高考物理一轮复习第十一单元电学实验练习（含解析）新人教版.docx

电学实验纵观近年的高考电学试题,不难发现电路设计、器材选择、实物连接、数据处理仍然是电学实验试题考查中的重点,在电学实验复习中我们只有立足于考纲规定的学生实验,对实验原理、实验电路、实验器材、实验步骤、数据处理、误差分析等方面进行认真的研究,必要的拓展、延伸,扎扎实实地搞好复习工作;尤其需要重视对实验器材和实验电路选择的复习,重视对分压式电路和实物连线的复习,才能以不变应万变,在实验题中取得好的分数。预测2020年高考对本专题内容的考查,将从机械记忆转向分析理解实验,注重对设计性实验的考查。电学实验是高考实验考查的热点,而设计类电学实验以其灵活多变、易于发散、有利于对实验综合能力考查等特点,更成为热点中的焦点。所谓设计性实验,是指在考生掌握基本实验原理的基础上,应用基本测量仪器自行设计实验方案的实验。设计性实验命题的考查内容,涉及对实验原理的再认识和加工,实验方案的确定(包括实验器材的选择和迁移运用,实验步骤的安排,实验数据的处理方法,误差的分析及对实验的总结和评价,等等)。实验1测定金属的电阻率1实验原理把金属丝接入如图所示的电路中,用“伏安法”测量其电阻R=UI;用毫米刻度尺测量金属丝的长度l;用螺旋测微器测量金属丝的直径d,计算出其横截面积S;根据电阻定律R=lS得金属丝的电阻率=RSl=d2U4Il。2实验器材被测金属丝、螺旋测微器、毫米刻度尺、电池组、电流表、电压表、滑动变阻器、开关、导线若干。3实验步骤(1)直径测定:用螺旋测微器在被测金属丝的三个不同位置各测一次直径,求出其平均值d,计算出金属丝的横截面积S=d24。(2)电路连接:按如图所示的电路原理图连接,用伏安法测电阻。(3)长度测量:用毫米刻度尺测量接入电路中的被测金属丝的有效长度,反复测量3次,求出其平均值l。(4)U、I测量:把滑动变阻器的滑片调节到使接入电路中的电阻值最大的位置,电路经检查确认无误后,闭合开关S,改变滑动变阻器滑片的位置,读出几组相应的电流表、电压表的示数I和U的值,记入表格内,断开开关S。(5)拆去实验线路,整理好实验器材。4数据处理(1)在求R的平均值时可用两种方法用R=UI分别算出各次的数值,再取平均值。用U-I图线的斜率求出。(2)计算电阻率将记录的数据R、l、d的值代入电阻率计算式=RSl=d2U4lI。5误差分析(1)金属丝的横截面积是利用直径计算而得,直径的测量是产生误差的主要来源之一。(2)采用伏安法测量金属丝的电阻时,由于采用的是电流表外接法,测量值小于真实值,使电阻率的测量值偏小。(3)金属丝的长度测量、电流表和电压表的读数等会带来偶然误差。(4)由于金属丝通电后发热升温,会使金属丝的电阻率变大,造成测量误差。6注意事项(1)本实验中被测金属丝的电阻值较小,因此实验电路一般采用电流表外接法。(2)实验连线时,应先从电源的正极出发,依次将电源、开关、电流表、待测金属丝、滑动变阻器连成主干线路(闭合电路),然后再把电压表并联在待测金属导线的两端。(3)测量被测金属丝的有效长度,是指测量待测金属丝接入电路的两个端点之间的长度,即电压表两端点间的待测金属丝长度,测量时应将待测金属丝拉直,反复测量三次,求其平均值。(4)测待测金属丝直径时一定要选三个不同部位进行测量,求其平均值。(5)闭合开关S之前,一定要使滑动变阻器的滑片处在有效电阻值最大的位置。(6)在用伏安法测电阻时,通过待测金属丝的电流I不宜过大(电流表用00.6 A量程),通电时间不宜过长,以免金属丝的温度明显升高,造成其电阻率在实验过程中逐渐增大。(7)求R的平均值时可用两种方法:第一种是用R=UI算出各次的测量值,再取平均值;第二种是用图象(U-I图线)来求出。若采用图象法,在描点时,要使各点间的距离适当拉大一些,连线时要尽可能地让各点均匀分布在直线的两侧,个别明显偏离较远的点可以不予考虑。1.1 (2018陕西西安12月月考)在“决定导线电阻的因素”的实验中测定金属的电阻率,若待测金属丝的电阻约为5 ,要求测量结果尽量准确,提供以下器材:A.电池组(3 V,内阻为1 )B.电流表(03 A,内阻为0.0125 )C.电流表(00.6 A,内阻为0.125 )D.电压表(03 V,内阻为4 k)E.电压表(015 V,内阻为15 k)F.滑动变阻器(020 ,允许通过的最大电流为1 A)G.滑动变阻器(02000 ,允许通过的最大电流为0.3 A)H.开关、导线若干(1)实验时应从上述器材中选用(选填仪器前的字母代号)。(2)测电阻时,电流表、电压表、待测金属丝Rx在组成测量电路时,应采用电流表(选填“外”或“内”)接法,待测金属丝电阻的测量值比真实值偏(选填“大”或“小”)。(3)若用螺旋测微器测得金属丝的直径d的读数如图所示,则读数为mm。(4)若用L表示金属丝的长度,d表示直径,测得电阻为R,请写出计算金属丝电阻率的表达式为=。【解析】(1)电池组电压是3 V,流过金属丝的最大电流Im=Er+Rx=0.5 A,故电流表选C,电压表选D;滑动变阻器选总阻值小的,便于调节,故选F;另外要选导线、开关。(2)因为RxRA=40,RVRx=800,故电流表选择外接法,外接法测量值偏小。(3)根据螺旋测微器的读数规则可知,直径d=0.5 mm+40.00.01 mm=0.900 mm。(4)由于R=LS=4Ld2,解得=Rd24L。【答案】(1)ACDFH(2)外小(3)0.900(4)Rd24L1.2 (2018湖北武汉六校联考)为了测量一根长约为3 cm,电阻约为100 ,横截面为圆形,粗细均匀的导电材料的电阻率,所用器材如下:直流电源E,电动势为8.0 V,内阻可忽略不计;电流表,量程为025 mA,内阻r1=100 ;电流表,量程为0150 mA,内阻r2=20 ;定值电阻R0,阻值为10 ;滑动变阻器R,最大阻值为10 ;开关S、导线若干。(1)用游标卡尺测得该材料的长度如图甲所示,则长度L=mm;用螺旋测微器测得该材料的直径如图乙所示,则直径D= mm。(2)为了在测量中尽量减小误差,并测多组数据,现给出测量电阻Rx的实验电路图丙,请据此电路图将图丁中的实验器材连接起来。(3)若某次测量中电流表的示数为I1,电流表的示数为I2,则由已知量和测量量计算电阻率的表达式为=。(用题目中字母表示即可)【解析】(1)材料的长度L=3 cm+70.05 mm=30.35 mm,材料的直径D=3 mm+20.50.01 mm=3.205 mm。(2)如图戊所示。(3)由欧姆定律可得Rx=I2(R0+r2)I1-r1由电阻定律可得Rx=LS=4LD2联立可解得=D24I1LI2(R0+r2)-I1r1。【答案】(1)30.353.205(2)如图戊所示戊(3)D24I1LI2(R0+r2)-I1r1实验2测绘小电珠的伏安特性曲线1实验原理(1)测多组小电珠的U、I的值,并绘出I-U图象。(2)图线的斜率反映电流与电压和温度的关系。2实验器材学生电源(4 V6 V直流)或电池组、小电珠(3.8 V0.3 A)、电流表、电压表、滑动变阻器、开关、坐标纸、导线若干。3实验步骤(1)确定电流表、电压表的量程,采用电流表外接法,滑动变阻器采用分压式接法,按实验原理图连接好实验电路。(2)把滑动变阻器的滑片调节到图中最左端,接线经检查无误后,闭合开关S。(3)移动滑动变阻器的滑片,测出14组左右不同的电压值U和电流值I,并将测量数据填入表格中,断开开关S。U/V00.20.40.60.81.01.2I/AU/V1.62.02.42.83.23.64.0I/A(4)拆除电路,整理仪器。4数据处理(1)在坐标纸上以U为横轴,以I为纵轴,建立坐标系。(2)在坐标纸上描出各组数据所对应的点(坐标系纵轴和横轴的标度要适中,以使所描图线充分占据整个坐标纸为宜)。(3)将描出的点用平滑的曲线连接起来,就得到小电珠的伏安特性曲线。5误差分析(1)由于电压表、电流表不是理想电表,电表内阻对电路的影响会带来误差。(2)电流表、电压表的读数带来误差。(3)在坐标纸上描点、作图带来的误差。6注意事项(1)电路的连接方式电流表应采用外接法:小电珠(3.8 V0.3 A)的电阻很小,与00.6 A的电流表串联时,电流表的分压影响很大。滑动变阻器应采用分压式接法:目的是使小电珠两端的电压能从零开始连续变化。(2)闭合开关S前,滑动变阻器的滑片应移到使小电珠分得电压为零的一端,使开关闭合时小电珠的电压从零开始变化,同时也是为了防止开关刚闭合时因小电珠两端电压过大而烧坏灯丝。(3)I-U图线在U0=1.0 V左右将发生明显弯曲,故在U=1.0 V左右绘点要密,以防出现较大误差。(4)当小电珠的电压接近额定值时要缓慢增加,到额定值记录I后马上断开开关。(5)误差较大的点舍去,I-U图线应是平滑曲线而非折线。2.1 (2018湖北武汉第一次模拟)要测绘一个标有“3 V0.6 W”小灯泡的伏安特性曲线,小灯泡两端的电压需要由零逐渐增加到3 V,并便于操作。已选用的器材有:电池组(电动势为4.5 V,内阻约为1 );电流表(量程为0250 mA,内阻约为5 );电压表(量程为03 V,内阻约为3 k);开关一个、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(最大阻值为20 ,额定电流为1 A)B.滑动变阻器(最大阻值为1750 ,额定电流为0.3 A)(2)实验的电路图应选用下列四个电路图中的(填字母代号)。(3)实验得到小灯泡的伏安特性曲线如图甲所示。如果将这个小灯泡接到电动势为1.5 V,内阻为5 的电源两端,小灯泡消耗的功率是W。【解析】(1)测绘小电珠的伏安特性曲线,要求能较大范围地测量数据,所以控制电路部分应用分压式接法,滑动变阻器应用最大阻值小、额定电流大的,故选A。(2)电珠的电阻R=U2P=15 ,额定电流I=PU=0.2 A,由R=15 RARV=15000 ,依据“大内小外”的原则,可知电流表应采用外接法,B项正确。(3)在小电珠的I-U图象上作出电源的I-U图线,如图乙所示,交点坐标为这个电源给这个小电珠供电时的电压和电流,此时P电珠=IU=0.101.0 W=0.1 W。乙【答案】(1)A(2)B(3)0.12.2 (2018四川成都仿真模拟)在“测绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中,除小灯泡L“3.8 V0.3 A”外,可供选择的实验仪器如下:A.电压表:量程03 V,内阻约为6 kB.电流表:量程04 mA,内阻为100 C.电流表:量程0300 mA,内阻约为5 D.滑动变阻器R1:最大阻值为10 ,额定电流为1.0 AE.滑动变阻器R2:最大阻值为5 ,额定电流为0.5 AF.定值电阻R3:阻值为2 kG.定值电阻R4:阻值为900 H.直流电源E:电动势约为6 V,内阻约为0.5 I.开关S一个,导线若干(1)先将(选填元件前的序号字母)与(选填元件前的序号字母)电阻(选填“串联”或“并联”),将其改为量程为4 V的电压表。(2)在虚线框内画出实验电路图(改装后的电压表直接用电压表的符号表示)。(3)其中,滑动变阻器应选;电流表应选。(均填元件前的序号字母)(4)某实验小组完成实验后,利用实验得到的数据描绘出如图甲所示的小灯泡的伏安特性曲线。根据此图给出的信息,可以判断:图乙所示的该小灯泡的P-U2或P-I2图线中(P为小灯泡的功率),可能正确的是。【解析】(1)直流电源电动势约为6 V,题干所述电压表最大量程为3 V,所以需要改装出一个量程较大的电压表。改装成电压表需要给串联一个电阻,其电阻R=UIg-Rg=40.004 -100 =900 。(2)测绘小灯泡的伏安特性曲线要求电压从零开始连续变化,所以滑动变阻器要采用分压式接法。小灯泡L“3.8 V0.3 A”的电阻Rx=UI=3.80.3 13 ,远小于电压表的内阻,所以用电流表外接法,电路图如图丙所示。丙(3)若选用滑动变阻器R2,则通过滑动变阻器的最小电流I=Er+R2=3.80.5+5 A0.7 A,大于滑动变阻器R2的额定电流,所以滑动变阻器应选R1,即D。小灯泡的额定电流为0.3 A,所以电流表应选C。(4)由图甲可知,小灯泡电阻逐渐增大,根据P=U2R可知,P-U2图象的斜率应逐渐减小,B项正确;根据P=I2R可知,P-I2图象的斜率应逐渐增大,D项正确。【答案】(1)BG串联(2)电路图如图丙所示(3)DC(4)BD实验3测定电源的电动势和内阻1实验原理(1)如图甲所示,改变R的阻值,从电压表和电流表中读出几组I、U值,利用闭合电路的欧姆定律求出几组E、r值,最后分别算出它们的平均值。 甲乙(2)用图象法来处理数据,在坐标纸上以I为横坐标、U为纵坐标,用测出的几组I、U值画出U-I图象,如图乙所示,直线跟纵轴的交点的纵坐标表示电源电动势E的值,图线的斜率的绝对值即内阻r的值。2实验器材电池、电压表、电流表、滑动变阻器、开关、导线、坐标纸和刻度尺。3实验步骤(1)电流表用0.6 A量程,电压表用3 V量程,按实验原理图连接好电路。(2)把滑动变阻器的滑片移动到使接入电路的阻值最大的一端。(3)闭合开关,调节滑动变阻器,使电流表有明显示数并记录一组数据(I1,U1)。用同样方法测量出六组I、U的值,并填入表格中。组数物理量 第1组第2组第3组第4组第5组第6组U/VI/A(4)断开开关,拆除电路,整理好器材。4数据处理(1)公式法:联立六组对应的U、I数据,满足关系式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值,取其平均值作为电池的电动势E和内阻r。(2)图象法:在坐标纸上以路端电压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(I,U)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。图线与纵轴交点为E。图线与横轴交点为I短=Er。图线的斜率的绝对值表示r=UI。5误差分析(1)偶然误差由于读数不准和电表接线不良引起的误差。用图象法求E和r时,由于作图不准确造成的误差。测量过程中通电时间过长或电流过大,都会引起E、r变化。(2)系统误差由电压表和电流表内阻影响而导致的误差。若采用如图甲所示的电路,在理论上E=U+(IV+IA)r,其中电压表示数U是准确的电源两端电压。但实验中忽略了通过电压表的电流IV,因此形成误差,而且电压表示数越大,IV越大。 甲乙结论:a.当电压表示数为零时,IV=0,IA=I短,短路电流测量值=真实值。b.E测E真。c.因为r测=E测I短,所以r测r真。从电路的角度看,电压表应看成内电路的一部分,故实际测出的是电池和电压表这一整体的等效内阻和电动势(r测和E测),如图乙所示,因为电压表和电池并联,所以r测小于电池内阻r真,因为外电阻R断开时,a、b两点间电压Uab等于电动势E测,此时电源与电压表构成回路,所以UabE真,即E测E真。若采用如图丙所示的电路,IA为通过电源的电流真实值,理论上有E=U+UA+IAr,其中UA不可知,因此造成误差,而且电流表示数越大,UA越大,当电流为零时,UA=0,电压为准确值,等于E。 丙丁结论:a.E为真实值。b.I短测r真,r测为r真和RA的串联值,由于通常情况下电池的内阻较小,所以这时r测的测量误差非常大。6注意事项(1)为了使电池的路端电压变化明显,电池的内阻宜大些(选用已使用过一段时间的干电池)。(2)在实验时,电流不能过大,通电时间不能太长,以免对E和r产生较大影响。(3)要测出不少于6组的(I,U)数据,且变化范围要大些,然后用方程组求解,并求平均值。(4)画U-I图线时,由于读数的偶然误差,描出的点不在一条直线上,在作图时应使图线通过尽可能多的点,并使不在直线上的点均匀分布在直线的两侧,个别偏离直线太远的点可舍去。这样就可使偶然误差得到部分抵消,从而提高精确度。(5)由于干电池的内阻较小,路端电压U的变化也较小,这时画U-I图线时,纵轴的刻度可以不从零开始,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),但这时图线在横轴的截距不再是短路电流,而在纵轴的截距仍为电源电动势,图线斜率的绝对值仍为电源的内阻。3.1 (2018安徽合肥全市联考)为了测量一节干电池的电动势和内阻,某同学采用了伏安法,现备有下列器材:A.被测干电池一节B.电流表1:量程为00.6 A,内阻r=0.3 C.电流表2:量程为00.6 A,内阻约为0.1 D.电压表1:量程为03 V,内阻未知E.电压表2:量程为015 V,内阻未知F.滑动变阻器1:010 ,允许通过的最大电流为2 AG.滑动变阻器2:0100 ,允许通过的最大电流为1 AH.开关、导线若干在用伏安法测电池电动势和内阻的实验中,由于电流表和电压表内阻的影响,测量结果存在系统误差;在现有器材的条件下,要尽可能准确地测量电池的电动势和内阻。(1)在上述器材中请选择适当的器材:(填写选项前的字母)。(2)实验电路图应选择下图中的(选填“甲”或“乙”)。 甲乙丙(3)根据实验中电流表和电压表的示数得到了如图丙所示的U-I图象,则干电池的电动势E=V,内阻r=。【答案】(1)ABDFH(2)甲(3)1.50.73.2 (2018江西南昌五校联考)甲同学设计了如图甲所示的电路来测量电源电动势E及电阻R1和R2的阻值。实验器材有:待测电源E(不计内阻),待测电阻R1,待测电阻R2,电压表(量程为1.5 V,内阻很大),电阻箱R(099.99 ),单刀单掷开关S1,单刀双掷开关S2,导线若干。(1)先测电阻R1的阻值。请将甲同学的操作补充完整:A.闭合S1,将S2切换到a,调节电阻箱,读出其示数R0和对应的电压表示数U1。B.保持电阻箱示数不变,读出电压表的示数U2。C.电阻R1的表达式为R1=。甲乙(2)甲同学已经测得电阻R1=4.80 ,继续测电源电动势E和电阻R2的阻值。该同学的做法是:闭合S1,将S2切换到a,多次调节电阻箱,读出多组电阻箱示数R和对应的电压表示数U,由测得的数据,绘出了如图乙所示的1U-1R图线,则电源电动势E=V,电阻R2=(计算结算保留3位有效数字)。【答案】(1)将S2切换到bU2-U1U1R0(2)1.431.20实验4练习使用多用电表1实验原理欧姆表的外部构造如图甲所示,内部结构如图乙所示。是内阻为Rg、满偏电流为Ig的电流表(表头),R是可变电阻,也叫调零电阻,电池的电动势是E,内阻是r。欧姆表的原理是闭合电路欧姆定律。 甲乙红、黑表笔接触时,相当于被测电阻Rx=0,如图丙所示,调节R使电流表达到满偏,此时满足关系Ig=ER+Rg+r,这一过程叫欧姆调零,所以电流满刻度处是电阻挡的零点。红、黑表笔不接触时,相当于被测电阻Rx=,如图丁所示,此时电流为零,所以电流的零刻度位置是电阻挡的。红、黑表笔接触电阻Rx时,如图戊所示,通过电流表的电流Ix=ER+Rg+r+Rx,所以电流的Ix处对应电阻挡的Rx值。注意:Rx=R+Rg+r时Ix=Ig2,指针半偏,所以欧姆表的内阻等于中值电阻。2实验器材多用电表、电学黑箱、直流电源、开关、导线若干、小灯泡、二极管、定值电阻(大、中、小)三个。3实验步骤(1)在用多用电表的欧姆挡进行测量的过程中,需要先进行欧姆调零再进行测量,具体的过程用流程图可表示为:(2)探索黑箱内的电学元件探究项目应用挡位现象电源电压挡两接线柱正、反接时均无示数说明无电源电阻欧姆挡两接线柱正、反接时示数相同二极管欧姆挡正接时示数很小,反接时示数很大电容器欧姆挡指针先指向某一小阻值,后逐渐增大到“”,且指针摆动越来越慢电感线圈欧姆挡示数由“”逐渐减小到某一较小固定示数(3)测量小灯泡的电压和电流按如图甲所示的电路图连好电路,将多用电表选择开关置于直流电压挡,测小灯泡两端的电压。按如图乙所示的电路图连好电路,将选择开关置于直流电流挡,测量通过小灯泡的电流。4注意事项(1)红进黑出:表内电源正极接黑表笔,负极接红表笔。无论用多用电表测电压、电流还是电阻(结合内部结构图看),电流都要经红表笔(正插孔)流入多用电表,从黑表笔流出。可以简记为“红进黑出”。(2)区分两个“零点”:机械零点是表盘刻度左侧的“0”位置,调整的是定位螺丝;欧姆零点是刻度盘右侧的“0”位置,调整的是欧姆调零旋钮。(3)测电压时,多用电表应与被测元件并联;测电流时,多用电表应与被测元件串联。(4)勿忘欧姆调零:测电阻时,要选择合适的挡位,使指针分布在“中值”附近。每变换一次挡位,都要重新进行欧姆调零。(5)使用多用电表时,手不能接触测试笔的金属杆。(6)测量电阻时,待测电阻要与其他元件及电源断开,否则不但影响测量结果,甚至可能损坏电表。(7)多用电表使用完毕,应将选择开关置于“OFF”挡或交流电压最高挡。如果长期不用欧姆表,应把表内电池取出。4.1 (2018湖北武汉期中考试)在“练习使用多用电表”的实验中,某同学用多用电表的欧姆挡测量阻值为十几千欧的电阻Rx。(1)该同学列出了以下可能的操作步骤,其中S为选择开关,P为欧姆挡调零旋钮,把你认为正确步骤前的字母按合理的顺序填写在下面的横线上:。A.将两表笔短接,调节P使表针指向欧姆零点,断开两表笔B.将两表笔分别连接到被测电阻的两端,读出Rx的阻值后,断开两表笔C.旋转S至1k位置D.旋转S至100位置E.旋转S至OFF位置,并拔出两表笔(2)该同学按正确的步骤测量Rx,表针位置如图所示,被测电阻Rx的阻值约为。【答案】(1)CABE(2)1.41044.2 (2018山西太原12月月考)使用多用电表测量电阻时,多用电表内部的电路可以等效为一个直流电源(一般为电池)、一个电阻和一表头串联,两个表笔分别位于此串联电路的两端。现需要测量多用电表内电池的电动势,给定的器材有:待测多用电表,量程为60 mA的电流表,电阻箱,导线若干。实验时,将多用电表调至1 挡,调好零点,电阻箱置于适当数值。完成下列填空:(1)仪器连线如图甲所示(a和b是多用电表的两个表笔)。若两电表均正常工作,则表笔a为(选填“红”或“黑”)色。(2)若适当调节电阻箱后,图甲中多用电表、电流表与电阻箱的示数分别如图乙中(a)(b)(c)所示,则多用电表的读数为,电流表的读数为mA,电阻箱的读数为。(3)欧姆表刻度上中间刻度值为15,计算得到多用电表内电池的电动势为V(结果保留3位有效数字)。(4)若将两表笔短接,流过多用电表的电流为mA(结果保留3位有效数字)。【解析】(1)根据多用电表“红进黑出”的一般原则有,电流从红表笔进入多用电表,从黑表笔流出多用电表,由于设计电路图中a表笔接在电流表的正极,故电流经过多用电表从a表笔流出,即a表笔为多用电表的黑表笔。(2)欧姆表读数为R=14 ;电流表读数为I=53.0 mA;电阻箱读数为41 +60.1 =4.6 。(3)欧姆表的内阻r=R中=15 ,由欧姆定律得E=I(R+r)1.54 V。(4)两表笔短接,则I0=Er102 mA。【答案】(1)黑(2)1453.04.6(3)1.54(4)102实验5传感器的简单使用1实验原理(1)传感器的作用传感器能够将感受到的物理量(力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)。(2)传感器的工作过程通过对某一物理量敏感的元件将感受到的信号按一定的规律转换成便于测量的信号。例如,光电传感器是利用光敏电阻将光信号转换成电信号;热电传感器是利用热敏电阻或金属热电阻将温度信号转换成电信号。转换后的信号经过电子电路的处理就可达到方便检测、自动控制、遥控等各种目的。传感器工作的原理可用下图表示:2实验器材热敏电阻、光敏电阻、多用电表、铁架台、烧杯、冷水、热水、小灯泡、学生电源、滑动变阻器、开关、导线等。3实验步骤及数据处理(1)研究热敏电阻的热敏特性实验步骤a.按图所示连接好电路,将热敏电阻绝缘处理。b.把多用电表置于“欧姆挡”,并选择适当的量程测出烧杯中没有水时热敏电阻的阻值,并记下温度计的示数。c.向烧杯中注入少量的冷水,使热敏电阻浸没在冷水中,记下温度计的示数和多用电表测出的热敏电阻的阻值。d.将热水分几次注入烧杯中,测出不同温度下热敏电阻的阻值,并记录。数据处理a.根据记录数据,把测量到的温度、电阻阻值填入下表中,分析热敏电阻的特性。次数待测量123456温度/电阻/b.在坐标系中,粗略画出热敏电阻的阻值随温度变化的图线。c.根据实验数据和R-t图线,得出结论:热敏电阻的阻值随温度的升高而减小,随温度的降低而增大。(2)研究光敏电阻的光敏特性实验步骤a.将光电传感器、多用电表、灯泡、滑动变阻器按图所示电路连接好,其中多用电表置于“100”的欧姆挡。b.先测出在室内自然光的照射下光敏电阻的阻值,并记录数据。c.打开电源,让小灯泡发光,调节小灯泡的亮度使之逐渐变亮,观察表盘指针显示电阻阻值的情况,并记录。d.观察用手掌(或黑纸)遮光时电阻的阻值,并记录。数据处理把记录的结果填入下表中,根据记录数据分析光敏电阻的特性。光照强度弱中强无光照射阻值/结论:光敏电阻的阻值被光照射时发生变化,光照增强电阻变小,光照减弱电阻变大。4注意事项(1)在做热敏实验时,加热水后要等一会儿再测其阻值,以使电阻温度与水的温度相同,并同时读出水温。(2)在做光敏实验时,如果效果不明显,可将电阻部分电路放入带盖的纸盒中,并通过盖上的小孔改变射到光敏电阻上的光的多少。(3)欧姆表每次换挡后都要重新进行欧姆调零。5.1 (2018吉林长春模拟)如图所示,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,再将电表的两支表笔分别与光敏电阻RT的两端相连,这时表针恰好指在刻度盘的中央。若用不透光的黑纸将RT包裹起来,表针将向(选填“左”或“右”)转动;若用手电筒光照射RT,表针将向(选填“左”或“右”)转动。【答案】左右5.2 (2018云南昆明全市统考)热敏电阻是传感电路中常用的电子元件。现用伏安法测绘出热敏电阻分别在温度为t1=45 和温度为t2=75 时的伏安特性曲线,要求特性曲线尽可能完整。先用欧姆表粗测出常温下待测热敏电阻的阻值大约为 5 ,热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中,杯内有一定量的冷水,其他备用的仪表和器具有:A.电流表,量程为00.6 A,内阻约为2 B.电流表,量程为03 A,内阻约为0.4 C.电压表,量程为015 V,内阻约为50 k D.电压表,量程为03 V,内阻约为10 kE.滑动变阻器R1(0100 )F.滑动变阻器R2(020 )G.电源E(3 V、内阻可忽略)H.盛有热水的热水杯(图中未画出)I.开关、导线若干(1)实验中应选用的电流表为(选填“”或“”),应选用的电压表为(选填“”或“”),应选用的滑动变阻器为(选填“R1”或“R2”)。(2)将实物图甲连线补充成完整的测量电路(实线代表导线),要求测量误差尽可能小。甲 (3)实验过程主要有如下操作步骤,顺序合理的是。(填写步骤前的字母)A.接通电路,调节滑动变阻器,多次记录电压表和电流表的示数B.往保温杯中缓慢加入热水,并同步搅动均匀,直到温度稳定在t1C.往保温杯中缓慢加入一定量的冷水,将热敏电阻和温度计插入保温杯中D.往保温杯中加入一些热水,待温度稳定在t2E.在同一个坐标系中绘出两个温度下热敏电阻的伏安特性曲线【答案】(1)R2(2)如图乙所示乙(3)CBADAE题型一伏安法测电阻及其变式伏安法测电阻是电学实验的一个基本方法,除了直接考查伏安法测电阻之外,对伏安法测电阻这一思想方法的迁移应用,以及对创造性思维能力的考查,已成为高考的热点。从近几年的高考题中可看出,题目中大多提供某种电表,阻值已知的电阻或电阻箱,根据伏安法测电阻的思想,利用串、并联电路的特点,结合题目提供的器材设计出合适的电路,最后通过计算得出结论。常见的迁移方法有电流表可看作本身能直接读出电流的小电阻,电压表可看作能直接读出自身两端电压的大电阻;而阻值已知的电流表可等效为电压表,阻值已知的电压表也可等效为电流表。【例1】在用伏安法测电阻的实验中,实验室备有下列器材:A.待测电阻Rx,阻值约为10 B.电压表,量程为06 V,内阻约为2 kC.电压表,量程为015 V,内阻约为10 kD.电流表,量程为00.6 A,内阻约为0.2 E.电流表,量程为03 A,内阻约为0.02 F.电源,电动势E=6 VG.滑动变阻器R1,最大阻值为10 ,允许通过的最大电流为2 AH.滑动变阻器R2,最大阻值为50 ,允许通过的最大电流为0.2 AI.开关,导线若干(1)为了较精确地测量电阻阻值,应尽可能多测几组数据,且两表读数大于量程一半。除A、F、I以外,还要在上述器材中选出该实验所用器材(填器材前面的字母代号)。(2)在虚线框内画出该实验电路图。【解析】(1)两表量程大于读数一半,根据题意电压表应选B。由欧姆定律知电路电流最大值I=UR=610 A=0.6 A,故电流表选D,滑动变阻器选阻值较小的G。(2)因待测电阻远小于电压表内阻,电流表应用外接法;为方便调节滑动变阻器应采用分压式接法,电路图如图所示。【答案】(1)BDG(2)如图所示伏安法测电阻及其变通伏安法测电阻是电学实验的基础,是高考考查的热点,也是难点。它渗透在电学实验的各个环节中,如测未知电阻、测电阻率、测各种电表内阻等。本质上都是伏安法测电阻在不同情景下的具体应用。主要涉及电压表、电流表的选择以及实物连线等。变通1伏伏法测电阻(电压表的灵活选用)已知内阻的电压表可作电流表使用,在缺少合适的电流表的情况下,常用电压表代替电流表使用,这是设计电路中的高频考点。变通2安安法测电阻(电流表的灵活选用)已知内阻的电流表可作电压表使用,在缺少合适的电压表的情况下,常用电流表代替电压表使用,这也是电学设计电路中的高频考点。【变式训练1】(2018湖北武汉二模)用以下器材可测量电阻Rx的阻值。待测电阻Rx,阻值约为600 ;电源E,电动势约为6.0 V,内阻可忽略不计;电压表,量程为0500 mV,内阻r1=1000 ;电压表,量程为06 V,内阻r2约为10 k;电流表,量程为00.6 A,内阻r3约为1 ;定值电阻R0,R0=60 ;滑动变阻器R,最大阻值为150 ;单刀单掷开关S一个,导线若干。(1)测量中要求两只电表的读数都不小于其量程的13,并能测量多组数据,请在虚线框中画出测量电阻Rx的实验电路图。(2)若选择测量数据中的一组来计算Rx,则由已知量和测量物理量计算Rx的表达式为Rx=,式中各符号的意义是 。(所有物理量用题中代表符号表示)【解析】(1)电路的最大电流I=6600 A=0.01 A,电流表量程太大,可以把电压表并联一个定值电阻改装成电流表,电压表选择即可,要求测量多组数据,滑动变阻器需用分压式接法,电路图如图所示。 (2)若某次测量中电压表的示数为U1,电压表的示数为U2,电压表和定值电阻R0的并联电阻R=R0r1R0+r1所以通过电阻Rx的电流I=U1R所以Rx=U2-U1I=(U2-U1)r1R0U1(r1+R0)。【答案】(1)如图所示(2)(U2-U1)R0r1U1(R0+r1)U1为电压表的示数,U2为电压表的示数,r1为电压表的内阻,R0为定值电阻【变式训练2】(2018豫南三校联考)现要测量某一待测电阻Rx的阻值,给定的器材有:A.待测电阻Rx:阻值约为80 ;B.电源E:电动势约为2 V,内阻可忽略不计;C.电流表:量程为05 mA,内阻r1=20 ;D.电流表:量程为020 mA,内阻未知;E.定值电阻R0:阻值R0=300 ;F.定值电阻R1:阻值R1=5 k;G.滑动变阻器R2:最大阻值约为2 k;H.滑动变阻器R3:最大阻值约为10 ;I.单刀单掷开关S一个,导线若干。为了较为准确地测量电阻Rx的阻值,要求在实验过程中电表的示数能从零开始连续变化;两电流表示数都能达量程一半以上。(1)定值电阻只选用;滑动变阻器只选用(填器材前面的序号)。(2)根据选好的器材,请设计测量Rx的电路原理图(画在虚线框内)。(3)若某次测量中电流表的示数为I1,电流表的示数为I2,则Rx的表达式为Rx=(用已知量和测量值的字母表示)。【解析】(1)要使电表示数从零开始变化,滑动变阻器应采用分压式接法,故滑动变阻器选阻值较小的,即选H;器材中没有电压表,故用电流表和定值电阻串联当作电压表使用,由题知电源电动势约为2 V,根据电表示数能达量程一半以上可得:定值电阻阻值RE12I1-r1=780 ,故定值电阻选R0(选E)。(2)滑动变阻器R3采用分压式接法,电流表和定值电阻R0串联当作电压表使用,电流表内阻未知,故电流表采用外接法;那么,电路图如图所示。(3)根据并联电路电流分流、电压相等可得I1(R0+r1)=(I2-I1)Rx,所以Rx=I1(R0+r1)I2-I1。【答案】(1)EH(2)如图所示(3)I1(R0+r1)I2-I1题型二电阻测量的其他方法除伏安法之外,电阻(包括电表内阻)测量的方法还有:1.最直接的电阻测量方法多用电表测量法。2.最为精确的测量方法等效替代法。在电阻的测量方法中,有一种方法叫作等效替代法,它可以很精确地将一个未知电阻的阻值测量出来。3.最为独特的测量方法电桥法。在电阻的测量方法中,有一种很独特的测量方法,那就是电桥法。其测量电路如图所示,实验中调节电阻箱R3,当A、B两点的电势相等时,R1和R3两端的电压相等,设为U1。同时R2和Rx两端的电压也相等,设为U2。根据欧姆定律有:U1R1=U2R2,U1R3=U2Rx。由以上两式解得:R1Rx=R2R3。这就是电桥平衡的条件,由该平衡条件也可求出被测电阻Rx的阻值。【例2】小明用如图甲所示的电路测量电阻Rx的阻值(几百欧)。R是滑动变阻器,R0是电阻箱,S2是单刀双掷开关,部分器材规格图乙中已标出。(1)根据图甲实验电路,在图乙中用笔画线代替导线将实物图连接完整。 甲乙(2)正确连接电路后,断开S1,S2接1。调节多用电表,将两表笔接触Rx两端的接线柱,粗测其阻值,此过程中存在的问题是。正确操作后,粗测出Rx的阻值为R。(3)小明通过下列步骤,较准确地测出Rx的阻值。将滑动变阻器的滑片P调至图甲中的(选填“A”或“B”)端。闭合S1,将S2拨至1,调节滑动变阻器的滑片P至某一位置,使电压表的示数满偏。调节电阻箱R0,使其阻值(选填“大于R”或“小于R”)。将S2拨至“2”,保持滑动变阻器滑片P的位置不变,调节电阻箱的阻值,使电压表再次满偏,此时电阻箱示数为R1,则Rx=。(4)实验中,滑动变阻器有两种规格可供选择,分别是:R2(010 );R3(05000 )。为了减小实验误差,滑动变阻器应选(选填“R2”或“R3”)。【解析】(1)根据电路图连接实物图,如图丙所示。丙(2)测量电阻时,要把电阻与其他元件断开。(3)闭合开关前,将滑动变阻器的滑片P调至图甲中的A端,使电压表示数为零;调节电阻箱R0,使其阻值小于R;将S2拨至“2”,保持滑动变阻器滑片P的位置不变,调节电阻箱的阻值,使电压表再次满偏,则此时并联部分的电阻相等,Rx的阻值等于电阻箱的阻值,即Rx=R1。(4)由于电阻Rx的阻值为几百欧,为方便调节,滑动变阻器应选R3。【答案】(1)如图丙所示(2)待测电阻未与其他元件断开(3)A小于RR1(4)R3等效替代法主要有以下两种替代方法。(1)电流等效替代该方法的实验步骤如下:按图示电路图连接好电路,并将电阻箱R0的阻值调至最大,滑动变阻器的滑片P置于a端。闭合开关S1、S2,调节滑片P,使电流表指针指在适当的位置,记下此时电流表的示数I。断开开关S2,再闭合开关S3,保持滑动变阻器滑片P位置不变,调节电阻箱,使电流表的示数仍为I。此时电阻箱连入电路的阻值R0与未知电阻Rx的阻值等效,即Rx=R0。(2)电压等效替代该方法的实验步骤如下:按图示电路图连接好电路,并将电阻箱R0的阻值调至最大,滑动变阻器的滑片P置于a端。闭合开关S1、S2,调节滑片P,使电压表指针指在适当的位置,记下此时电压表的示数U。断开S2,再闭合S3,保持滑动变阻器滑片P位置不变,调节电阻箱使电压表的示数仍为U。此时电阻箱连入电路的阻值R0与未知电阻Rx的阻值等效,即Rx=R0。【变式训练3】(2018济南二模)某同学参加了一物理兴趣小组,想通过实验测量一个待测电阻Rx的阻值,实验室内除待测电阻外还有如下器材:A.电阻箱R1、R2、R3、R4B.滑动变阻器R0C.灵敏电流计D.不计内阻的恒定电源EE.开关、导线若干(1)指导教师先让该同学对如图甲所示电路进行分析,调节四个电阻箱R1、R2、R3、R4的阻值,当a、b之间的电流表无示数时(也称为“电桥平衡”),a、b两点间的电势差(选填“为零”或“不为零”),4个电阻之间的关系是:(用R1、R2、R3、R4表示)。 (2)该同学还受此启发很快设计了如图乙所示电路,并按照以下步骤测出了Rx:按图乙接好电路,调节,P为滑动变阻器的滑片,当表示数为零时,读出此时电阻箱阻值R1;将Rx与电阻箱R互换位置,并且控制不动,再次调节,直至电桥再次平衡时,读出此时电阻箱阻值R2;由以上数据即可得Rx的阻值,其大小为Rx=。【解析】(1)电流表无示数,说明a、b两点电势相等,故电势差为零;根据串、并联电路原理可知R1、R3两端的电压相同,根据欧姆定律可得ER1+R2R1=ER3+R4R3,化简可得R1R4=R2R3。(2)由题意可知,该同学采用电桥平衡法进行实验,故应调节R,使表中电流为零,此时读出电阻箱的阻值R1,则R1与Rx的比值等于滑动变阻器左右两边电阻的比值。应控制P不动,使两边电阻的比值不变,互换Rx与变阻箱R,再次调节R,使电流计读数为零,则也有比值等于滑动变阻器左右两边电阻的比值。根据题意有R1Rx=RxR2,解得Rx=R1R2。【答案】(1)为零R1R4=R2R3(2)RPRR1R2【变式训练4】(2018福建模拟)用伏安法测电