高考物理专题电学实验精讲.docx
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高考物理专题电学实验精讲
电学实验精讲
电学设计性实验题能有效地考查学生的实验技能和创造性思维能力,在高考中的考查频率很高.不少学生面对这类题感到无从下手.实际上,只要做到“三个明确”“三个选择”,问题便可迎刃而解.
一、明确题目的要求
解答一道电学实验设计题,首先要认真审清题意,看清题目的要求.即要看清题目要求测定什么物理量,验证、探究什么物理规律,或者要求设计达到何种标准的电路等.对实验的目的要求明确了,才能保证解题思路正确、明朗,方法对头.
二、明确实验设计的原理
测量电路、控制电路、实验仪器的选择,实验方法、步骤的确定,数据处理、误差分析等问题,都是从实验原理派生出来的,只有明确实验原理,其他问题才可得以解决.如果设计测定型实验,应弄清待测物理量可通过哪些规律、公式求得,与哪些物理量有直接联系,可用哪些物理量定量地表示,用何种方法测定相关量,进而得出待求量.如果设计验证型实验,应弄清在相应的物理现象中,何种定量关系成立,才能使待验证的结论成立.对于设计符合一定标准的电路问题,则应根据实验的要求和相关物理规律,器材的规格、性能等,合理选择、连接电路.
三、明确设计电路的原则
设计电路一般应遵循“安全性”原则、“精确性、方便性”原则,兼顾“运用仪器少,耗电少”等三条原则.
1.安全性原则
选用仪器组成电路,首先要保证实验正常进行.例如通过电流表的电流和加在电压表上的电压均不得超过其量程,滑动变阻器、被测电阻不得超过其额定电流(额定功率)等.
2.精确性、方便性原则
“精确”是指选用仪器组成实验电路时要尽可能减小测量误差,提高精确度.例如所用电流表、电压表的指针应有较大的偏转,一般应使指针偏转在满刻度的1/3以上,以减小因读数引起的偶然误差.
“方便”是指实验中便于调节控制,便于读数.例如应根据电路可能出现的电流、电压范围选择滑动变阻器.对大阻值的滑动变阻器,如果滑片稍有移动就使电路中的电流、电压有很大变化,则不宜采用.对于滑动变阻器,还要权衡用分压式电路还是限流式电路.
3.运用仪器少,耗电少原则
在达到实验目的,各项指标均符合要求的前提下,还应注意运用的仪器尽量少和节约电能.例如控制电路有限流式与分压式两种调节电路,若这两种调节电路均能满足要求,从消耗功率小,节约电能的角度,则应选用限流式电路.
四、控制电路的选择
滑动变阻器选用限流接法和分压接法的依据:
(1)负载电阻电压要求变化范围较大,且从零开始连续可调,应选分压电路.
(2)若负载电阻的阻值Rx远大于滑动变阻器总阻值R,应选分压电路.
(3)若负载电阻的阻值Rx小于滑动变阻器总阻值R或相差不多,且没有要求电压从零可调,应选限流电路.
(4)两种电路均可时限流电路优先,因为限流电路消耗的总功率小.
五、测量电路的选择
对伏安法测电阻,应根据待测电阻的大小选择电流表不同的接法.
(1)阻值判断法:
当RV≫Rx时,采用电流表“外接法”;
当Rx≫RA时,采用电流表“内接法”.
(2)倍率比较法:
①当=,即Rx=时,既可选择电流表“内接法”,也可选择“外接法”;
②当>即Rx<时,采用电流表外接法;
③当<即Rx>时,采用电流表内接法.
(3)试触法:
与比较大小;
①若>,则选择电压表分流的外接法;
②若>,则选择电流表的内接法.
六、实验器材的选择
1.安全因素
通过电源、电表、电阻的电流不能超过允许的最大电流.
2.误差因素
选择电表时,保证电流和电压均不超过其量程.使指针有较大偏转(一般取满偏度的~);使用欧姆表选挡时让指针尽可能在中值刻度附近.
3.便于操作
选滑动变阻器时,在满足其他要求的前提下,可选阻值较小的.
4.实验的实际要求.
例:
常用的电流表有内阻,现要测量电流表G1的内阻r1,电路如图甲所示.供选择的仪器如下:
A.待测电流表G1(0~5mA,内阻约300Ω)
B.电流表G2(0~10mA,内阻约100Ω)
C.定值电阻R1(30Ω)
D.定值电阻R2(300Ω)
E.定值电阻R3(3kΩ)
F.滑动变阻器R4(0~20Ω)
G.电源(电动势6.0V,内阻不计)
H.开关S及导线若干
(1)电路中与电流表G1并联的电阻应选________,保护电阻应选用________(请填写器材前的字母序号).
(2)根据电路图在图乙中连接实物图,要求闭合开关前滑动变阻器的滑动触头P处于正确位置.
(3)补全实验步骤:
①按电路图连接电路;
②闭合开关S,移动滑动触头P至某一位置,记录G1、G2的读数I1、I2;
③________________________________________________________________________;
④以I1为纵轴,I2为横轴,作出相应图象如图丙所示.
丙
(4)根据I1-I2图线的斜率k及定值电阻,写出电流表G1内阻的表达式r1=________.
[解析]
(1)由于G2的量程为0~10mA,而G1的量程为0~5mA,则与G1并联的电阻分流大约是0~5mA,应与G1的内阻相当,因此应选R2,即D.保护电阻如过大,则导致G1、G2示数很小,或指针不偏转,因此应选R1,即C.
(2)
(3)多次移动滑动触头,记录相应的G1、G2读数I1、I2.
(4)从电路可知:
(I2-I1)R2=I1r1,即I1=I2,即=k,所以r1=R2.
[答案]
(1)D C
(2)见解析图
(3)多次移动滑动触头,记录相应的G1、G2读数I1、I2(4)R2
一.测定电源的电动势和内阻
实验目的
1.掌握用电压表和电流表测定电源的电动势和内阻的方法;进一步理解闭合电路的欧姆定律.
2.掌握用图象法求电动势和内阻的方法.
实验原理
1.实验电路:
如图所示.
2.实验原理:
闭合电路的欧姆定律.
实验器材
电池(被测电源)、电压表、电流表、滑动变阻器、开关、导线、坐标纸、铅笔.
实验步骤
1.电流表用0.6A量程,电压表用3V量程,按实验电路图连接好实物电路.
2.把变阻器的滑片移动到使接入电路阻值最大的一端.
3.闭合电键,调节变阻器,使电流表有明显示数.记录一组电流表和电压表的示数,用同样方法测量并记录几组I、U值,并填入表格中.
第1组
第2组
第3组
第4组
第5组
第6组
U/V
I/A
4.断开开关,拆除电路,整理好器材.
数据处理
本实验中数据的处理方法,一是联立方程求解的公式法,二是描点画图法.
法一:
取六组对应的U、I数据,数据满足的关系式U1=E-I1r、U2=E-I2r、U3=E-I3r…让第1式和第4式联立方程,第2式和第5式联立方程,第3式和第6式联立方程,这样解得三组E、r,取其平均值作为电池的电动势E和内阻r的大小.
法二:
以路端电压U为纵轴、干路电流I为横轴建立U-I坐标系,在坐标平面内描出各组(U,I)值所对应的点,然后尽量多地通过这些点作一条直线,不在直线上的点大致均匀分布在直线两侧,如图所示,则
(1)图线与纵轴交点为E.
(2)图线与横轴交点为I短=.
(3)图线的斜率表示r=.
误差分析
1.由读数误差和电表线性不良引起误差.
2.用图象法求E和r时,由于作图不准确造成的误差.
3.本实验采用的测量电路是存在系统误差的,这是由于电压表的分流IV引起的,使电流表的示数I测小于电池的输出电流I真.因为I真=I测+IV,而IV=U/RV,U越大,IV越大,U趋近于零时,IV也趋近于零.所以此种情况下图线与横轴的交点为真实的短路电流,而图线与纵轴的交点为电动势的测量值,比真实值偏小.修正后的图线如右图所示,显然,E、r的测量值都比真实值偏小,r测 4.若采用下图甲所示电路,电流是准确的,当I很小时,电流表的分压很小,但随电压的增大,电流I增大,电流表的分压作用也逐渐增大.此种情况如图乙所示,所以E测=E真、r测>r真. 甲乙 注意事项 1.为了使电池的路端电压变化明显,电池的内阻应选的大些(选用已使用过一段时间的干电池). 2.在实验中不要将I调得过大,每次读完U、I读数立即断电,以免干电池在大电流放电时极化现象过重,使得E、r明显变化. 3.测出不少于6组I、U数据,且变化范围要大些,用方程组求解时,类似于逐差法,要将测出的I、U数据中,第1和第4组为一组,第2和第5组为一组,第3和第6组为一组,分别解出E、r值再求平均值. 4.在画U-I图线时,要使较多的点落在这条直线上或使各点均匀分布在直线的两侧,而不要顾及个别离开直线较远的点,以减小偶然误差. 5.干电池内阻较小时,U的变化较小,此时,坐标图中数据点将呈现如图甲所示的状况,使下部大面积空间得不到利用,为此,可使纵坐标不从零开始而是根据测得的数据从某一恰当值开始(横坐标I必须从零开始),如图乙所示,并且把坐标的比例放大,可使结果的误差减小.此时图线与横轴交点不表示短路电流,而图线与纵轴的截距仍为电动势,要在直线上任取两个相距较远的点,用r=计算出电池的内阻r. 拓展创新——测量电动势和内阻的其他方法 1.安—阻法 用一个电流表和电阻箱测量,电路如图,测量原理为: E=I1(R1+r),E=I2(R2+r),由此可求出E和r,此种方法使测得的电动势无偏差,但内阻偏大. 2.伏—阻法 用一个电压表和电阻箱测量,电路如图,测量原理为: E=U1+r,E=U2+r,由此可求出r和E,此种方法测得的电动势和内阻均偏小. 3.粗测法: 用一只电压表粗测电动势,直接将电压表接在电源两端,所测值近似认为是电源电动势,此时U=≈E,需满足RV≫r. 4. 双伏法: 用两个电压表可测得电源的电动势,电路如图所示.测量方法为: 断开S时,测得V1、V2的示数分别为U1、U2,此时,E=U1+U2+r,RV为V1的内阻;再闭合S,V1 器材选取和实物连线 某实验小组利用如图所示电路测定一节电池的电动势和内电阻,备有下列器材: ①待测电池,电动势约为1.5V(小于1.5V) ②电流表,量程3mA ③电流表,量程0.6A ④电压表,量程1.5V ⑤电压表,量程3V ⑥滑动变阻器,0~20Ω ⑦开关一个,导线若干 (1)请选择实验中需要的器材________(填标号). (2)按电路图将实物(如图甲所示)连接起来. (3)小组由实验数据作出的U-I图象如图乙所示,由图象可求得电源电动势为________V,内电阻为________Ω. [解析] (1)电流表,量程3mA不能满足实验需要,故选量程为0.6A电流表;电动势小于1.5V,故选量程为1.5V的电压表.其他都是电路必需器材,故所需器材为: ①③④⑥⑦. (2)如图所示 (3)根据图象得: E=1.40V r=2.8Ω [答案] 见解析 对实验原理和数据处理的考查 某中学生课外科技活动小组利用铜片、锌片和家乡盛产的柑橘制作了果汁电池,他们测量这种电池的电动势E和内阻r,并探究电极间距对E和r的影响,实验器材如图所示. (1)测量E和r的实验方案为: 调节滑动变阻器,改变电源两端的电压U和流过电源的电流I,依据公式________,利用测量数据作出U-I图象,得出E和r. (2)将电压表视为理想表,要求避免电流表分压作用对测量结果的影响,请在图中用笔画线代替导线连接电路. (3)实验中依次减小铜片与锌片的间距,分别得到相应果汁电池的U-I图象如图中(a)、(b)、(c)、(d)所示,由此可知: 在该实验中,随电极间距的减小,电源电动势
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- 高考 物理 专题 电学 实验