热点04 等效替代法 （教师版含解析）-高考物理专练(新高考专用)

高考物理【热点·重点·难点】专练(新高考专用)热点04等效替代法【热点解读】等效替代法是科学研究中常用的一种思维方法，对一些复杂问题采用等效方法，将其变成理想的、简单的、已知规律的过程来处理，常可使问题的解决得以简化，能替代的前提是等效，等效是指不同的物理现象、模型、过程等在物理意义、作用效果或物理规律方面是相同的，它们之间可以相互替代，而保证结论不变。等效的方法是指面对一个较为复杂的问题，提出一个简单的方案或设想，而使它们的效果完全相同，从而将问题化难为易、化繁为简求得解决。这种科学思维方法不仅在定义物理概念时经常用到，如等效电路、等效电阻、分力与合力等效、合运动与分运动等效等，而且在分析和设计实验时也经常用到。再如交流电的有效值，即是用交流电与直流电在热效应里产生的“等效作用”来确定的。物理实验中经常会用到“等效替代法”。【限时检测】(建议用时：30分钟)1．某实验小组利用如图甲所示的电路探究在25℃~80℃范围内某热敏电阻的温度特性。所用器材有：置于温控室(图中虚线区域)中的热敏电阻RT，其标称值(25℃时的阻值)为900.0Ω；电源E(6V，内阻可忽略)；电压表V(量程150mV)；定值电阻R0(阻值20.0Ω)，滑动变阻器R1(最大阻值为1000Ω)；电阻箱R2(阻值范围0~999.9Ω)；单刀开关S1，单刀双掷开关S2。实验时，先按图甲连接好电路，再将温控室的温度t升至80.0℃。将S2与1端接通，闭合S1，调节R1的滑片位置，使电压表读数为某一值U0；保持R1的滑片位置不变，将R2置于最大值，将S2与2端接通，调节R2，使电压表读数仍为U0；断开S1，记下此时R2的读数。逐步降低温控室的温度t，得到相应温度下R2的阻值，直至温度降到25.0℃。实验得到的R2-t数据见下表。t/℃25.030.040.050.060.070.080.0R2/Ω900.0680.0500.0390.0320.0270.0240.0回答下列问题：(1)在闭合S1前，图甲中R1的滑片应移动到______(填“a”或“b”)端。(2)在图乙的坐标纸上补齐数据表中所给数据点，并作出R2-t曲线。(_______)(3)由图乙可得到RT在25℃~80℃范围内的温度特性。当t=44.0℃时，可得RT=____Ω。(4)将RT握于手心，手心温度下R2的相应读数如图丙所示，该读数为______Ω，则手心温度为_______℃。【答案】b450620.033.0【解析】(1)闭合开关S1前，应让滑片移动到b端，使滑动变阻器连入电路的阻值最大。(2)如图所示(3)由图丁可知t=44.0℃时，电阻的阻值为450Ω。(4)由图丙可得电阻箱阻值为620.0Ω，由图丁可得温度约为33.0℃。2．为了测试某精密元件在204μA特定电流值时的工作性能，一实验小组利用微安表监测该元件在电路中的电流，电路如图(a)所示。所用器材：微安表(量程为250μA，内阻约为1000Ω)，稳压电源E(电动势为2.0V)，定值电阻R0(阻值为4000.0Ω)，滑动变阻器R1(最大阻值为1000Ω，额定电流为0.3A)，电阻箱R2(阻值范围0~9999.9Ω)，开关S。将电阻箱R2置于图(b)所示的阻值，滑动变阻器R1置于最大值；闭合开关S，移动R1的滑片，使微安表读数为204μA。(1)图(b)中R2的阻值为___________Ω；(2)在图(c)中标出微安表读数为204μA时的指针位置___________。为了提高监测精度，该小组尝试用标准电池EN(电动势为1.0186V)和灵敏电流计(量程范围300μA)替代微安表，设计了图(d)所示电路。要将元件的工作电流调到204μA，需先将R2的阻值设置为某个特定值，再闭合开关S1、S2，调节滑动变阻器R1，使灵敏电流计指针指在零点，此时元件中的电流即为204μA。(3)电阻箱R2的阻值应设置为___________Ω。【答案】4250.04993.1【解析】(1)图(b)中R2的阻值为4250.0Ω；(2)微安表最小刻度为5μA，则读数为204μA时的指针位置如图；(3)由题意可知，当电阻R2两端电压等于电动势EN时，通过灵敏电流计的电流为零，则UR=EN=1.0186V电流IR=204μA则3．某物理兴趣小组的同学要测定某电阻Rx的阻值，通过讨论，决定采用下列方法来测定。(1)方法一：用多用电表测量首先，选用欧姆表“×1”挡进行粗测，正确操作后，表盘指针如图1所示，则该电阻的测量值为Rx=______Ω。(2)方法二：用伏安法测量所用的部分器材：电压表V(0～3V，内阻约3kΩ)；电流表A(0～0.6A，内阻约2Ω)。分析下列问题。①他们设置了如图2、图3所示的两种电路图，为减小实验误差应选用______(填“图2”或“图3”)作为测量电路；②请根据他们所选的电路将图4所示的实物图连接好；(______)③他们选择了正确的电路后，通过测量，根据得到的实验数据作出了如图5所示的U-I图象，根据图象，可得Rx=___________Ω。(3)方法三：等效替代法某同学设计了如图6所示的测量电路，实验步骤如下所示：A．按图6连接好实验电路。B．保持开关S2断开，将开关S1闭合，然后调节电阻箱R和滑动变阻器R′。待电路稳定后电阻箱读数R1如图7所示，记下此时电压表的示数。C．闭合开关S2，保持滑动变阻器的滑片位置不变，然后调节电阻箱的电阻，使电压表的读数与步骤B中的示数相同，此时电阻箱的读数R2=26Ω。①在步骤B中电阻箱的读数为R1=___________Ω；②由以上实验测得电阻Rx的阻值为Rx=___________Ω。【答案】7图26.25206【解析】(1)欧姆表读数=刻度盘读数×倍率，读数是Rx=7×1Ω=7Ω(2)①由于待测电阻的阻值远小于电压表的内阻，所以电流表使用外接法，故选图2作为测量电路；②所连实物图如图所示：③U-I图象的斜率表示电阻的阻值，由所作的图象可知，故被测电阻的阻值为Rx=k=6.25Ω(3)①在步骤B中电阻箱的读数为R1=20Ω；②由于R1与Rx串联在电路中所起的作用与R2相同(电压表指针指示同一位置)，则有R1＋Rx=R2故有Rx=R2-R1由题意可知R1=20Ω，R2=26Ω故被测电阻的阻值为Rx=R2-R1=26Ω-20Ω=6Ω。4．如图所示，某同学在家中尝试验证“平行四边形定则”，他找到三根完全相同的橡皮条(遵循胡克定律)、三角板、刻度尺、白纸、方木板、几枚图钉、细绳。设计了如下实验：(1)将橡皮条两端各拴上一根相同的细绳，用刻度尺测出橡皮条的原长，记为L0；(2)将三根橡皮条的一端用细绳拴在同一结点上，另一端分别拴在图钉上；(3)将白纸用图钉固定在方木板上，互成角度地拉伸三根橡皮条，在白纸上分别固定三枚图钉，如图所示。分别记下三绳结点位置O和______，分别测出三根橡皮条的长度，记为L1、L2、L3，则三根橡皮的拉力之比为______；(4)取下器材，用铅笔和刻度尺从O点沿着三根橡皮条的方向画直线，按照一定的标度作出三根橡皮条对结点O的拉力F1、F2、F3的示意图，用平行四边形定则求出两个力F1、F2的合力F；(5)若测量发现F与F3在同一直线上，大小接近相等，则实验结论为______。【答案】三根橡皮条伸长的方向在实验误差允许的范围内，力的合成遵循力的平行四边形定则【解析】(1)要画出平行四边形，则需要记录分力的大小和方向，所以在白纸上记下结点O的位置的同时，也要记录三根细线的方向。三根橡皮条的拉力之比等于三根橡皮条的伸长量之比，即为(5)说明在实验误差范围内，结点O受三个力的作用处于静止状态，合力为零；则实验结论为：在实验误差允许的范围内，力的合成遵循力的平行四边形定则。5．请完成“探究求合力的方法”实验的相关内容。(1)如图甲所示，在铺有白纸的水平木板上，橡皮条-端固定在A点另一端拴两个细绳。(2)如图乙所示，用两个弹簧测力计互成角度地拉橡皮条，将绳与橡皮条的结点拉到某位置并记为0点，记下此时弹簧测力计的示数和及_____________。(3)如图丙所示，用一个弹簧测力计拉橡皮条，将绳与橡皮条的结点仍拉到O点目的是__________，记下此时弹簧测力计的示数____________N和细绳的方向。(4)如图丁所示，已按一定比例作出了、和F的图示(5)小明根据丁图作出，和的合力时，发现合力与F大小相等，方向略有偏差，如果此偏差仅由引起，则的大小比真实值偏________。(填大或者小)【答案】两绳的方向与用两个弹簧测力计互成角度地拉橡皮条的作用效果相同3.00小【解析】(2)用两个弹簧测力计互成角度拉橡皮条，使绳与橡皮条的结点伸长到某位置并记为O点，记下此时测力计的示数F1和F2，及两条细绳的方向。(3)一个弹簧测力计拉橡皮条，与用两个弹簧测力计互成角度地拉橡皮条的作用效果相同；1N被分为10格，每小格表示0.1N，读数时需估读到分度值下一位，故读数为3.00N；(5)根据丁图作出，和的合力如图，发现合力与F大小相等，方向略有偏差，如果此偏差仅由引起，则比真实值偏大，的大小比真实值偏小。6．如图甲所示，在“互成角度的两个力的合成”实验中，A为固定橡皮筋的图钉，O为橡皮筋与细绳的结点，OB、OC为细绳套。(1)图甲中弹簧测力计B的示数为___