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2013年高考物理二轮复习专题电学实验


电学实验
核心整合 一、电学测量仪器 1.电流表、电压表、欧姆表的比较 仪器 极性 量程选择 电流表

读数 3 V 和 3 A 量程估读到最 小分度的 1/10;15 V 量 程估读到最小分度的 1/5;0.6 A 量程估读到 最小分度的 1/2

电压表

欧姆表

有正、负 极的电 表

,电流 由电表的 正极流 入,负极 流出

使指针指示超过满偏 1 刻度的 位置 3

使指针尽量指在表盘 的中间位置

表盘读数乘以相应挡位 的倍率

2.多用电表的使用“三注意” (1)电流的流向 由于使用多用电表时不管测量项目是什么,电流都要从电表的“+”插孔(红表笔)流 入,从“-”插孔(黑表笔)流出,所以使用欧姆挡时,多用电表内部电池的正极接的是黑 表笔,负极接的是红表笔。 (2)要区分开“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螺丝;“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旋钮。 (3)选倍率 测量前应根据估计阻值选用适当的挡位。 由于欧姆挡刻度的非线性, 使用欧姆挡测电阻 时,表头指针偏转过大或过小都有较大误差。通常只使用表盘中间一段刻度范围,指针偏转 1 2 角度在 满偏到 满偏之间为测量的有效范围。 如当待测电阻约为 2 kΩ 时, 应采用“×100” 3 3 挡。 二、电流表的内外接法 1.两种接法的比较 比较项目 电流表内接法 电流表外接法 电路 误差原因 测量结果 适用条件 2.两种接法的判断 (1)比值判断法: 由于电流表内阻的分压作用,电压 由于电压表内阻的分流作用, 表测量值偏大 电流表测量值偏大

U R 测= =RA+Rx>Rx I
电阻的测量值大于真实值 Rx? RA,大电阻

U RV R 测= = Rx<Rx I RV+Rx
电阻的测量值小于真实值 Rx? RV,小电阻

若 < ,Rx 为大电阻,内接法误差小应选用内接法;若 > ,Rx 为小电阻,外接法误 差小应选用外接法。 (2)临界值判断法:
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RV Rx Rx RA

RV Rx Rx RA

当被测电阻 Rx 的大小无法直接判定时,先求临界电阻 R0= RA·RV。若 Rx>R0,则 Rx 为 大电阻,内接法误差小;若 Rx<R0,则 Rx 为小电阻,外接法误差小;若 Rx=R0,内外接法均 可。 (3)试触法:当无法估计电阻的阻值,难以比较 及 的大小时,可采用电压表试触法 看电流表、电压表变化大小来确定,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;若电压表示数较电流表示数变化明显,说明内接时电流表的 分压作用大,应采用外接法。 三、滑动变阻器的限流和分压接法 1.控制电路的比较 比较项目 限流式接法 分压式接法

RV Rx Rx RA

电路

R 电压调节 0→E E→E R+R0 的范围 电能损耗 节能 耗能 电路连接 简便 复杂 2.控制电路的选择:优先选用限流式 以下情况考虑分压式: (1)要求待测电路的 U、I 从 0 变化; (2)R 滑? Rx; (3)选用限 流式时,Ux、Ix 过大(超过电表量程,烧坏电表、电源或用电器等)或 Ux、Ix 过小(最大值 1 不超过电表满量程的 ,读数误差大) 。 3 热点例析 热点一 多用电表的使用 【例 1】 (1)用多用电表准确测量了一个 10 Ω 的电阻后,需要继续测量一个阻值大约 是 3 kΩ 的电阻,在用红、黑表笔接触这个电阻两端之前,以下哪些操作是必需的,请选择 其中有用的,按操作顺序写出________。 A.调节欧姆调零旋钮使表针指着欧姆零点 B.用螺丝刀调节表盘下中间部位的调零螺丝,使表针指零 C.将红表笔和黑表笔短接 D.把选择开关旋转到“×100 Ω ”位置 E.把选择开关旋转到“×1 kΩ ”位置 F.把表笔从测试笔插孔中拔出后,选择开关应置于“OFF”挡或交流电压最高挡 G.整理好器材,把多用表放回桌上原处,实验完毕。 (2)如图所示为一正在测量中的多用电表表盘。

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①如果是用×10 Ω 挡测量电阻,则读数为________Ω 。 ②如果是用直流 10 mA 挡测量电流,则读数为______mA。 ③如果是用直流 5 V 挡测量电压,则读数为________V。 规律总结多用电表的使用步骤 (1) 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 200 Ω 就应该选“×10”的倍率; (2)进行欧姆调零; (3)将红黑表笔接被测电阻两端进行测量; (4)将指针示数乘以倍率,得测量值; (5)测量结束后,将选择开关扳到“OFF”挡或交流电压最高挡。 特别注意: 用欧姆挡测电阻时, 如果指针偏转角度太小 (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; 如果指针偏转角度太大 (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。 热点二 实验器材的选取与电路设计 【例 2】 (2012·河南中原六校联考)一电流表 G 的内电阻 Rg 约在 1~2 kΩ ,现要测量 它的内电阻,提供的器材有: A.待测电流表 G(量程 200 μ A) B.电阻箱 R(0~9 999 Ω ) C.滑动变阻器 R1(0~20 Ω 1 A) D.滑动变阻器 R2(0~1 kΩ 0.5 A) E.电源 E(4 V,内阻不计) F.开关 S G.导线若干条 (1)请你画出测量电流表 G 内电阻的电路设计图。 (2)电路中滑动变阻器应选用________(填选项前字母) 。 (3)电路接好并检查无误后,如何调节电阻箱和滑动变阻器,测电流表 G 的内电阻, 要求写出具体步骤,并写明要记录的物理量(用字母表示) ,写出计算这个内电阻的表达式 Rg=____________。 规律总结 1.器材选取问题的策略 (1)器材选取三原则: ①安全性原则:要能够根据实验要求和客观条件选用合适的仪器,使实验切实可行,能 达到预期目标。 另外还要注意测量仪器的量程, 电阻类器件的电流不能超过允许通过的最大 电流等。 ②精确性原则:根据实验的需要,选用精度合适的测量工具,但对某个实验来讲,精确 程度够用即可,并不是精度越高越好。 ③方便性原则:实验时需考虑调节方便,便于操作,如滑动变阻器的选择,既要考虑它 的额定电流,又要考虑它的阻值范围,在二者都能满足实验要求的情况下,还要考虑阻值大
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小对实验操作是否调节方便的问题。 (2)器材选取三具体要求 ①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(一般取 满偏的 1/3~2/3 左右) ,以减少测量和读数的误差。 ②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 不能超过它的额定值。对高阻值的变阻器,如果滑动头稍有移动,使电流、电压有很大变化 的,不宜采用。 ③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,才能做出恰 当的选择。 (3)器材选取的一般步骤 ①找出唯一且必需的器材。 ②画出电路图(暂不把电表接入) 。 ③估算最大值(在限流电路中把滑动变阻器触头推向最小值)或估算最小值(在限流电 路中把滑动变阻器触头推向最大值) 。 ④考虑能否使电压表、电流表都达到满偏的 1/3 以上。 2.电路设计 根据实验目的, 结合实验给出的器材能够直接测出的物理量, 运用闭合电路欧姆定律列 方程(方程组) ,能够求解实验目的量的电路。在设计中注意电流表的内(外)接法或滑动 变阻器的分压(限流)接法。 热点三 实物图连接与仪器读数 【例 3】 (2012·山东菏泽学院附中高三五月冲刺)请完成以下问题。 用伏安法测量金属丝的电阻(阻值在 4~8 Ω 之间) ,现提供图甲所示的实验器材。实 验要求获得多组数据,且金属丝上所加的电压须从零开始。 (1)请在图甲中选择必要的器材,并进行连线。

甲 (2)某次实验测量时,两表均选用小量程。表面刻度及指针如图乙所示,则该金属丝 的电阻值为________。

乙 规律点拨 1.实物图连接方法 根据电路图连接实物图的方法是先串后并, 即先按电流流向将电源与其中一支路连成串 联电路,而后将其他支路的元件并联在相应的两点间,电路连接时要注意以下几点:①注意 连接顺序, 一般的顺序: 电源正极→开关→用电器→电源负极; ②注意电表正负极、 接线柱, 不能接错, 电流表内、 外接不能接错; ③一般要求导线不能交叉, 注意合理安排导线的位置,
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力求画出简洁、流畅的实物图。 2.电流表、电压表的读数 (1)电流表、电压表(包括刻度尺、弹簧测力计等)最小刻度是 10 分度的,要求读到 最小刻度后再往下估读一位(估读的这位是不可靠数字,且是有效数字不可缺少的组成部 分) 。 所谓 10 分度,就是将间距 10、1 或 0.1 等分别等分成 10 份,即最小刻度(最小的一个 小格的刻度值)为 1、0.1 或 0.01 等。 (2)最小分度是“2”或“5”的仪器,测量误差出现在同一位上,就只读到这一位, 如学生用的电流表 0.6 A 量程,最小分度为 0.02 A,误差出现在安培的百分位上,只读到 安培的百分位,估读半小格。 热点四 用图象处理实验数据 【例 4】 (2012·福建理综)某研究性学习小组欲测定一块电池的电动势 E。 (1)先直接用多用电表测定该电池电动势,在操作无误的情况下,多用电表表盘示数 如图,其示数为________ V。

(2)然后,用电压表 V、电阻箱 R、定值电阻 R0、开关 S、若干导线和该电池组成电路, 测定该电池电动势。 ①根据电路图,用笔画线代替导线,将实物图连接成完整电路。

②闭合开关 S,调整电阻箱阻值 R,读出电压表 V 相应示数 U。该学习小组测出大量数 据,分析筛选出下表所示的 R、U 数据,并计算出相应的 1/R 与 1/U 的值。请用表中数据在 坐标纸上描点,并作出 1/U-1/R 图线。 R/Ω 166.7 71.4 50.0 33.3 25.0 20.0 U/V 8.3 5.9 4.8 4.2 3.2 2.9 1/R 0.60 1.40 2.00 3.00 4.00 5.00
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(×10 Ω ) -1 1/U(V ) 0.12 0.17 ③从图线中可求得 E=________ V。

-2

-1

0.21

0.24

0.31

0.35

规律点拨运用图象法处理数据是物理实验中的重要方法。 图象有曲线图 (如伏安特性曲 线) 、直线图(如测电源的电动势和内电阻) 。处理此类问题时,既要能根据已知数据用描迹 法正确地画出图象,又要能根据图象写出函数的数学表达式,利用数学表达式得出斜率、截 距、交点的含义。

1. (2012·广东理综) 某同学测量一个圆柱体的电阻率, 需要测量圆柱体的尺寸和电阻。 (1)分别使用游标卡尺和螺旋测微器测量圆柱体的长度和直径,某次测量的示数如图 (a)和图(b)所示,长度为________cm,直径为________mm。

(a)

(b)

(c) (2)按图(c)连接电路后,实验操作如下: (a)将滑动变阻器 R1 的阻值置于最________处(选填“大”或“小”) ;将 S2 拨向接
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点 1,闭合 S1,调节 R1,使电流表示数为 I0; (b)将电阻箱 R2 的阻值调至最________处(选填“大”或“小”) 2 拨向接点 2;保 ;S 持 R1 不变,调节 R2,使电流表示数仍为 I0,此时 R2 阻值为 1 280 Ω ; (3)由此可知,圆柱体的电阻为________Ω 。 2. (2012·河北衡水高三二调)图(a)是白炽灯 L1(220 V 100 W)和 L2(220 V 60 W)的伏安特性曲线。

(a)

(b) (1)图中曲线________表示灯 L1 的伏安特性曲线。 (选填“A”或“B”) (2)随着灯泡 L1 功率的增大,其灯丝阻值逐渐________。 (选填“变大”“变小”或 “不变”) (3)若将这两个灯泡并联在电路上,在用电高峰时电压仅 200 V,则此时 L1 灯的实际 功率为________W,L2 灯的实际功率为________W。 (4)若将它们串联后接在 220 V 电源上,则此时 L1 灯的实际功率为________W,L2 灯的 实际功率为________W。 (5)若用图(b)所示电路测量 L1 灯的伏安特性,由于电表存在内阻,实际测得的伏 安特性曲线比图(a)中描绘出的理想伏安特性曲线在 IU 图中位置来得偏________(选填 “高”或“低”) 。 (6)用图(b)所示电路测量 L1 灯伏安特性时,已知 R0=10 Ω ,E=300 V。则电路中 可变电阻 R 选用下列各种规格时,测量效果最好的是( ) 。 A.最大电阻 5 Ω ,最大电流 10 A B.最大电阻 50 Ω ,最大电流 6 A C.最大电阻 500 Ω ,最大电流 1 A D.最大电阻 5 000 Ω ,最大电流 1 A 3. (2012·北京西城高三一模)在“测定金属丝的电阻率”的实验中,某同学进行了如 下操作: (1)用毫米刻度尺测量接入电路中的金属丝的长度 l。再用螺旋测微器测量金属丝的 直径 D,某次测量结果如图 1 所示,则这次测量的读数 D=________mm。

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图1 (2)为了合理选择实验方案和器材,首先使用欧姆表(×1 挡)粗测拟接入电路的金 属丝的阻值 R。欧姆表调零后,将表笔分别与金属丝两端连接,某次测量结果如图 2 所示, 则这次测量的读数 R=________Ω 。

图2 (3)使用电流表和电压表更精确地测量金属丝的阻值。为了安全、准确、方便地完成 实验, 除电源 (电动势为 4 V, 内阻很小) 待测电阻丝、 、 导线、 开关外, 电压表应选用________, 电流表应选用________,滑动变阻器应选用________(选填下表中器材前的字母) 。 A.电压表 V1? 量程 3 V,内阻约 3 kΩ ? B.电压表 V 2? 量程 15 V,内阻约 15 kΩ ? C.电流表 A1? 量程 600 mA,内阻约 1 Ω ? D.电流表 A2? 量程 3 A,内阻约 0.02 Ω ? E.滑动变阻器 R1? 总阻值 10 Ω ,额定电流 2 A? F.滑动变阻器 R2? 总阻值 100 Ω ,额定电流 2 A (4)若采用图 3 所示的电路测量金属丝的电阻,电压表的左端应与电路中的________ 点相连(选填“a”或“b”) 。若某次测量中,电压表和电流表读数分别为 U 和 I,请用上 述直接测量的物理量(D、l、U、I)写出电阻率 ρ 的计算式:ρ =________。

图3 (5)下面方框中所列的是一些材料在 20 ℃时的电阻率。实验中使用的金属丝是方框 中列出的某一种材料。某次实验中,测得金属丝的长度为 52.80 cm,直径为 0.495 mm,阻 值为 2.9 Ω 。则金属丝的材料为________。 (选填金属名称) -8 铜 1.7×10 Ω ·m -8 钨 5.3×10 Ω ·m -7 康铜 5.0×10 Ω ·m -7 锰铜 4.4×10 Ω ·m -6 镍铬合金 1.1×10 Ω ·m 4. (2012·马鞍山高三教学质量检测)在“测定电池的电动势和内阻”的实验中,备有 如下器材:
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A.干电池 B.电流表(0~0.6 A、内阻约 0.1 Ω ) C.灵敏电流计 G(满偏电流 Ig=200 μ A、内阻 rg=500 Ω ) D.滑动变阻器(0~20 Ω 、2.0 A) E.电阻箱 R F.开关、导线若干 ①由于没有电压表,需要把灵敏电流计 G 改装成量程为 2 V 的电压表,需串联一个阻值 为________Ω 的电阻。 ②改装后采用如图 a 所示电路进行测量。 在闭合开关 S 前, 将滑动变阻器的滑片移动至 ________(填“a 端”、“中央”或“b 端”) 。

图a ③图 b 为该实验绘出的 I1—I2 图线(I1 为灵敏电流计 G 的示数,I2 为电流表 A 的示数) , 由图线可求得被测电池的电动势 E=________V,内电阻 r=________Ω 。

图b 参考答案 精要例析·聚焦热点 热点例析 【例 1】答案: (1)DCA (2)①60 ②7.18 ③3.59 解析: (2)①电阻读数要用刻度乘以挡位倍率,即 6×10 Ω =60 Ω 。 ②用 10 mA 挡测量电流,每格刻度为 0.2 mA,读数为 6 mA+5.9×0.2 mA=7.18 mA。 ③用 5 V 挡测电压,每格刻度为 0.1 V,读数为 3 V+5.9×0.1 V=3.59 V。 【例 2】答案: (1)如图所示

(2)C (3)①调节电阻箱,使其阻值较大,记下其值为 R1 ②调节滑动变阻器,使 G 中有一适当的示数为 I1 ③固定滑动变阻器的滑动片的位置, 调节电阻箱使阻值为 R2, 并记录 G 中这时的示数为
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I2 I1R1-I2R2 I2-I1
解析:本实验是半偏法测电阻,调节电阻箱电阻较大,滑动变阻器电阻越小越好,保证 滑片位置不动,可近似认为并联段的电压不变,I1(Rg+R1)=I2(Rg+R2) ,由此关系可知电 I1R1-I2R2 流表内阻为 Rg= 。 I2-I1 【例 3】答案: (1)如图所示

(2)5.0 Ω 解析: (1)在连接实物图中,由于待测电阻为金属丝电阻,属于小电阻,故电流表采用 外接法,题中明确要求待测金属丝两端的电压从零开始,故滑动变阻器应采用分压接法。 ②由图读得:U=2.30 V,I=0.46 A

U R= =5.0 Ω 。 I
【例 4】答案: (1)9.4 (2)①连线如下图

②所作图象如下图

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③9.5~11.1 解析: (1)选择开关位于直流电压 10 V 挡,按电表中央刻度 0~10 V 刻度读数,最小 刻度为 0.2 V,电池的电动势为 9.4 V。 (2)①连接电路如答案图所示。 ②所作图象见答案图。 U 1 1 R0+r 1 1 1 ③根据闭合电路欧姆定律有 E=U+ (R0+r) ,化简得 = + · ,可知 — 图线

R

U E

E

R

U R

1 在纵轴的截距 b= 。由图线可知 b≈0.10,则 E≈10 V。

E

创新模拟·预测演练 1.答案: (1)5.01 5.315 (2)大 大 (3)1 280 解析: (1)游标尺共有 10 个格,所以精度为 0.1 mm,观察游标尺的零线对应在主尺上 的位置,主尺上的读数为 5 cm,游标尺上第一个刻度与主尺的刻度线对齐,所以游标尺的 读数为 0.1×1 mm=0.1 mm=0.01 cm,因此测量长度读数为 5.01 cm;螺旋测微器精度为 0.01 mm,读数也是两部分组成,在固定刻度读数为 5 mm,可动刻度上的读数为 31.5×0.01 mm=0.315 mm,两者相加为 5.315 mm。 (2)滑动变阻器是限流接法,所以开始要将变阻器 阻值调到最大,电阻箱阻值一开始也应调到最大,从最大开始逐渐调小。 (3)本实验是替代 法测电阻,单刀双掷开关拨向 1 和拨向 2 效果相同,所以待测电阻与电阻箱的电阻相同,为 1 280 Ω 。 2.答案: (1)A (2)变大 (3)88 52 (4)14.4 38.4 (5)低 (6)B 解析: (1)根据相同电压,功率大的,电流大可得,A 是灯 L1 的伏安特性曲线。 (2)升高相同的电压,电流的变化量越来越小,则电阻越来越大。 (3)由题图可得 200 V 时两灯泡的电流,计算得此时 L1 灯的实际功率为 200×0.44 W =88 W,L2 灯的实际功率为 200×0.26 W=52 W。 (4)若串联电流相同,两灯泡两端的电压之和为 220 V,将它们串联后接在 220 V 电 源上,则此时 L1 灯的实际功率为 14.4 W,L2 灯的实际功率为 38.4 W。 (5)电流表分压,因而电压比实际的偏大,在 I—U 图中位置来得偏低。 (6)滑动变阻器分压电路,为了便于调节,阻值相应较小,但阻值较小的要满足电流 不能超过最大额定电流,B 正确。 2 π UD 3.答案: (1)0.516 (2)3 (3)A C E (4)b (5)镍铬合金 4Il 解析: (1)根据螺旋测微器读数规则,金属丝的直径 D=0.516 mm。 (2)接入电路的金属丝的阻值 R=3 Ω 。 (3)电压表应选用量程 3 V 的 A;电流表应选用量程 600 mA 的 C;滑动变阻器应选用 总阻值 10 Ω 的 E。 (4)由于待测电阻小,采用电流表外接,电压表的左端应与电路中的 b 点相连。由 R 2 π UD 2 =U/I,R=ρ l/S,S=π D/4 联立解得 ρ = 。 4Il 4.答案:①9 500(或者 9.5 kΩ ) ②a 端 ③1.46~1.49 均可 0.80~0.87 均可

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