1端连接,电源向电容器充电.
③将开关S掷向2端,测得电流随时间变化的i-t曲线如图丙中的实线a所示.
第2次
④用电阻R2替换R1,重复上述实验步骤②③,测得电流随时间变化的i-t曲线如图丁中的某条虚线所示.
说明:
两次实验中电源输出的直流电压恒定且相同.
图1
请完成下列问题:
(1)由图甲可知,电阻R1的测量值为________Ω.
(2)第1次实验中,电阻R1两端的最大电压U=________V.利用计算机软件测得i-t曲线和两坐标轴所围成的面积为42.3mA·s,已知电容器放电时其内阻可以忽略不计,则电容器的电容为C=________F.
(3)第2次实验中,电流随时间变化的i-t曲线应该是图丁中的虚线________(选填“b”“c”或“d”),判断依据是
________________________________________________________________________.
2.材料的电阻随压力的变化而变化的现象称为“压阻效应”,利用这种效应可以测量压力大小.若图2甲为某压敏电阻在室温下的电阻压力特性曲线,其中RF、R0分别表示有、无压力时压敏电阻的阻值.为了测量压力F,需先测量压敏电阻处于压力中的电阻值RF.
请按要求完成下列实验.
图2
(1)设计一个可以测量处于压力中的该压敏电阻阻值的电路,在图乙的虚线框内画出实验电路原理图(压敏电阻及所给压力已给出,待测压力大小约为0.4×102~0.8×102N,不考虑压力对电路其它部分的影响),要求误差较小,提供的器材如下:
A.压敏电阻,无压力时阻值R0=6000Ω
B.滑动变阻器R,全电阻约200Ω
C.电流表
,量程2.5mA,内阻约30Ω
D.电压表
,量程3V,内阻约3kΩ
E.直流电源E,电动势3V,内阻很小.
F.开关S,导线若干
(2)正确接线后,将压敏电阻置于待测压力下,通过压敏电阻的电流是1.33mA,电压表的示数如图丙所示,则电压表的读数为________V.
(3)此时压敏电阻的阻值为________Ω;结合图甲可知待测压力的大小F=________N.(计算结果均保留两位有效数字)
图3
3.实验室有一破损的双量程电压表,两量程分别是3V和15V,其内部电路如图3所示,因电压表的表头
已烧坏,无法知道其电学特性,但两个精密电阻R1、R2完好,测得R1=2.9kΩ,R2=14.9kΩ.现有两个表头,外形都与原表头
相同,已知表头
的满偏电流为1mA,内阻为50Ω;表头
的满偏电流为0.5mA,内阻为200Ω;又有三个精密定值电阻r1=100Ω,r2=150Ω,r3=200Ω.若保留R1、R2的情况下,对电压表进行修复,根据所给条件回答下列问题:
(1)原表头
的满偏电流I=________,内阻r=______.
(2)在虚线框中画出修复后双量程电压表的电路图(标识出所选用的相应器材符号).
图4
(3)某学习小组利用修复的电压表,再加上可以使用的以下器材测量一未知电阻Rx的阻值.电流表A,量程0~5mA,内阻未知;最大阻值约为100Ω的滑动变阻器;电源E,电动势约3V;开关S、导线若干.由于不知道未知电阻的阻值范围,学习小组为精确测出未知电阻的阻值,选择合适的电路,请你帮助他们在图4中补充完整电路连接,正确连线后读得电压表示数为2.40V,电流表示数为4.00mA,则未知电阻阻值Rx为________Ω.
4.某同学利用满偏电流为500μA的电流表、热敏电阻等制作电子温度计.
(1)制作的实验过程中需要测出该电流表
的内阻Rg,所用的电路如图5,主要步骤是:
①接通开关S1,调节变阻器R1,使
指针偏转到满刻度;②保持R1不变,再接通开关S2,调节电阻箱R2,使
指针偏转到满刻度的一半,读出此时R2的阻值为299.0Ω,可认为Rg=R2.实验时,电路中的变阻器R1和电源有下列器材可供选择:
图5
A.变阻器(0~200Ω)B.变阻器(0~20kΩ)
C.电源(1.5V,内阻不计)D.电源(9V,内阻不计)
为了使测量Rg尽量精确,R1应选__________,电源应选________.(填选项前的字母)
图6
(2)温度在0~300℃范围内,某热敏电阻的阻值Rt随温度t(℃)的变化情况为Rt=200+50t(Ω),把这个热敏电阻、标准定值电阻、电池、开关与电流表
串联起来,电路如图6所示,
图7
电流表
的表盘如图7所示.用该热敏电阻作探头,将
表盘上的电流刻度值改成对应的温度值,制作成简单的电子温度计.已知电池的电动势E=1.5V,内阻r=1.0Ω,标准定值电阻的阻值R0=2500Ω,根据
(1)中测得的Rg值和闭合电路欧姆定律,得出电流表
表盘上500μA刻度处对应的温度刻度值是0℃,300μA刻度处对应的温度刻度值是______℃.
(3)由于用图5电路测定电流表
的内阻Rg在原理上存在一定的系统误差,因而制作的电子温度计在测量温度时,测量值比真实值________(填“偏大”或“偏小”).
5.现有下列可供选用的器材及导线若干,要求尽可能精确地测量出待测电流表的满偏电流.
A.待测电流表
(满偏电流约为700μA~800μA,内阻约为100Ω,已知表盘刻度均匀、总格数为N)
B.电流表
(量程为0.6A,内阻为RA=0.1Ω)
C.电压表
(量程为3V,内阻为RV=3kΩ)
D.滑动变阻器R(最大阻值为200Ω)
E.电源E(电动势为3V,内阻约为1.5Ω)
F.开关S一个
(1)根据你的测量需要,“B.电流表
”与“C.电压表
”中应选择________.(只需填写电表前的字母序号)
(2)某同学设计的实验电路图如下,你认为正确的是________.
(3)某次测量中测得电流表
的指针偏转了n格,读出另一个电表的示数U(或I),可算出满偏电流IAmax=________.(用题中所给符号表示)
6.
(1)甲同学用如图8所示电路测量未知电阻Rx的阻值,图中电源电动势未知,R为电阻箱,他将电源内阻与电流表内阻忽略不计,分别读出电阻箱阻值为R1和R2时电流表的示数I1和I2,则Rx的测量值表达式为Rx=________.图8
(2)乙同学认为甲同学的测量没有考虑电源内阻和电流表内阻,误差较大,他在甲同学使用的电路基础上仅仅增加了一个电键S2,然后进行实验;
a.先闭合电键S2,再闭合电键S1,多次调节电阻箱,读出电阻箱的阻值R和对应电流表的示数I,以
为纵坐标,R为横坐标作出图象,求得图线的斜率为k1,纵轴截距为b1;
b.断开电键S2,保持电键S1闭合,多次调节电阻箱,读出电阻箱的阻值R和对应电流表的示数I,以
为纵坐标,R为横坐标作出图象,求得图线的斜率为k2,纵轴截距为b2.
回答下列问题:
①请你在虚线框中作出乙同学采用的电路图.
②乙同学得出Rx测量值的表达式为Rx=________.
③两次测量得到图线斜率k1________k2(填“>”“<”或“=”).
④电源电动势为________.
7.某同学在进行扩大电流表量程的实验时,需要知道电流表的满偏电流和内阻,他设计了一个用标准电流表G1来校对待测电流表G2的满偏电流和测定G2内阻的电路,如图9所示.已知G1的量程略大于G2的量程,图中R1为滑动变阻器,R2为电阻箱.该同学顺利完成了这个实验.
图9
(1)实验过程包含以下步骤,其合理的顺序依次为________________(填步骤的字母代号).
A.合上开关S2
B.分别将R1和R2的阻值调至最大
C.记下R2的最终读数
D.反复调节R1和R2的阻值,使G1的示数仍为I1,使G2的指针偏转到满刻度的一半,此时R2的最终读数为r
E.合上开关S1
F.调节R1使G2的指针偏转到满刻度,此时G1的示数为I1,记下此时G1的示数
(2)仅从实验设计原理上看,用上述方法得到的G2内阻的测量值与真实值相比________(填“偏大”“偏小”或“相等”).
(3)若要将G2的量程扩大为I,并结合前述实验过程中测量的结果,写出在G2上并联的分流电阻RS的表达式,RS=________.
8.某同学要测量一个改装后的电压表Vx的量程和内阻,实验过程如下:
(1)先用多用电表粗测电压表的内阻和量程,实验中多用电表红表笔应与电压表的________(填“正”或“负”)接线柱相连;若已知多用电表内电源电动势为9V,所用挡位为×1k挡,调零后测量,指针位置如图10所示.此时电压表指针指在表盘的四分之三刻度处,则所测电压表内阻约为________,量程为________.
图10
(2)若电压表量程为
(1)问中所测数值,则为了精确测量其内阻,现提供以下器材:
待测电压表Vx
电流表A(量程0.6A,内阻约为3Ω)
电压表V(量程10V,内阻约为30kΩ)
定值电阻R0(阻值为10kΩ)
滑动变阻器R1(最大阻值为5Ω,额定电流为1A)
滑动变阻器R2(最大阻值为100Ω,额定电流为1A)
电源E(电动势为15V,内阻约为1Ω)
开关和导线若干
①为了较精确的测量电压表内阻,则测量电路应该选择如下电路中的________.
②本实验中应选择的滑动变阻器为________.(填器材对应的符号)
③根据测量电路和所选择器材,完成图11所示实物电路连接.
图11
④测电压表内阻的表达式RV=________,其中各物理量的含义是________________
________________________________________________________________________.
答案精析
1.
(1)100
(2)9 4.7×10-3 (3)c 根据imax=
,因第2次实验的最大电流小些,故不是b;根据Q=CU,因两条曲线分别与坐标轴所围的面积应该相等,故不是d.
解析
(1)电阻R1的测量值等于多用电表指针示数与倍率的乘积,所以R1=100Ω.
(2)由题图丙可知,第1次实验,由imax′=
=90mA,得电阻R1两端电压最大值为9V;i-t图线与坐标轴所围面积表示电容器放电的总电荷量,也等于电容器充电后所带的总电荷量,则电容C=
=
F=4.7×10-3F.(3)第2次实验中电阻R2>R1,最大电流imax=
,因第2次实验的最大电流小些,故不是b;图线与坐标轴所围面积表示电容器充电后所带的总电荷量,所以两条曲线分别与坐标轴所围面积相等,故不是d,而是c.
2.
(1)如图所示
(2)2.00
(3)1.5×103 60
解析
(1)根据题述对实验电路的要求,应该设计成滑动变阻器分压式接法,电流表内接电路.
(2)根据电压表读数规则,电压表示数为2.00V.
(3)由欧姆定律,此时压敏电阻的阻值为RF=
≈1.5×103Ω.无压力时,R0=6000Ω,有压力时,
=4,由题图甲可知,对应的待测压力F=60N.
3.
(1)1mA 100Ω
(2)如图甲所示 (3)如图乙所示 750
解析
(1)根据电路的串、并联有:
I(r+R1)=3V,I(r+R2)=15V,联立解得r=100Ω,I=1mA.(3)在不知道待测电阻的阻值的情况下,我们只能用滑动变阻器的分压式接法.而电流表的示数为4.00mA,电压表的内阻已知,所以应该用电流表的外接法测未知电阻.故待测电阻的阻值Rx=
×103Ω=750Ω.
4.
(1)B D
(2)40 (3)偏大
解析
(1)电学中利用半偏法测电阻时,要求干路中滑动变阻器R1值要大些,选用的电源的电动势稍大些能减小误差,所以为了尽量精确测量Rg,R1应选B,电源应选D.
(2)由闭合电路欧姆定律知E=Ig(r+R0+Rg+Rt),设电流表
表盘上300μA刻度处对应温度刻度值是t,则有300×10-6×(1.0+2500+299.0+200+50t)=1.5,解得t=40℃.(3)由于利用半偏法测电流表
的内阻时电阻Rg测量值偏小(因为闭合S2后实际电路中干路电流变大),根据I=
知电流I实际偏大,因而制作的电子温度计在测量温度时,测量值比真实值要偏大.
5.
(1)C
(2)B (3)
解析
(1)电压表量程3V,内阻3kΩ,满偏电流为Ig=
A=1mA=1000μA,与待测电流表类似,可以当作电流表使用,与待测电流表串联即可.
(2)本实验采用滑动变阻器分压式连接,电压可以连续调节,B项正确.(3)待测电流表总格数为N,电流等于电压表电流为I=
,电流表与电压表串联,通过它们的电流I相等,指针偏转格数之比n∶N=I∶IAmax,故IAmax=
=
,U为电压表读数,RV为电压表内阻.
6.
(1)
(2)①如图所示
②
-
③= ④
(或
)
解析
(1)电源电动势不变,忽略电源内阻与电流表内阻,则有E=I1(R1+Rx)=I2(R2+Rx),得Rx=
.
(2)闭合S2,将Rx短路,闭合S1后,设电源和电流表总电阻为r,由闭合电路欧姆定律得E=I(R+r),
=
+
,k1=
,b1=
,得r=
;断开S2,将Rx接入电路,设Rx、电源内阻与电流表内阻之和为r′,由闭合电路欧姆定律得E=I(R+r′),
=
+
,k2=
,b2=
,得r′=
,Rx=r′-r=
-
.两次得到图线斜率k1=k2.电源电动势E为
或
.
7.
(1)BEFADC
(2)相等 (3)
r
解析
(1)先把各电阻调到最大值,再把标准电流表单独校准与电表串联得到最大电流值,再用半偏法测其内阻,由此得顺序为BEFADC.
(2)电流达到半偏时,两并联电阻相等.(3)扩大量程要并联电阻分流,并联的电阻为:
r.
8.
(1)负 15kΩ 6V
(2)①D ②R2 ③如图所示
④
Ux为待测电压表读数,U为电压表读数,R0为定值电阻
解析
(1)用多用电表的欧姆挡时内部电源被接通,且黑表笔接内部电源的正极,即电流从欧姆表的黑表笔流出,从电压表的正接线柱流入,则红表笔接电压表的负接线柱;由图可知,指针指在15处,且所用挡位为×1k挡,所以所测电压表内阻约为15kΩ,多用电表半偏,其电阻为15kΩ,由欧姆定律得
U=
×15V,解得U=6V,所以量程为6V.
(2)①A项中通过待测电压表Vx电流为mA级,此时电流表量程过大,偏转过小,不能读出读数,A项错误;B项中因为两电压表并联,读数相同,不能测量电压表内阻,B项错误;C项中通过待测电压表和定值电阻R0的电流为mA级,电流表量程过大,偏转过小,不能读出读数,C项错误;为了多次测量,应选并联式接法,滑动变阻器与被测电路并联.待测电压表Vx与定值电阻R0串联后再与电压表V并联,D项正确.②为了多次读数,滑动变阻器应取阻值较大的,即滑动变阻器应选R2;④由欧姆定律得定值电阻R0的分压UR=U-Ux,所以通过定值电阻R0的电流I=
,待测电压表内阻的表达式RV=
,其中Ux为待测电压表读数,U为电压表读数,R0为定值电阻.
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