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2014高考物理大二轮专题复习课件:电学实验


专题九 学案16

学案 16
【考情分析】
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电学实验
山东 浙江 福建 江苏

命题情况 考查点 测量性实验 探究性实验

课标全国

13 12 12 13 12 13 12 13 12 13 Ⅰ Ⅱ 22 22 23

21 21 (2) (2) 22 19 (2) 19 (2) 10 10

创新性实验设计 23

专题九 学案16

命题情况
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安徽 12 13

广东 12 13

北京 12 13 21 21

天津 12 13 9 (3)

考查点 测量性实验 探究性实验 创新性实验设计

21 34 34 (Ⅱ) (1) (2) 21 (Ⅱ)

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【考点预测】 电学实验是高考实验考查的重点,考查的实验有测定金属
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的电阻率、描绘小灯泡的伏安特性曲线、测定电源的电动势和 内阻、多用电表的使用等.高考对电学实验的考查侧重于考查 电路设计、实物图连接、数据处理和误差分析,并且高考对电 学实验的考查向着拓展实验、创新实验的方向发展.预计 2014 年高考中,对电学实验仍会继续对电阻的测量、电路的选择、 实验方法的创新和应用等进行考查.

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考题 1 对实验仪器的使用与选择的考查 例1 (2012· 四川· 22(2))某学习小组的同学拟探究小灯泡 L 的伏 0.7 A”; 安特性曲线,可供选用的器材如下: 小灯泡 L,规格“4.0 V
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电流表 A1,量程 3 A,内阻约为 0.1 Ω; 电流表 A2,量程 0.6 A,内阻 r2=0.2 Ω; 电压表 V,量程 3 V,内阻 rV=9 kΩ; 标准电阻 R1,阻值 1 Ω; 标准电阻 R2,阻值 3 kΩ; 滑动变阻器 R,阻值范围 0~10 Ω; 学生电源 E,电动势 6 V,内阻不计; 开关 S 及导线若干.

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①甲同学设计了如图 1 甲所示的电路来进行测量, 当通过 L 的 电流为 0.46 A 时, 电压表的示数如图乙所示, 此时 L 的电阻为 ________Ω.
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图1

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②乙同学又设计了如图丙所示的电路来进行测量,电压表指针 指在最大刻度时,加在 L 上的电压值是________ V. ③学习小组认为要想更准确地描绘出 L 完整的伏安特性曲线, 需要重新设计电路.请你在乙同学的基础上利用所供器材,在
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图丁所示的虚线框内补画出实验电路图,并在图上标明所选器 材代号.
U 解析 ①电压表的示数 U=2.30 V,所以灯泡 L 的电阻 RL= = I 2.30 Ω=5 Ω. 0.46
②由题图知电压表 V 与 R2 串联,根据串联分压,当电压表 V 的 UV 3 示数为 3 V 时,R2 两端的电压 U2= R R2=9 000×3 000 V=1 V, V 所以灯泡两端的电压 U′=UV+U2=(3+1) V=4 V.

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③要想更准确地描绘出 L 完整的伏安特性曲线,则电压表的量 程应变为 4.0 V,电流表的量程应变为 0.7 A,因此将电压表 V 与标准电阻 R2 串联改装成量程为 4.0 V 的电压表,将电流表 0.6×0.2 A2 与标准电阻 R1 并联改装成量程为 0.6 A+ A=0.72 A 1 的电流表.故虚线框内实验电路如图所示.

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答案 ①5

②4

③见解析图

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规律总结 1.电流表、电压表、欧姆表的比较 仪器
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极性

量程选择

读数

3 V 和 3 A 量程估读到 1 电流表 最小分度的 ; 15 V 量 使指针指在比 10 有正、 负极 1 1 的电表, 电 满 偏 刻 度 的 3 程估读到最小分度的5; 流 由 电 表 多的位置 0.6 A 量程估读到最小 电压表 1 的正极流 分度的 2 入, 负极流 使指针尽量指 出 取两位有效数字并乘以 欧姆表 在表盘的中间 相应挡位的倍率 位置左右

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2.电学实验器材的选取 (1)根据不使电表受损和尽量减小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
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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电流. 对 大阻值的变阻器,滑片稍有移动,电流、电压就会有很大的 变化,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,才能作出恰当的选择.

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突破练习 1.多用电表可以用来测电流、电压、电阻等,挡位如图 2 所 示.
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图2

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(1)当接通 1 或 2 时,为____挡.1 的量程比 2 的量程____(填大 或小). (2)测量某电阻时,用×10 Ω 挡时,发现指针偏转角度过大,
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他应该换用____挡(填“×1 Ω”或“×100 Ω”),换挡后,在 测量前要先进行________. (3)如图 3 所示,A、B、C 是多用电表在进行不同测量时,转 换开关分别指示的位置.D 是多用电表表盘指针在测量时的偏 转位置.

图3

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若用 A 挡测量,指针偏转如 D,则读数是________; 若用 B 挡测量,指针偏转如 D,则读数是________; 若用 C 挡测量,指针偏转如 D,则读数是________. (4)某同学在用电流表和电压表测电池的电动势和内阻的实验
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中,串联了一只 2.5 Ω 的保护电阻 R0,实验电路如图 4 所示, 连好电路后,当该同学闭合电键,发现电流表示数为 0,电压 表示数不为 0.检查各接线柱均未接错, 接触良好且未发生短路; 他用多用电表的电压挡检查电路,把两表笔分别接 a、b,b、c, d、e 时,示数均为 0,把两表笔接 c、d 时,示数与电压表示数 相同,由此可推断故障是________.排除故障后,该同学顺利 完成实验,根据测定数据,数据在图 5 中已描出对应点,画出 U-I 图, 由图知: 电池的电动势为________, 内阻为________.

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图4 I/A 0.10 0.15 0.17 0.23 0.30 0.40 1.00 0.80 0.60 0.30 U/V 1.20 1.08

图5

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答案 (1)电流 大
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(2)×1 Ω 欧姆调零
(3)1 300 Ω 5.40 mA 27.0 V
(4)滑动变阻器 R 断路 1.50 V 3Ω

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考题 2 对电路选择的考查 例2 (2013· 天津· 9(3))要测绘一个标有“3 V 0.6 W”小灯泡 的伏安特性曲线, 灯泡两端的电压需要由零逐渐增加到 3 V, 并便于操作.乙选用的器材有:
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电池组(电动势为 4.5 V,内阻约 1 Ω); 电流表(量程为 0~250 mA,内阻约 5 Ω); 电压表(量程为 0~3 V,内阻约 3 kΩ); 电键一个、导线若干. ①实验中所用的滑动变阻器应选下列中的 ________(填字母 代号). A.滑动变阻器(最大阻值 20 Ω,额定电流 1 A) B.滑动变阻器(最大阻值 1 750 Ω,额定电流 0.3 A)

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②实验的电路图应选用下列的图________(填字母代号).

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③实验得到小灯泡的伏安特性曲线如图 6 所示.如果将这个小 灯泡接到电动势为 1.5 V、内阻为 5 Ω 的电源两端,小灯泡消 耗的功率是________W.

图6

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解析

①测绘小灯泡的伏安特性曲线,要求能较大范围测量数

据,所以控制电路部分应用分压式接法,滑动变阻器应用最大
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阻值小额定电流大的 A.
U2 P ②灯泡的电阻 R= P =15 Ω,额定电流 I=U=0.2 A,由 R=15 Ω < RARV= 15 000 Ω,依据公式法“大内小外”的原则,可 知电流表应采用外接法,故选 B.

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③在灯泡的 I-U 图上作出电源的 I-U 图线, 交点即为这个电源给 这个灯泡供电时的电流和电压,此时 P 灯= IU=0.1× 1 W=0.1 W.

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答案 ①A

②B

③0.1

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规律方法 1.电流表内、外接法的比较与选择 比较项目
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电流表内接法

电流表外接法

电路

误差来源

电流表的分压

电压表的分流

测量结果 R 测=U/I>Rx, 偏大 R 测=U/I<Rx, 偏小 适用条件 Rx?RA(测大电阻) RV?Rx(测小电阻)

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2.控制电路(滑动变阻器的接法)的比较与选择 (1)控制电路的比较: 比较项目
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限流式接法 分压式接法

电路

电压调节 的范围 电能损耗 电路连接

R E→ E R+R0 节能 简便

0→E 耗能 复杂

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(2)控制电路的选择: 以下情况考虑分压式接法:①要求待测电路的 U、I 从 0 变化;
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②R 滑?Rx;③选用限流式接法时,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(最大值不超过电表 1 满量程的 ,读数误差大). 3

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突破练习 2.在研究规格为“6 V 3 W”的小灯泡的伏安特性曲线的实 验中,要求小灯泡两端的电压从 0 开始逐渐增大.实验提
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供的电流表量程为 0.6 A、 内阻约 1 Ω , 电压表量程为 10 V、 内阻约 20 kΩ. (1)下列实验电路图,最合理的是________;

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(2)小灯泡接入电路前, 某同学使用如图 7 所示的多用电表欧姆 挡直接测量小灯泡的电阻,应将选择开关旋至 ________挡 (填 “×1”或“×10”).

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图7

图8

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(3)某同学描绘出小灯泡的伏安特性曲线如图 8 所示,则小灯泡 的电阻值随温度的升高而 ________(填“增大”、“减小”或 “不变”).实验过程中,小灯泡消耗的功率为 0.6 W 时,小灯 泡两端的电压是________V.
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解析 (1)实验要求小灯泡两端的电压从 0 开始逐渐增大,故滑 动变阻器应选分压式接法,小灯泡的内阻较小,电流表应采用 外接法,选甲图; (2)小灯泡的电阻较小,欧姆挡选“×1”即可; (3)由于图线向上弯曲,斜率增大,故小灯泡的电阻值随温度的 升高而增大.由图线可得小灯泡消耗的功率为 0.6 W 时,小灯 泡两端的电压是 2 V.
答案 (1)甲
(2)×1
(3)增大 2

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考题 3 对实验原理迁移运用的考查 1.测定金属的电阻率实验原理的迁移运用 例 3 为测量某一玩具电动机 组的部分实验方案如下:
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中导线圈的电阻率,某实验小

图9

图 10

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(1)用螺旋测微器测得导线圈同种规格导线直径 d 如图 9 所示, 则 d=________ mm; (2)用多用电表测量电动机中导线圈的电阻 Rx:选择“×1 Ω”
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欧姆挡,并按正确步骤操作后,指针的位置如图 10 所示(此过 程电动机不转动),则 Rx=________Ω. (3)为提高精度,他又用以下仪器再次测量导线圈的电阻 Rx: 电流表 A1(0~3 A、约 5 Ω);滑动变阻器 R1(1 kΩ); 电流表 A2(0~30 mA、约 10 Ω);滑动变阻器 R2(50 Ω); 定值电阻 R0=60 Ω;电源(4 V、约 1 Ω)及开关等,导线若干.

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①实验小组为使测量过程中电动机不转动而采用了如图 11 所 示的 电路图, 应选择的电 流表是 ________ ,滑 动变阻器 是 ________;(填写符号)
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图 11

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②按照实验要求, 多用电表已选择“直流电压 2.5 V”挡作为电 压表使用,请依据图 11 将图 12 实验电路中的仪器连接欠缺的 两处补完整;
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图 12

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③图 13 是该实验小组测得的数值描绘出的图象,其斜率值表 示的是________(填选项).

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图 13 A.导线圈的电阻 B.导线圈的电阻与 R0 阻值之和

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解析 (1)螺旋测微器的读数:d=0.01 mm×15.5=0.155 mm.

(2)多用电表的读数乘以倍率即为待测电阻值, 即 Rx=25.0×1 Ω =25.0 Ω.
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(3)①选择电流表时需估算电路中的电流.设电动机和定值电阻 R0 的串联电压为电源电动势. 4 I= A=0.047 A=47 mA 25.0+60 实际实验时可通过滑动变动器调节电压使流过电流表的电流不 超过 30 mA,所以电流表选 A2. 滑动变阻器应选择便于调节的 R2.

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②由于电流表 A2 的电阻较大,为减小实验误差,应采用电流表 外接法.为有效地控制电路中的电压和电流,应采用分压电路, 所以电路图连接如图所示.

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答案 (1)0.155(± 0.003 范围内均可)
(2)25.0(± 0.5 范围内均可)

(3)①A2 R2 ②见解析图 ③B

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2.描绘小灯泡的伏安特性曲线实验原理的迁移运用 例 4 二极管是电子线路中常用的电子元件.它的电路符号如 图 14 甲所示,正常使用时,“+”极一端接高电势,“-” 极一端接低电势.要描绘某二极管在 0~8 V 间的伏安特性
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曲线,另提供有下列的实验器材:电源 E(电动势为 8 V,内 阻不计):多用电表电压挡有五个量程,分别为 2.5 V、10 V、 50 V、250 V、500 V,可视为理想电压表;开关一个;滑动 变阻器一个; 表一块;导线若干.

图 14

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图 15 理图,多用电表在电路图中用 所选量程.

图 16 表示,并注明多用电表电压挡

(1)在图 14 乙的方框内画出测定二极管伏安特性曲线的电路原

(2)利用多用电表电压挡测量正常使用中的二极管电压时, 电流 从________(选填“红”或“黑”)表笔流入多用电表.

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(3)某同学通过实验得出了图 15 所示的伏安特性曲线图.接着, 他又用该二极管、电源 E 和另一只固定电阻 R 组成图 16 所示 的电路,当闭合开关后,用多用电表的电压挡测得 R 两端的电 压为 0.8 V, 由此可以判断固定电阻 R 的阻值大约为________Ω. 解析 (1)由题意可知电流正向通过二极管时,二极管的电阻较
小,故 表应外接,由于要描绘二极管在 0~8 V 间的伏安特性 曲线,故滑动变阻器应采用分压式接法,电源电动势为 8 V, 故多用电表的电压挡选 10 V 的.电路图如图所示.

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(2)利用多用电表电压挡测量正常使用中的二极管电压时,电流 从红表笔流入多用电表.
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(3)由闭合电路欧姆定律可知二极管两端的电压为 7.2 V, 据伏安 特性曲线图可知电压为 7.2 V 时对应的电流是 10 mA, 故电阻 R 的阻值大约为 80 Ω.
答案 (1)电路原理图见解析图
(2)红
(3)80

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突破练习 3. 当小灯泡发光时其灯丝的电阻会随着发光亮度的变化而发生 变化. 某同学为研究这一现象, 按照自己设计的实验电路测
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量小灯泡的电流 I 和电压 U,得到如下表所示的数据. I(A) 0.12 0.22 0.29 0.34 0.38 0.42 0.45 0.47 0.49 0.50 U(V) 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 (1) 请你根据上表数据的特点,在虚线框中画出实验电路 图.可用的器材有:电压表、电流表、滑动变阻器 (变化范 围 0~10 Ω)、电源、小灯泡、开关和导线若干.

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(2)在图 17 所示坐标纸上画出小灯泡的 U-I 曲线, 并定性分析 灯丝的电阻与灯泡发光亮度的变化关系:________. (3)如果将上面实验中使用的小灯泡接在电动势是 1.5 V,内阻
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是 2.0 Ω 的电源两端, 利用上面的 U-I 曲线可求出小灯泡的实 际功率是________W,电源效率为________.(结果保留 2 位有 效数字)

图 17

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解析
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数据范围大,应采用分压式接法,灯丝电阻较小,采用

电流表外接法.由图象得灯丝电阻随发光亮度的增加而增大.
在 U-I 图象中作电动势是 1.5 V, 内阻是 2.0 Ω 的伏安特性图线, 两图线交点为(0.35 A,0.8 V),故 P=UI=0.8×0.35 W=0.28 W, 0.28 η= ×100%=53% 1.5×0.35

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答案 (1)如图甲所示

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(2)如图乙所示

灯丝电阻随发光亮度的增加而增大

(3)0.28 53%

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3.测定电源电动势和内阻实验原理的迁移运用 例 5
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某同学要用电阻箱和电压表测量某水果电池组的电动势

和内阻,考虑到水果电池组的内阻较大,为了提高实验的精 确度,需要测量电压表的内阻.实验中恰好有一块零刻度在 中央的双向电压表,该同学便充分利用这块电压表,设计了 如图 18 所示的实验电路,既能实现对该电压表的内阻的测 量,又能利用该表完成水果电池组电动势和内阻的测量.他 用到的实验器材有:

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待测水果电池组(电动势约 4 V,内阻约 50 Ω)、双向电压表(量 程为 2 V,内阻约为 2 kΩ)、电阻箱(0~9 999 Ω)、滑动变阻器 (0~200 Ω),一个单刀双掷开关及若干导线.
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图 18 (1)该同学按如图所示电路图连线后,首先测出了电压表的内 阻. 请完善测量电压表内阻的实验步骤: ①将 R1 的滑动触片滑 至最左端,将 S 拨向 1 位置,将电阻箱阻值调为 0;

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②调节 R1 的滑动触片,使电压表示数达到满偏; ③ 保 持 __________ 不 变 , 调 节 R2 , 使 电 压 表 的 示 数 达 到 ________;
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④读出电阻箱的阻值, 记为 R2, 则电压表的内阻 RV=________. (2)若测得电压表内阻为 2 kΩ,可分析此测量值应________真 实性.(填“大于”、“等于”或“小于”) (3)接下来测量水果电池组的电动势和内阻,实验步骤如下: ①将开关 S 拨至________(填“1”或“2”)位置,将 R1 的滑动 触片移到最________端,不再移动; ②调节电阻箱的阻值,使电压表的示数达到一个合适值,记录 下电压表的示数和电阻箱的阻值;

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③重复步骤②,记录多组电压表的示数及对应的电阻箱的阻 值. 1 1 (4)若将电阻箱与电压表并联后的阻值记录为 R,作为 - 图 U R
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象,则可消除系统误差,如图 19 所示,其中纵截距为 b,斜率 为 k , 则 电 动 势 的 表 达 式 为 ________ , 内 阻 的 表 达 式 为 ________.

图 19

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解析 (1)由题图可知,当 S 拨向 1 位置,滑动变阻器 R1 在电

路中为分压式接法,利用电压表的半偏法得:调节 R1 使电压表 满偏,保持 R1 不变,R2 与电压表串联,调节 R2 使电压表的示 数达到半偏(或最大值的一半),电压表的内阻 R1 与电阻箱示数
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R2 相同.
(2)由闭合电路欧姆定律可知,调节 R2 变大使电压表达到半偏的 过程中,总电阻值变大,干路总电流变小,由 E=I· r+U 外得 U 外 变大, 由电路知 U 外=U 并+U 右, 变阻器的滑动触片右侧电压 U 右 =I· R 右变小,则 U 并变大,电压表半偏时,R2 上的电压就会大于 电压表上的电压,那么 R2 的阻值就会大于电压表的阻值.

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(3)测水果电池组的电动势和内阻,利用伏阻法,S 拨到 2,同 U1 时将 R1 的滑动触片移到最左端.利用 E=U1+ · r,E=U1′ R2 U1′ + · r,联合求 E、r. R2′
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U 1 r 1 1 r (4)由闭合电路欧姆定律得 E=U+ · r,变形得 = · + , = R U ER E E 1 1 k k, =b,得 E= ,r= . E b b
答案 (1)③R1 半偏(或最大值的一半) ④R2
(2)大于
1 k (4)E=b r=b

(3)①2 左

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突破练习 4. 某班举行了一次物理实验操作技能比赛, 其中一项比赛为用 规定的电学元件设计合理的电路图, 并能较准确地测量一电
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池组的电动势及其内阻.给定的器材如下: A.电流表 G(满偏电流 10 mA,内阻 10 Ω) B.电流表 A(0~0.6 A~3 A,内阻未知) C.滑动变阻器 R0(0~100 Ω,1 A) D.定值电阻 R(阻值 990 Ω) E.多用电表 F.开关与导线若干

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(1)小刘同学首先用多用电表的直流 10 V 挡粗略测量电池组的 电动势,电表指针如图 20 所示,则该电表读数为________V.

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图 20 (2)该同学再用提供的其他实验器材,设计了如图 21 甲所示的 电路,请你按照电路图在图乙上完成实物连线.

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图 21 (3)图丙为该同学根据上述设计的实验电路利用测出的数据绘 出的 I1-I2 图线(I1 为电流表 G 的示数, I2 为电流表 A 的示数), 则由图线可以得到被测电池组的电动势 E=________V, 内阻 r =________Ω(保留 2 位有效数字).

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答案 (1)7.2

(2)如图所示

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(3)7.5

5.0

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考题 4 对创新设计性实验的考查 例6 (2013· 福建· 19(2))硅光电池在无光照时不产生电能,可视 为一电子元件.某实验小组设计如图 22 甲所示电路,给硅 光电池加反向电压(硅光电池负极接高电势点, 正极接低电势
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点),探究其在无光照时的反向伏安特性.图中电压表 V1 量 程选用 3 V,内阻为 6.0 kΩ;电压表 V2 量程选用 15 V,内 阻约为 30 kΩ; R0 为保护电阻; 直流电源电动势 E 约为 12 V, 内阻不计. ①根据图甲,用笔画线代替导线,将图乙连接成完整电路.

图 22

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②用遮光罩罩住硅光电池,闭合开关 S,调节变阻器 R,读出 电压表 V1、V2 的示数 U1、U2. (ⅰ)某次测量时,电压表 V1 示数如图丙,则 U1=______ V,可
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算出通过硅光电池的反向电流大小为 ________ mA(保留两位 小数). (ⅱ)该小组测出大量数据, 筛选出下表所示的 9 组 U1、 U2 数据, 算出相应的硅光电池两端反向电压 Ux 和通过的反向电流 Ix(表 中“-”表示反向),并在图 23 上建立 Ix-Ux 坐标系,标出了 与表中前 5 组 Ux、Ix 数据对应的 5 个坐标点.请你标出余下的 4 个坐标点,并绘出 Ix-Ux 图线.

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1 U1/V U2/V 0.00 0.0 0.0 0.00 2 0.00 1.0 -1.0 0.00 3 0.06 2.1 -2.0 4 0.12 3.1 -3.0 5 0.24 4.2 -4.0 6 0.42 5.4 -5.0 7 0.72 6.7 -6.0 8 1.14 8.1 -7.0 9 1.74 9.7 -8.0

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Ux/V Ix/mA

-0.01 -0.02 -0.04 -0.07 -0.12 -0.19 -0.29

图 23

专题九 学案16
(ⅲ)由 Ix-Ux 图线可知,硅光电池无光照下加反向电压时,Ix 与 Ux 成______(填“线性”或“非线性”)关系.
答案
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①连线如图所示

②(ⅰ)1.40 0.23

专题九 学案16

(ⅱ)描点绘出 Ix-Ux 图线如图所示

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(ⅲ)非线性

专题九 学案16
突破练习 5.电子所带的电荷量(元电荷 e)最先是由密立根通过油滴实验 测量出的,图 24 是该实验装置的示意图,将两块水平放置
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的金属板 A、B 连接到电路中, 板间产生竖直向下的匀强电 场.用一个喷雾器把许多油滴从上板中间的小孔喷入电场, 油滴从喷口出来时由于摩擦带负电.在实验中通过调节金 属板间的电压,利用显微镜观察,找到悬浮不动的油滴.所 用部分器材已在图中给出,其中 E 为直流电源,R 为滑动 变阻器,V 为电压表,S 为开关,此外还有若干轻质导线.

专题九 学案16

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图 24 (1)在图中画线连接成实验电路图 (其中①②③是已经连接好的 导线). (2)实验时观察到某个悬浮不动的油滴半径为 r,此时电压表的 示数为 U,金属板 A、B 间的距离为 d.已知油滴密度为 ρ,重 力加速度为 g ,空气浮力不计,则该油滴所带的电荷量为 ________.(用题目中所给的物理量表示)

专题九 学案16
U 4 3 解析 (2)油滴处于静止状态,q d =mg,其中 m=ρ·πr ,联立 3 4πρdgr3 解得 q= 3U
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答案

(1)如图所示

4πρdgr3 (2) 3U


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