高考物理二轮专题复习十三电学实验解析附后.docx
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高考物理二轮专题复习十三电学实验解析附后
2020年高考物理二轮专题复习十三:
电学实验(解析附后)
考向预测
电学实验每年都考,主要体现在:
(1)基本仪器的原理和使用;
(2)基本的实验目的、原理和实验思想,如实验器材的选取,电流表的内、外接法及滑动变阻器的连接方式、电路故障的分析等;(3)处理实验数据的基本方法,如图象法、平均值法等。
知识与技巧的梳理
1.欧姆表的原理
(1)欧姆表内有电源,红表笔与内部电源负极相连,黑表笔与内部电源的正极相连,故其电流方向为“红表笔流进,黑表笔流出”。
(2)测电阻的原理是闭合电路欧姆定律。
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,Ig=
,此时中值电阻R中=Rg+R0+r,当两表笔接入电阻Rx时I=
,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。
2.测量电源的电动势和内阻的基本原理是闭合电路欧姆定律,数据处理的主要思想方法是“化曲为直”,常用的方法有三种:
(1)伏安法——利用电压表和电流表。
闭合电路方程为E=U+Ir,利用两组数据,联立方程求解E和r;也可作出U-I图象,图线的纵截距表示电源的电动势,斜率的绝对值表示电源的内阻。
(2)伏阻法——利用电压表和电阻箱。
闭合电路方程为E=U(1+
)。
利用两组数据联立方程求解或将方程线性化,处理为
=
·
+
或U=-r
+E,作
-
图象或U-
图象,利用图线的截距和斜率求E和r。
(3)安阻法——利用电流表和电阻箱。
闭合电路方程为E=I(R+r),利用两组数据联立方程求解或将方程线性化,处理为
=
·R+
,作
-R图象,利用图线的截距和斜率求E和r。
限时训练
1.图(a)为某同学组装完成的简易多用电表的电路图。
图中E是电池;R1、R2、R3、R4和R5是固定电阻,R6是可变电阻;表头G的满偏电流为250μA,内阻为480Ω。
虚线方框内为换挡开关,A端和B端分别与两表笔相连。
该多用电表有5个挡位,5个挡位为:
直流电压1V挡和5V挡,直流电流1mA挡和2.5mA挡,欧姆×100Ω挡。
(1)图(a)中的A端与________(填“红”或“黑”)色表笔相连接。
(2)关于R6的使用,下列说法正确的是________(填正确答案标号)。
A.在使用多用电表之前,调整R6使电表指针指在表盘左端电流“0”位置
B.使用欧姆挡时,先将两表笔短接,调整R6使电表指针指在表盘右端电阻“0”位置
C.使用电流挡时,调整R6使电表指针尽可能指在表盘右端电流最大位置
(3)根据题给条件可得R1+R2=________Ω,R4=________Ω。
(4)某次测量时该多用电表指针位置如图(b)所示。
若此时B端是与“1”相连的,则多用电表读数为________;若此时B端是与“3”相连的,则读数为________;若此时B端是与“5”相连的,则读数为________。
(结果均保留三位有效数字)
2.某同学研究小灯泡的伏安特性。
所使用的器材有:
小灯泡L(额定电压3.8V,额定电流0.32A);电压表V(量程3V,内阻3kΩ);电流表A(量程0.5A,内阻0.5Ω);固定电阻R0(阻值1000Ω);滑动变阻器R(阻值0~9.0Ω);电源E(电动势5V,内阻不计);开关S;导线若干。
(1)实验要求能够实现在0~3.8V的范围内对小灯泡的电压进行测量,画出实验电路原理图。
(2)实验测得该小灯泡伏安特性曲线如图(a)所示。
由实验曲线可知,随着电流的增加小灯泡的电阻______(填“增大”“不变”或“减小”),灯丝的电阻率________(填“增大”“不变”或“减小”)。
(3)用另一电源E0(电动势4V,内阻1.00Ω)和题给器材连接成图(b)所示的电路,调节滑动变阻器R的阻值,可以改变小灯泡的实际功率。
闭合开关S,在R的变化范围内,小灯泡的最小功率为________W,最大功率为________W。
(结果均保留2位小数)
3.某同学利用图甲所示电路测量电源电动势和内阻。
(1)实验中该同学记录的实验数据如下表,请在图乙的直角坐标系中画出U-I图象。
U/V
1.96
1.86
1.80
1.74
1.64
1.56
I/A
0.05
0.15
0.25
0.35
0.45
0.55
(2)根据所画的U-I图象,可求得电源电动势E=________V,内阻r=________Ω。
(3)随着滑动变阻器滑片的移动,电压表示数及电源的输出功率都会发生变化,则下列图中能正确反映P与U关系的是________,电源的最大输出功率为________W(保留两位有效数字)。
(4)实验完成后,该同学对实验方案进行了反思,认为按图甲电路进行实验操作的过程中存在安全隐患,并重新设计电路,在下列电路中,你认为相对合理的电路是________(Rx为未知小电阻)。
易错题
1.某实验小组甲、乙两同学要测量一节干电池的电动势和内阻。
实验室有如下器材可供选择:
A.待测干电池(电动势约为1.5V,内阻约为0.8Ω)
B.电压表V(量程15V)
C.电流表A1(量程0~3mA,内阻RA1=10Ω)
D.定值电阻R(阻值为50Ω)
E.电流表A2(量程0~0.6A,内阻RA2=0.1Ω)
F.电阻箱R0(0~9999.9Ω)
G.滑动变阻器(0~20Ω,1.0A)
H.开关、导线若干
(1)甲同学采用伏安法测量,为了尽量减小实验误差,在下列四个实验电路中应选用________。
(2)甲同学根据实验所测(或经过转换)的数据描绘出电源的U-I图线如图甲所示,则被测电池的电动势E=________V,内阻r=________Ω。
(结果均保留三位有效数字)
(3)乙同学采用电流表和电阻箱进行测量,所用电路图如图乙所示,闭合开关后,改变电阻箱阻值,当电阻箱阻值为R1时,电流表示数为I1;当电阻箱阻值为R2时,电流表示数为I2,请用RA2、R1、R2、I1、I2表示被测电池的电动势E=____________,电池的内阻r=____________。
2.某同学利用如图(a)所示的电路测量一微安表(量程为100μA,内阻大约为2500Ω)的内阻。
可使用的器材有:
两个滑动变阻器R1、R2(其中一个阻值为20Ω,另一个阻值为2000Ω);电阻箱Rz(最大阻值为99999.9Ω);电源E(电动势约为1.5V);单刀开关S1和S2。
C、D分别为两个滑动变阻器的滑片。
(1)按原理图(a)将图(b)中的实物连线。
(2)完成下列填空:
①R1的阻值为________Ω(填“20”或“2000”)。
②为了保护微安表,开始时将R1的滑片C滑到接近图(a)中滑动变阻器的________端(填“左”或“右”)对应的位置;将R2的滑片D置于中间位置附近。
③将电阻箱Rz的阻值置于2500.0Ω,接通S1。
将R1的滑片置于适当位置,再反复调节R2的滑片D的位置。
最终使得接通S2前后,微安表的示数保持不变,这说明S2接通前B与D所在位置的电势________(填“相等”或“不相等”)。
④将电阻箱Rz和微安表位置对调,其他条件保持不变,发现将Rz的阻值置于2601.0Ω时,在接通S2前后,微安表的示数也保持不变。
待测微安表的内阻为_____Ω。
(结果保留到个位)
(3)写出一条提高测量微安表内阻精度的建议:
____________________________
________________________________________________________________________。
精准预测题
1.某实验小组研究两个未知元件X和Y的伏安特性,使用的器材包括电压表(内阻约为3kΩ)、电流表(内阻约为1Ω)、滑动变阻器(最大阻值为5Ω,额定电流为1A)、电源、开关、导线等.
(1)使用多用电表粗测元件X的电阻.选择“×1”欧姆挡测量,示数如图1甲所示,读数为________Ω。
(2)现要研究元件X的伏安特性,请你根据所给的实验仪器设计合理的实验电路,把理论电路图画在乙方框内。
(3)根据合理的实验电路对元件X进行研究后,将元件X换成元件Y,重复实验.根据实验数据作出的U-I图线如图丙所示,由图可判断元件_______(填“X”或“Y”)是非线性元件。
2.为了测定电阻的阻值,实验室提供下列器材:
待测电阻R(阻值约100Ω)、滑动变阻器R1(0~100Ω)、滑动变阻器R2(0~10Ω)、电阻箱R0(0~9999.9Ω)、理想电流表A(量程50mA)、直流电源E(3V,内阻忽略)、导线若干、开关若干。
(1)甲同学设计如图2(a)所示的电路进行实验.
①请在图(b)中用笔画线代替导线,完成实物电路的连接.
②滑动变阻器应选________(选填字母代号即可).
③实验操作时,先将滑动变阻器的滑动触头移到最________(选填“左”或“右”)端,再接通开关S;保持S2断开,闭合S1,调节滑动变阻器使电流表指针偏转至某一位置,并记下电流I1.
④断开S1,保持滑动变阻器阻值不变,调整电阻箱R0阻值在100Ω左右,再闭合S2,调节R0阻值使得电流表读数为________时,R0的读数即为电阻R的阻值.
(2)乙同学利用电路(c)进行实验,改变电阻箱R0的值,读出电流表相应的电流I,由测得的数据作出
-R0图线如图(d)所示,图线纵截距为m,斜率为k,则电阻R的阻值为________(用m、k表示).
(3)若电源内阻是不可忽略的,则上述电路(a)和(c),哪种方案测电阻更好?
________。
原因是________________________________________________________________________。
3.某实验小组用图甲实验装置探究电源内、外电路的关系,其中电压表V1接在电源的正负极M、N上,电压表V2接在靠近电源正负极的探针P、Q上,V2可以测量出电源的内电压。
改变滑动变阻器的阻值,可读取多组电压表V1、V2和电流表A的示数U1、U2和I,并在图乙中描绘出U1-I图象和U2-I图象。
请回答如下问题:
(1)由于缺少一个0~3V的电压表,可以用一个阻值为________Ω的定值电阻与电流表(量程为0~2mA,内阻为300Ω)________(选填“串联”或“并联”)改装而成。
(2)乙图中图线________(选填“①”或“②”)是U2-I图象;分析两图线可知,在误差允许的范围内,电路中两电压表的示数之和________(选填“不变”“变小”或“变大”)。
(3)若实验中,探针P离电源正极M的距离过大,会产生明显的实验误差,此时在图乙中所绘出的两图线的交点相对于准确的交点________。
A.沿图线①向上移动B.沿图线①向下移动
C.沿图线②向上移动D.沿图线②向下移动
4.电阻温度计是根据导体电阻随温度而变化的规律来测量温度的。
铂电阻温度计是最精确的温度计,因为铂的化学惰性,成为-272.5℃至961.78℃范围内的首选材料,其电阻与温度成一次函数关系。
某实验小组利用如图甲所示的电路探究铂金属的温度特性.所用器材有:
铂金丝RPt,电源,电流表,滑动变阻器R1,电阻箱R2,单刀开关S1,单刀双掷开关S2。
实验步骤如下:
①按电路图甲,连好实物图乙;
②将RPt置于冰水混合物中,开关S2与1接通,闭合S1,调节R1的滑片位置,使电流表的读数为I0;
③保持R1的滑片位置不变,将R2置于最大值,开关S2与2接通,调节R2,使电流表的读数仍为I0;
④断开S2,记下此时R2的读数100.0Ω;
⑤再将RPt置于标准大气压下沸水中,重复上述过程,此时R2的读数为138.5Ω。
回答下列问题:
(1)在图乙中,将实物连线补充完整;
(2)闭合S1前,图乙中R1的滑片应移动到________(填“a”或“b”)端;
(3)在如图所示的坐标纸上作出RPt-t图线;
(4)当测得R2的阻值为247.09Ω时,RPt处在______℃的环境中(保留到个位数);
(5)实验后,小明用螺旋测微器测得铂金丝的直径如图丙所示,则铂金丝的直径为_______mm。
答案
(1)见解析图(a)
(2)a (3)见解析图(b)(4)382 (5)0.706(0.704~0.708均可)
5.如图甲为某磁敏电阻在室温下的电阻—磁感应强度特性曲线,其中RB表示有磁场时磁敏电阻的阻值,R0表示无磁场时磁敏电阻的阻值.为测量某磁场的磁感应强度B,需先测量磁敏电阻处于磁场中的电阻值。
(1)某同学首先测量待测磁场中磁敏电阻的阻值,利用下面提供的器材,请将图乙中的导线补充完整。
提供的器材如下:
A.磁敏电阻,无磁场时阻值R0=140Ω
B.滑动变阻器R,全电阻约20Ω
C.电流表A,量程2.5mA,内阻RA=100Ω
D.电压表V,量程3V,内阻约3kΩ
E.直流电源E,电动势3V,内阻不计
F.开关S,导线若干
(2)正确接线后,测量数据如下表,请利用表格数据在图中描点作图:
序号
1
2
3
4
5
6
U(V)
0.00
0.45
0.91
1.50
1.79
2.71
I(mA)
0.00
0.30
0.60
1.00
1.20
1.80
(3)根据U-I图象尽可能准确地求出磁敏电阻的阻值RB=________Ω,结合图甲可知待测磁场的磁感应强度B=________T。
(结果均保留两位有效数字)
参考答案
训练题
1.【解析】
(1)A端与电池正极相连,电流从A端流出,A端与黑色表笔相连。
(2)使用多用电表前,应机械调零,即应调整“指针定位螺丝”,使指针指在表盘左端电流“0”位置,与R6无关,选项A错;使用欧姆挡时,需要红、黑表笔短接,使电表指针指在表盘右端电阻“0”位置,选项B对;使用电流挡时,B端与“1”或“2”相连,与R6无关,C错。
(3)B端与“1”、“2”相连时,该多用电表挡位分别为直流2.5mA挡、直流1mA挡,如图甲所示,由电表的改装原理可知,B端与“2”相连时,有I2=Ig+
,解得R1+R2=160Ω;B端与“4”相连时,如图乙所示,多用电表为直流电压1V挡,表头并联部分电阻R0=
,R4=
-R0=880Ω。
(4)B端与“1”相连时,电表读数为1.47mA;B端与“3”相连时,多用电表为欧姆×100Ω挡,读数为11.0×100Ω=1.10×103Ω;B端与“5”相连时,多用电表为直流电压5V挡,读数为
×5V=2.95V。
【答案】
(1)黑
(2)B (3)160 880 (4)1.47mA1.10×103Ω 2.95V
2.
【解析】
(1)要实现在0~3.8V的范围内对小灯泡的电压进行测量,则滑动变阻器需要设计成分压接法;电压表○
应与固定电阻R0串联,将量程改为4V。
由于小灯泡正常发光时电阻约为12Ω,所以需将电流表外接。
电路图如图所示。
(2)I-U图象中随着电流的增大,图线的斜率变小,小灯泡的电阻增大。
根据电阻定律R=ρ
,得灯丝的电阻率增大。
(3)当滑动变阻器接入电路中的阻值最大为9.0Ω时,流过小灯泡的电流最小,小灯泡的实际功率最小,把滑动变阻器视为等效电源内阻的一部分,在题图(a)中画出等效电源E0′(电动势4V,内阻1.00Ω+9.0Ω=10Ω)的伏安特性曲线,函数表达式为U=4-10I(V),图线如图中Ⅰ所示,故小灯泡的最小功率为Pmin=U1I1=1.75×0.225W≈0.39W。
当滑动变阻器接入电路中的阻值最小为零时,流过小灯泡的电流最大,小灯泡的实际功率最大,在题图(a)中画出电源E0(电动势4V,内阻1.00Ω)的伏安特性曲线,函数表达式为U=4-I(V),图线如图中Ⅱ所示,故小灯泡的最大功率为Pmax=U2I2=3.68×0.318W≈1.17W。
【答案】
(1)见解析图
(2)增大 增大 (3)0.39 1.17
3.
【解析】
(1)根据实验数据在坐标系内描点并用直线连接,如图所示。
(2)由所画U-I图象可知,图线与纵轴交点的纵坐标为2.0V,图线的斜率的绝对值约为0.83Ω,即电源电动势E=2.0V,内阻r=0.83Ω。
(3)电压表测的是路端电压,电源的输出功率P=UI,I=
,U内=E-U,联立可得P=-
+
,故P-U图线为一条过原点、开口向下的抛物线,图C正确。
当电源内电压与路端电压相等时,输出功率最大,此时路端电压是电动势的一半,最大功率为P=
≈1.2W。
(4)图A中,当滑动变阻器的滑片滑到最右端时,电源短路,存在安全隐患,A错;图B中滑动变阻器采用分压式接法,能保护电路,但不能测量出电路中的总电流,B错;图C中滑动变阻器采用限流式接法,既能保护电路,又能测出电源的电动势和内阻,C对;图D中能测出电源电动势,但测不出电源的内电阻(测的是Rx+r),D错。
【答案】
(1)见解析图
(2)2.0 0.83 (3)C 1.2 (4)C
易错题
1.【解析】
(1)因电压表量程太大,直接使用误差很大,因此可将电流表A1与电阻箱串联改装成电压表,电流表A2测电流,所以选用D。
(2)图线与纵轴交点纵坐标约为1.48V,即电源电动势E=1.48V,图线的斜率的绝对值|k|=
Ω≈0.844Ω,即电源的内阻r≈0.844Ω。
(3)由闭合电路欧姆定律知E=I1(R1+RA2+r),E=I2(R2+RA2+r),联立得E=
,r=
-RA2。
【答案】
(1)D
(2)1.48 0.844 (3)
-RA2
2.【解析】
(1)根据题中的原理图(a),将题图(b)中的实物连线如图所示。
(2)①R1起分压作用,应选用最大阻值较小的滑动变阻器,即R1的电阻为20Ω。
②为了保护微安表,闭合开关前,滑动变阻器R1的滑片C应移到左端,确保微安表两端电压为零。
③反复调节D的位置,使闭合S2前后微安表的示数不变,说明闭合后S2中没有电流通过,B、D两点电势相等。
④将电阻箱Rz和微安表位置对调,其他条件保持不变,发现将Rz的阻值置于2601.0Ω时,在接通S2前后,微安表的示数也保持不变。
说明
=
,则解得RμA=2550Ω。
(3)要提高测量微安表内阻的精度,可调节R1上的分压,尽可能使微安表接近满量程。
【答案】
(1)见解析图
(2)①20 ②左 ③相等 ④2550 (3)调节R1上的分压,尽可能使微安表接近满量程
精准预测题
1.
【答案】
(1)10.0
(2)见解析图 (3)Y
【解析】
(1)使用多用电表粗测元件X的电阻,选择“×1”欧姆挡测量,示数如题图甲所示,读数为10.0Ω。
(2)电压表的内阻远大于待测元件的电阻,可采用电流表外接,滑动变阻器用分压式接法,电路图如图。
(3)根据画出的U-I图象可知,Y元件的图象为非线性曲线,可知Y为非线性元件。
2.【答案】
(1)①见解析图 ②R2 ③左 ④I1
(2)
(3)(a) 此方案不受电源内阻的影响
【解析】
(1)①根据电路图连接实物图如图所示
。
②因为滑动变阻器采用分压式接法时,阻值越小调节越方便,所以滑动变阻器应选R2。
③实验操作时,应将滑动变阻器的滑动触头置于输出电压最小的一端,即最左端。
④根据欧姆定律,若两次保持回路中电流表读数不变,即电流表读数仍为I1时,则根据电路结构可知,回路中总电阻也应该相等,结合回路中的电阻计算,可知R0的读数即为电阻R的阻值。
(2)根据闭合电路欧姆定律应有:
E=I(R+R0)
解得:
=
+
结合数学知识可知m=
,k=
解得:
E=
,R=Em=
。
(3)若电源内阻是不可忽略的,则电路(a)好,因为电源内阻对用(a)测电阻没有影响,而导致用(c)测量电阻偏大,有测量误差。
3.【答案】
(1)1200 串联
(2)② 不变 (3)B
【解析】
(1)将电流表表头改装成电压表,需要串联一个分压电阻,电阻的阻值:
R=
-RA=
Ω-300Ω=1200Ω。
(2)V2可以测量出电源的内电压,根据欧姆定律:
U2=Ir,所以图线②是U2-I图象,分析题图①②两图线可知,在误差允许的范围内,电路中两电压表的示数之和保持不变。
(3)探针P离电源正极M的距离过大,导致测得的内电压变小,与V2并联的内阻变小,图线②的斜率变小,所以交点相对于准确值沿图线①向下移动,A、C、D错误,B正确。
4.【答案】
(1)见解析图(a)
(2)a (3)见解析图(b)(4)382 (5)0.706(0.704~0.708均可)
【解析】
(1)按电路图连接实物图如图(a)。
(2)为了保护用电器,闭合开关前应将滑动变阻器的最大电阻接入电路中,即闭合S1前,题图乙中R1的滑片应移动到a端。
(3)将RPt置于冰水(0℃)混合物中,RPt的电阻为100Ω,将RPt置于标准大气压下沸水(100℃)中,RPt的电阻为138.5Ω,其电阻与温度成一次函数关系,所以RPt-t图线如图(b)。
(4)由图象可得,电阻与温度间的关系为:
RPt=100+
t=100+0.385t,当测得R2的阻值为247.09Ω时,即RPt的电阻为247.09Ω,代入解得:
t≈382℃。
(5)螺旋测微器的读数:
0.5mm+20.6×0.01mm=0.706mm。
5.【答案】
(1)见解析图(a)
(2)见解析图(b)(3)1.4×103 1.2
【解析】
(1)采用伏安法测量电阻,由于电流表内阻已知,采用电流表内接法,滑动变阻器采用分压式接法,连接实物图如图(a)所示。
(2)根据数据作出的U-I图象如图(b)。
(3)由U-I图象可知,磁敏电阻的阻值RB=
=
Ω=1.4×103Ω;
=
=10,由题图甲可知待测磁场的磁感应强度B为1.2T。
2020年高考物理二轮专题复习十三:
电学实验(解析版)
考向预测
电学实验每年都考,主要体现在:
(1)基本仪器的原理和使用;
(2)基本的实验目的、原理和实验思想,如实验器材的选取,电流表的内、外接法及滑动变阻器的连接方式、电路故障的分析等;(3)处理实验数据的基本方法,如图象法、平均值法等。
知识与技巧的梳理
1.欧姆表的原理
(1)欧姆表内有电源,红表笔与内部电源负极相连,黑表笔与内部电源的正极相连,故其电流方向为“红表笔流进,黑表笔流出”。
(2)测电阻的原理是闭合电路欧姆定律。
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,Ig=
,此时中值电阻R中=Rg+R0+r,当两表笔接入电阻Rx时I=
,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。
2.测量电源的电动势和内阻的基本原理是闭合电路欧姆定律,数据处理的主要思想方法是“化曲为直”,常用的方法有三种:
(1)伏安法——利用电压表和电流表。
闭合电路方程为E=U+Ir,利用两组数据,联立方程求解E和r;也可作出U-I图象,图线的纵截距表示电源的电动势,斜率的绝对值表示电源的内阻。
(2)伏阻法——利用电压表和电阻箱。
闭合电路方程为E=U(1+
)。
利用两组数据联立方程求解或将方程线性化,处理为
=
·
+
或U=-r
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