高考物理二轮复习 备课资料 专题八 物理实验 第2讲 电学实验与创新课件

第2讲 电学实验与创新 突 破 实 战 热点考向一 基本器材的原理及使用 【核心提炼】 1.游标卡尺的读数 突破 热点考向聚焦 游标标尺精确度 (mm) 测测量结结果(游标标尺上第n条刻度线线与主 尺上的某刻度线对齐时线对齐时 )(mm) 刻度 格数 刻度总长总长 度(mm) 每小格与 1 mm 差(mm) 1090.10.1主尺上读读的毫米数+0.1n 20190.050.05主尺上读读的毫米数+0.05n 50490.020.02主尺上读读的毫米数+ 0.02n 2.螺旋测微器的读数 测量值=固定刻度读数+可动刻度读数(含估读值)0.01 mm. 3.电压表、电流表、多用电表的读数 (2)欧姆表的刻度是不均匀的,读数时应乘以倍率. 4.多用电表使用的几个注意事项 (1)电流的流向:由于使用多用电表时不管测量什么,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“机械零点”与“欧姆零点”:“机械零点”在表盘刻度左侧“0” 位置,用表盘下边中间的指针定位螺丝调整;“欧姆零点”在表盘刻度的右侧 电阻刻度“0”位置,用欧姆调零旋钮调整. (3)测电阻时每变换一次挡位,都要重新进行欧姆调零. (4)选倍率:测量前应根据估计阻值选用适当的挡位.由于欧姆挡的刻度不均匀 ,使用欧姆挡测电阻时,指针偏转过大或过小都有较大误差,通常只使用表盘中 间的一段刻度范围. (5)测电阻时要将电阻与其他元件断开.测电阻时不要用手接触多用电表的表 笔金属头. (6)多用电表使用完毕应将选择开关旋至“OFF”挡或交流电压最高挡. 【典例1】 (2017安徽合肥模拟)为了精密测量一金属丝的电阻率: (1)如图(甲)所示,先用多用表1 挡粗测其电阻为 ,然后用螺旋 测微器测其直径为 mm,游标卡尺测其长度为 cm. 解析:(1)由图示多用电表可知,待测电阻阻值是8.01 =8.0 ; 由图示螺旋测微器可知,其读数为 2 mm+9.50.01 mm=2.095 mm, 由图示游标卡尺可知,其示数为63 mm+60.05 mm=63.30 mm=6.330 cm; 答案:(1)8.0 2.095 6.330 (2)为了减小实验误差,需进一步测其电阻,除待测金属丝R外,实验室还备有的 实验器材如下: A.电压表V(量程3 V,内阻约为15 k;量程15 V,内阻约为75 k) B.电流表A(量程0.6 A,内阻约为1 ;量程3 A,内阻约为0.2 ) C.滑动变阻器R1(05 ,0.6 A) D.滑动变阻器R2(02 000 ,0.1 A) E.1.5 V的干电池两节,内阻不计 F.电阻箱 G.开关S,导线若干 为了测多组实验数据,则上述器材中的滑动变阻器应选用 (填“R1”或 “R2”). 请在图(乙)的虚线框内设计最合理的电路图并完成实物图(丙)的连线. 答案:(2)R1 见解析图 解析:(2)为保证电路安全,方便实验操作,滑动变阻器应选R1,为测多组实 验数据,滑动变阻器应采用分压接法,由于被测电阻阻值较小,则电流表应 采用外接法,实验电路图如图1所示,根据实验电路图连接实物电路图,如 图2所示. 【预测练习1】 (2017安徽芜湖模拟)某学生实验小组利用图(甲)所示电路, 测量多用电表内电池的电动势和“100 ”挡内部电路的总电阻.使用的器 材有: A.多用电表; B.毫安表:量程6 mA; C.滑动变阻器:最大阻值2 k; D.导线若干. 实验步骤如下: (1)将多用电表挡位调到电阻“100”挡,再将红表笔和黑表笔短接,调零点 . (2)将图(甲)中多用电表的黑表笔和 (选填“1”或“2”)端相连,红表笔 连接另一端. (3)将滑动变阻器的滑片调到适当位置,使这时毫安表的示数为3 mA,多用电 表的示数如图(乙)所示,多用电表的示数为 . (4)调节滑动变阻器的滑片,使其接入电路的阻值为零.此时毫安表的示数为 3.75 mA.从测量数据可知,毫安表的内阻为 . (5)多用电表电阻挡内部电路可等效为由一个无内阻的电池、一个理想电流 表和一个电阻串联而成的电路,如图(丙)所示.根据前面的实验数据计算可得 ,此多用电表内电池的电动势为 V,电阻“100”挡内部电路的总电阻为 . 答案:(2)1 (3)1 500 (4)900 (5)9 1 500 热点考向二 以伏安法测电阻为核心的实验 【核心提炼】 1.明确三个“选择”,电学实验难离它 (1)实验器材的选择 电源的选择:一般根据待测电阻的额定电流或额定电压选择符合需要的直 流电源. 电表的选择:一般根据电源的电动势或待测用电器的额定电压选择电压表 ;根据待测电流的最大电流选择电流表;电表的指针摆动的幅度较大,一般应 使指针能达到半偏左右. (2)电流表内接法与外接法的选择 (3)分压电路与限流电路的选择 以小控大用分压,相差无几用限流.即当滑动变阻器的阻值较小时,常采用分 压电路;当滑动变阻器的阻值与负载相差不大时,常采用限流电路.另外,必须 采用分压电路的情况有三种:要求电压从零开始变化;滑动变阻器太小, 不能起到限流的作用;限流电路不能获取有区分度的多组数据.若两种电路 均可,则采用限流式,因为限流式损耗功率小. 2.测电源电动势和内阻的三种方法 方法原理图图数据处处理 用电压电压 表、电电流表和可 变电变电 阻(如滑动变动变 阻器) 测测量 测测出两组组U,I值值,根据 E=U+Ir,通过计过计 算或利 用图图像法处处理数据 用电电流表、电电阻箱测测量测测出两组组I,R值值,根据 E=I(R+r)通过计过计 算或利 用图图像法处处理数据 用电压电压 表、电电阻箱测测量测测出两组组U,R值值,极据 E=U+ r,通过计过计 算或利 用图图像法处处理数据 【典例2】 (2017湖南湘潭模拟)某学习小组探究电学元件的伏安特性曲线. (1)甲同学要描绘一个标有“3.6 V,1.2 W”的小灯泡的伏安特性曲线,除了导线 和开关外,还有下列器材可供选择: 电压表V(量程5 V,内阻约为5 k) 直流电源E(电动势4.5 V,内阻不计) 电流表A1(量程350 mA,内阻约为1 ) 电流表A2(量程150 mA,内阻约为2 ) 滑动变阻器R1(阻值0200 ) 滑动变阻器R2(阻值010 ) 实验中电流表应选 ,滑动变阻器应选 (均填写器材代号);以下的 四个电路中应选用 进行实验. 答案:(1)A1 R2 A (2)根据所选电路图,请在图1中用笔画线代替导线,把实验仪器连接成完整的 实验电路. 解析:(2)根据所选原理图可得出对应的实物图,如图(甲)所示. 答案:(2)见解析 (3)利用实验得到了8组数据,在如图2所示的I-U坐标系中,通过描点连线得到 了小灯泡的伏安特性曲线.将同种规格的两个这样的小灯泡并联后再与R=10 的定值电阻串联,接在电动势为8 V、内阻不计的电源上,如图3所示.闭合 开关S后,电流表的示数为 A,两个小灯泡的总功率为 W. 解析:(3)由题图3所示电路图可知,两灯泡并联,可以把电源与定值电阻等 效为电源,设每个灯泡加上的实际电压和实际电流分别为U和I.在这个闭 合电路中,E=U+2IR,代入数据并整理得,U=8-20I,在图2所示坐标系中作出 U=8-20I的图像如图(乙)所示, 由图像可知,两图像交点坐标值为U=2 V,I=0.3 A,此时通过电流表的电流 值IA=2I=0.6 A,每个灯泡的实际功率P=UI=20.3 W=0.6 W,两个小灯泡的 总功率为1.2 W. 答案:(3)0.6 1.2 【预测练习2】 (2017四川成都模拟)用如图1所示电路测量电源的电动势和内 阻.实验器材:待测电源(电动势约3 V,内阻约2 ),保护电阻R1(阻值10 )和 R2(阻值5 ),滑动变阻器R,电流表A,电压表V,开关S,导线若干. 实验主要步骤: ()将滑动变阻器接入电路的阻值调到最大,闭合开关; ()逐渐减小滑动变阻器接入电路的阻值,记下电压表的示数U和相应电流表 的示数I; ()在图2中,以U为纵坐标,I为横坐标,作U-I图线(U,I都用国际单位); ()求出U-I图线斜率的绝对值k和在横轴上的截距a. 回答下列问题: (1)电压表最好选用 ;电流表最好选用 . A.电压表(03 V,内阻约15 k) B.电压表(03 V,内阻约3 k) C.电流表(0200 mA,内阻约2 ) D.电流表(030 mA,内阻约2 ) 答案:(1)A C 答案:(2)C (2)滑动变阻器的滑片从左向右滑动,发现电压表示数增大.两导线与滑动变阻器接线 柱连接情况是 . A.两导线接在滑动变阻器金属杆两端接线柱 B.两导线接在滑动变阻器电阻丝两端接线柱 C.一条导线接在滑动变阻器金属杆左端接线柱,另一条导线接在电阻丝左端接线柱 D.一条导线接在滑动变阻器金属杆右端接线柱,另一条导线接在电阻丝右端接线柱 解析:(2)分析电路可知,滑片右移电压表示数变大,则说明滑动变阻器接入电路部分 电阻增大.A项中两导线均接在金属杆的两端上,接入电阻为零;B项中两导线接在电 阻丝两端,接入电阻最大并保持不变;C项中一导线接在金属杆左端,另一导线接在电 阻丝左端,可以保证滑片右移时,接入电阻增大;D项中导线分别接右边上下接线柱, 滑片右移时,接入电阻减小.故选C. (3)选用k,a,R1和R2表示待测电源的电动势E和内阻r的表达式E= , r= ,代入数值可得E和r的测量值. 答案:(3)ka k-R2 热点考向三 电学创新实验 【核心提炼】 1.实验的创新与设计是电学实验中常考的一类问题,分析这类实验的特点 (1)基于教材中的电学实验,看重考查实验原理的改进,实验步骤,误差分析; (2)重视电学实验的实验方法,问题设置结合科技、生产、生活的实际;因此, 理解实验原理,掌握实验方法,是解决电学实验的关键. 2.电学创新实验的注意事项 (1)在解决设计型实验时,要注意条件的充分利用,如对于给定确切阻值的电压 表和电流表,电压表可当作电流表使用,电流表也可当作电压表使用,利用这一 特点,可以拓展伏安法测电阻的方法,如伏伏法、安安法等. (2)对一些特殊电阻的测量,如电流表或电压表内阻的测量,电路设计有其特殊性,即 首先要注意到其自身量程对电路的影响,其次要充分利用其“自损电流或自损电压”的 功能,因此在测电压表内阻时无需另并联电压表,测电流表内阻时无需再串联电流表. 3.解决电学设计型实验常用的三种方法 (1)转换法:将不易测量的物理量转换成可以(或易于)测量的物理量进行测量,然后再 反求待测物理量的值,这种方法叫转换测量法(简称转换法).如在测量金属丝电阻率 的实验中,虽然无法直接测量电阻率,但可通过测量金属丝的长度和直径,并将金属丝 接入电路测出其电阻,然后再计算出它的电阻率. (2)替代法:用一个标准的已知量替代被测量,通过调整标准量,使整个测量系统恢复 到替代前的状态,则被测量等于标准量. (3)控制变量法:研究一个物理量与其他几个物理量的关系时,要使其中的一个或几个 物理量不变,分别研究这个物理量与其他各物理量的关系,然后再归纳总结,如探究电 阻的决定因素实验. 【典例3】 (2016全国卷,23)现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统, 要求当热敏电阻的温度达到或超过60 时,系统报警.提供的器材有:热敏电 阻、报警器(内阻很小,流过的电流超过Ic时就会报警),电阻箱(最大阻值为 999.9 ),直流电源(输出电压为U,内阻不计),滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 ),滑动变阻器R2(最大阻值为2 000 ),单刀双掷开关一个,导线若干 . 在室温下对系统进行调节,已知U约为18 V,Ic约为10 mA;流过报警器的电流 超过20 mA时,报警器可能损坏;该热敏电阻的阻值随温度升高而减小,在60 时阻值为650.0 . (1)完成待调节的报警系统原理电路图的连线. 解析:(1)报警系统电路连线如图所示. 答案:(1)见解析 (2)电路中应选用滑动变阻器 (填“R1”或“R2”). 答案:(2)R2 (3)按照下列步骤调节此报警系统: 电路接通前,需将电阻箱调到一固定的阻值,根据实验要求,这一阻值为 ;滑动变阻器的滑片应置于 (填“a”或“b”)端附近,不能置于 另一端的原因是 . 将开关向 (填“c”或“d”)端闭合,缓慢移动滑动变阻器的滑片,直 至 . (4)保持滑动变阻器滑片的位置不变,将开关向另一端闭合,报警系统即可正常 使用. 解析:(3)电路接通前,电阻箱电阻应与热敏电阻的临界阻值一致,即为 650.0 ,滑动变阻器滑片应置于b端附近,若滑片置于a端,电路接通后电 流会超过20 mA,报警器可能损坏. 将开关向c端闭合,缓慢移动滑动变阻器的滑片,使报警器开始报警. 答案:(3)650.0 b 接通电源后,流过报警器的电流会超过20 mA,报警 器可能损坏 c 报警器开始报警 【预测练习3】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。实验器材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(甲)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: 待测水果电池组(电动势约4 V,内阻约50 )、双向电压表(量程为2 V,内阻 约为2 k)、电阻箱(09 999 )、滑动变阻器(0200 ),一个单刀双 掷开关及若干导线. 答案:(1)R1 半偏(或最大值的一半) R2 (1)该同学按电路图连线后,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: 将R1的滑动触头滑至最左端,将S拨向1位置,将电阻箱阻值调为0; 调节R1的滑动触头,使电压表示数达到满偏; 保持 不变,调节R2,使电压表的示数达到 ; 读出电阻箱的阻值,记为R2,则电压表的内阻RV= . 解析:(1)由题图可知,当S拔向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),则电压表的内阻与 电阻箱示数R2相同. (2)若测得电压表内阻为2 k,可分析此测量值应 (选填“大于 ”“等于”或“小于”)真实值. 解析:(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=Ir+U外得U外变大,由电路知U外=U并+U右 ,滑动变阻器的滑动触头右侧分得的电压U右=IR右变小,则U并变大,电压表半 偏时,R2上分得的电压就会大于电压表上分得的电压,那么R2的阻值就会大于 电压表的阻值. 答案:(2)大于 (3)接下来测量水果电池组的电动势和内阻,实验步骤如下: 将开关S拨至 (选填“1”或“2”)位置,将R1的滑动触片移到最 端, 不再移动; 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; 重复步骤,记录多组电压表的示数及对应的电阻箱的阻值. 解析:(3)测水果电池组的电动势和内阻,利用伏阻法,S拔到2,同时将R1的 滑动触头移到最左端. 答案:(3)2 左 实战 高考真题演练 答案:(1)见解析 (1)实验要求能够实现在03.8 V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”). 答案:(2)增大 增大 (3)用另一电源E0(电动势4 V,内阻1.00 )和题给器材连接成图(b)所示的电 路图,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) 解析:(3)当R=9.0 时,小灯泡的实际功率最小,由闭合电路欧姆定律有 E0=I(R+r)+U,即4=10I+U,在图中作出该直线如图(甲)所示,交点坐标约为 I=223 mA,U=1.77 V时最小功率Pmin=UaI=0.39 W;当R=0时,小灯泡的实际功 率最大,有E=Ir+U,即4=I+U,在图中作出该直线如图(乙)所示,交点坐标约 为I=318 mA,U=3.69 V,小灯泡的最大功率Pmax=UI=1.17 W. 答案:(3)0.39 1.17 2.测电表内阻(2017全国卷,23)某同学利用如图(a)所示的电路测量一微 安表(量程为100 A,内阻大约为2 500 )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20 ,另一个阻值为2 000 );电阻箱Rz(最大阻 值为99 999.9 );电源E(电动势约为1.5 V);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. 解析:(1)实物连线如图所示. 答案:(1)见解析图 (2)完成下列填空: R1的阻值为 (填“20”或“2 000”). 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. 将电阻箱Rz的阻值置于2 500.0 ,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”). 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 2 601.0 时,在接通