2026高考物理一轮复习（基础版）第十章 第3讲　小专题 电学实验基础

第3讲小专题:电学实验必备基础考点一基本仪器的使用及读数1.游标卡尺(1)原理:利用主尺的单位刻度(1mm)与游标尺的单位刻度之间固定的微量差值制成。游标尺上的刻度部分的总长度比主尺上的同样多的小等分刻度少1mm,将其长度等分。常见的游标卡尺有10分度、20分度和50分度三种,其规格见下表。刻度格数(分度)刻度总长度每小格与1mm的差值精确度(可精确到)109mm0.1mm0.1mm2019mm0.05mm0.05mm5049mm0.02mm0.02mm(2)读数:若用x表示由主尺上读出的整毫米数,K表示从游标尺上读出的与主尺上某一刻线对齐的游标尺上的格数,则记录结果表达为(x+K×精确度)mm,精度K值均不需要向后估读一位。2.螺旋测微器(1)原理:测微螺杆与固定刻度之间的精密螺纹的螺距为0.5mm,即旋钮每旋转一周,测微螺杆前进或后退0.5mm,而可动刻度上的刻度为50等份,每转动一小格,测微螺杆前进或后退0.01mm,即螺旋测微器的精确度为0.01mm。读数时估读到毫米的千分位上,因此,螺旋测微器又叫千分尺。(2)读数:测量值(mm)=固定刻度读数(注意半毫米刻线是否露出)(mm)+可动刻度读数(估读一位)×0.01(mm)。3.电压表、电流表的使用及读数量程选择使用事项电表估读所选量程应使测量时指针偏转角度一般超过量程的13(1)使用前应先进行零点调整(机械调零)。(2)红表笔插“+”插孔,黑表笔插“-”插孔。(3)红表笔接电势高处,黑表笔接电势低处,即电流从红表笔流入,从黑表笔流出(1)最小分度是“1,0.1,0.01,…”时,估读到最小分度的110(即估读到最小分度的下一位)(2)最小分度是“2,0.2,0.02,…”时,估读到最小分度的12(即估读到最小分度的那一位)(3)最小分度是“5,0.5,0.05,…”时,估读到最小分度的15(即估读到最小分度的那一位[例1]【游标卡尺、螺旋测微器的读数】(1)如图甲、乙、丙所示的三把游标卡尺,它们的游标尺自左向右分别为10分度、20分度、50分度,它们的读数依次为mm、mm、mm。

(2)读出下面各螺旋测微器的读数,丁为mm,戊为mm,己为mm。【答案】(1)17.623.253.20(2)3.5071.1006.703【解析】(1)题图甲读数,整毫米为17mm,不足1毫米数为6×0.1mm=0.6mm,最后结果为17mm+0.6mm=17.6mm;题图乙读数,整毫米为23mm,不足1毫米数为5×0.05mm=0.25mm,最后结果为23mm+0.25mm=23.25mm;题图丙读数,整毫米为3mm,不足1毫米数为10×0.02mm=0.20mm,最后结果为3mm+0.20mm=3.20mm。(2)题图丁读数,固定刻度读数为3.5mm,可动刻度读数为0.7×0.01mm=0.007mm,最后结果是3.5mm+0.007mm=3.507mm;题图戊读数,固定刻度读数为1mm,可动刻度读数为10.0×0.01mm=0.100mm,最后结果为1mm+0.100mm=1.100mm;题图己读数,固定刻度读数为6.5mm,可动刻度读数为20.3×0.01mm=0.203mm,最后结果为6.5mm+0.203mm=6.703mm。(1)游标卡尺的读数要“三看”。①“一看”:精确度是0.1mm、0.05mm还是0.02mm。②“二看”:游标尺上的0刻度线位置,注意区分0刻度线与标尺最前端的边界线。③“三看”:游标尺的第几条刻度线与主尺上的某刻度线对齐。(2)螺旋测微器的读数要“三注意”。①半毫米刻度线是否漏出。②可动刻度读数时需估读一位。③如果以mm为单位记录读数,小数点后一定是三位数字,如6.700mm、0.324mm等。[例2]【电压表、电流表和电阻箱的读数】(1)如图甲所示的电表使用0～0.6A量程时,对应刻度盘上每一小格代表A,图中表针示数为A;当使用0～3A量程时,对应刻度盘中每一小格代表A,图中表针示数为A。

(2)如图乙所示的电表使用较小量程时,每小格表示V,图中表针的示数为V;若使用的是较大量程,则这时表盘刻度每小格表示V,图中表针示数为V。(3)旋钮式电阻箱如图丙所示,电流从接线柱A流入,从B流出,则接入电路的电阻为Ω。现欲将接入电路的电阻改为2087Ω,最简单的操作方法是

。若用两个这样的电阻箱,则可得到的电阻值范围为。

【答案】(1)0.020.440.12.20(2)0.11.700.58.5(3)1987将“×1k”挡旋钮调到2,再将“×100”挡旋钮调到00～19998Ω【解析】(1)电流表使用0～0.6A量程时,刻度盘上的每一小格为0.02A,表针示数为0.44A;当使用0～3A量程时,每一小格为0.1A,表针示数为2.20A。(2)电压表使用0～3V量程时,每小格表示0.1V,表针示数为1.70V;使用0～15V量程时,每小格表示0.5V,表针示数为8.5V。(3)分别读出各表盘示数并乘相应倍率,然后将各阻值相加即可得电阻箱阻值,由题图丙可知,接入电阻为1987Ω;先将“×1k”挡旋钮调到2,再将“×100”挡旋钮调到0;每个电阻箱的最大阻值是9999Ω,将两个电阻箱串联可得最大电阻为2×9999Ω=19998Ω,故用两个这样的电阻箱,可得到的电阻范围为0～19998Ω。考点二测量电路和控制电路的选择1.电流表的内、外接法项目内接法外接法电路图误差原因电流表分压U测=Ux+UA电压表分流I测=Ix+IV电阻测量值R测=U测I测=Rx+RA测量值大于真实值R测=U测I测=R测量值小于真实值适用于测量大电阻小电阻两种电路选择标准当RA≪Rx或Rx>RARV当RV≫Rx或Rx<RARV2.滑动变阻器的限流、分压接法(1)两种接法的比较。项目限流接法分压接法对比说明电路图串、并联关系不同负载R上电压调节范围(不计电源内阻)RER+R0≤U≤E分压电路调节范围大闭合S前滑片位置b端a端都是为了保护电路元件(2)两种接法的选择。滑动变阻器的最大阻值和用电器的阻值差不多且不要求电压从零开始变化,通常情况下,由于限流式结构简单、耗能少,优先使用限流接法。滑动变阻器必须接成分压电路的几种情况:①要求电压表能从零开始读数。②若采用限流接法,电路中的最小电流仍超过电路中电表、电阻允许的最大电流。③当待测电阻R≫R0(滑动变阻器的最大阻值)时,限流接法起不到调节电路电压、电流的作用。[例3]【电流表的内、外接法】某同学通过实验测阻值约为5Ω的电阻Rx的阻值,用内阻约为3kΩ的电压表、内阻约为0.125Ω的电流表进行测量。他设计了图甲和图乙两种电路,下列说法正确的是()[A]实验中应采用图甲电路,此电路测得的Rx偏大[B]实验中应采用图乙电路,此电路测得的Rx偏大[C]实验中应采用图甲电路,误差主要是由电压表分流引起的[D]实验中应采用图乙电路,误差主要是由电流表分压引起的【答案】C【解析】根据RVRA=515Ω>5Ω,故应采用电流表外接法,即实验中采用题图甲电路图,由于电压表的分流作用,使得测量的电流值偏大,则根据R=UI可知,测得电阻比真实值偏小,故A、B、实验误差分析(1)系统误差。①系统误差是指在一定条件下,对一个物理量进行多次测量时,由于仪器本身结构上的缺陷、实验方法或者理论方法不完善而产生的误差。②特点:在相同条件下重复做同一实验时,测量结果总是朝同一方向偏离,即总是比真实值偏大或比真实值偏小。③可以通过仪器的校准、实验方法的选择、实验所依据理论公式的完善、实验条件的满足来减小系统误差。(2)偶然误差。①在相同的观测条件下,对某一未知量进行一系列观测,观测误差的大小和符号没有明显的规律性,即呈现偶然性。②常见偶然误差:a.电压表、电流表、多用电表、毫米刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器等读数误差。b.描点、计算等对数据处理造成的误差。③可以通过多次测量取平均值或图像法减小偶然误差。[例4]【滑动变阻器两种接法】金属丝电阻约为5Ω,电流表电阻约为0.1Ω,电压表电阻约为3kΩ。要求金属丝两端电压从0开始调节,能较准确地测出电阻丝的阻值,实验电路应选用()[A][B][C][D]【答案】B【解析】由题意可知,要求金属丝两端电压从0开始调节,滑动变阻器应选用分压式接入电路,由于待测电阻值与电压表和电流表内阻的关系有Rx<RVRA,即5Ω<3000×0考点三电表改装电表的两种改装的比较项目改装成大量程电压表改装成大量程电流表改装原理串联分压并联分流内部电路所需接入电阻R串=UIg-R并=U改装后的内阻RV=Rg+R串RA=R改装后的量程U=Ig(Rg+R串)I=Ig+R校准电路[例5]【电压表的改装】(2024·安徽卷,12)某实验小组要将电流表G(铭牌标示:Ig=500μA,Rg=800Ω)改装成量程为1V和3V的电压表,并用标准电压表对其进行校准。选用合适的电源、滑动变阻器、电阻箱、开关和标准电压表等实验器材,按图甲所示连接电路,其中虚线框内为改装电路。(1)开关S1闭合前,滑片P应移动到(选填“M”或“N”)端。

(2)根据要求和已知信息,电阻箱R1的阻值已调至1200Ω,则R2的阻值应调至Ω。

(3)当单刀双掷开关S2与a连接时,电流表G和标准电压表V的示数分别为I、U,则电流表G的内阻可表示为。(结果用U、I、R1、R2表示)

(4)校准电表时,发现改装后电压表的读数始终比标准电压表的读数偏大,经排查发现电流表G内阻的真实值与铭牌标示值有偏差,则只要即可。(填正确答案标号)

A.增大电阻箱R1的阻值B.减小电阻箱R2的阻值C.将滑动变阻器的滑片P向M端滑动(5)校准完成后,开关S2与b连接,电流表G的示数如图乙所示,此示数对应的改装电压表读数为V。(结果保留2位有效数字)

【答案】(1)M(2)4000(3)UI-R1-R2(4)A(5)0.86【解析】(1)由题图甲可知,该滑动变阻器采用分压式接法,为了保证电路安全,在开关S1闭合前,滑片P应移到M端。(2)由题可知,当开关S2接a时,电压表量程为3V,根据欧姆定律有U2=Ig(Rg+R1+R2),R1=1200Ω,Rg=800Ω,联立解得R2=4000Ω。(3)当开关S2接a时,根据欧姆定律有U=I(Rg+R1+R2),则电流表G的内阻可表示为Rg=UI-R1-R2(4)校准电表时,发现改装后电压表的读数始终比标准电压表的读数偏大,可知电流表G内阻的真实值小于铭牌标示值,根据闭合电路的欧姆定律可知,可以增大两电阻箱的阻值。故选A。(5)题图乙中电流表读数为430μA,根据欧姆定律有UV=IA(Rg+R1)=430×10-6×(800+1200)V=0.86V。[例6]【电流表的改装】(2024·安徽黄山期末)如图甲所示,为一个双量程电流表内部电路图,其中小量程为0～0.6A,大量程为0～3A。若现在选择的是小量程0～0.6A,则选择的接线柱是“公共”和(选填“a”或“b”),如图乙为该量程下测量某电路时指针所指的位置,则电流值为A。已知表头G的满偏电流Ig=100mA,定值电阻R1未知,R2=16Ω,则表头G的内阻Rg的值为Ω。

【答案】b0.44100【解析】当接线柱接在a处时,所测电流的量程为I=Ig+Ig(Rg+R2)R1,当接线柱接在b处时,所测电流的量程为I′=Ig+IgRgR1+R2,所以选择小量程时选择的接线柱为b;电流表读数为0.4A+2×0.02A=0.44A;当量程为0～0.6A时,0.6A=0.1A+0.1Rg考点四电学实验的仪器选择、电路图画法与实物连接1.电学实验设计的“三原则”(1)安全性原则。设计方案时,应安全可靠,不会对仪器、器材造成损坏。(2)精确性原则。实验误差应控制在误差允许的范围之内,尽可能选择误差较小的方案。(3)简便性、直观性原则。设计实验应便于操作、读数、进行数据处理和实验者观察。2.仪器选择的技巧(1)电压表、电流表。不超过量程,但要超过满偏刻度的13(2)滑动变阻器。①分压式接法要选择总阻值小且不超过其额定电流的滑动变阻器;②限流式接法要选择最大阻值大于或等于待测电阻的滑动变阻器;③半偏法测电流、电阻,滑动变阻器选阻值大的。(3)定值电阻。①若用于电表改装,阻值与改装后的量程要匹配;②若用于保护电路,应保证使电路的最大电流(电压)不超过电流表(电压表)的量程及有关元件的额定电流(电压)。3.实物图连接的注意事项(1)连线顺序:画线连接各元件,一般先从电源正极开始,按照电路原理图依次到开关,再到滑动变阻器,按顺序以单线连接方式将主电路中串联的元件依次串联起来,再将要并联的元件并联到电路中去。(2)避免交叉:连线时要将导线接在接线柱上,两条导线不能交叉。(3)“正、负”接线柱:要注意电表的量程和正、负接线柱,要使电流从电表的正接线柱流入,从负接线柱流出。(4)滑动变阻器的接法。①限流法,导线分别连接到上、下接线柱上(一上一下两个接线柱);②分压法,导线分别连接到上边一个接线柱和下边两个接线柱上(一上两下,三个接线柱)。[例7]【实验仪器的选择】(2024·四川泸州开学考试)某电阻额定电压为3V(阻值大约为10Ω)。为测量其阻值,要求电压表、电流表调节范围尽可能大一点,实验室提供了下列可选用的器材:A.电流表A1(量程300mA,内阻约1Ω)B.电流表A2(量程0.6A,内阻约0.3Ω)C.电压表V1(量程3.0V,内阻约3kΩ)D.电压表V2(量程5.0V,内阻约5kΩ)E.滑动变阻器R1(最大阻值为50Ω)F.滑动变阻器R2(最大阻值为500Ω)G.电源E(电动势4V,内阻可忽略)H.开关、导线若干为了尽可能提高测量准确度,电流表选,电压表选,滑动变阻器选。(只需填器材前面的字母即可)

【答案】ACE【解析】根据欧姆定律,流过电阻的最大电流约为I=UR=310A=0.3A,故电流表选A;电阻额定电压为3V,则电压表选C;为了方便调节电压,滑动变阻器选小阻值的[例8]【电路图的设计】(2024·湖北荆州模拟)有一个待测电阻Rx大约100Ω,某同学想测量多组数据并尽可能准确测量它的阻值,在实验室找到以下器材:A.学生电源E(电动势为6.0V)B.电压表V(量程为0～6V,内阻约6kΩ)C.电流表A(量程为0～30mA,内阻为5Ω)D.滑动变阻器R1(最大阻值1kΩ,额定电流50mA)E.滑动变阻器R2(最大阻值10Ω,额定电流1A)F.定值电阻R3=5ΩG.定值电阻R4=20ΩH.开关、导线若干(1)根据所提供的器材设计实验电路,滑动变阻器应选择(选填“R1”或“R2”);定值电阻应选择(选填“R3”或“R4”)。

(2)请在甲虚线框内画出电路图,并在电路图上标出选择器材的符号。(3)在某次测量时,电压表和电流表指针分别如图乙、丙所示,则电压表的示数为V,电流表示数为mA,利用该组数据可计算出待测电阻的阻值为Ω。

【答案】(1)R2R3(2)图见解析(3)4.422.097.5【解析】(1)为了尽可能测量多组数据,需使待测电阻Rx两端的电压从零开始调节,滑动变阻器应采用分压接法,为调节方便,滑动变阻器应选阻值更小的R2;根据欧姆定律可知,电路中最大电流为60mA,故可用定值电阻R3与电流表并联可将电流表量程扩大到60mA。(2)改装后的电流表内阻已知,则采用电流表内接,滑动变阻器用分压电路,则电路设计如图。(3)电压表的最小刻度为0.2V,则示数为4.4V,电流表最小刻度为1mA,则示数为22.0mA,此时通过待测电阻的电流为I=44.0mA,则用该组数据计算待测电阻的阻值为Rx=UI-R32,代入数据解得Rx=97.5[例9]【实物图的连接】(2024·全国甲卷,23)电阻型氧气传感器的阻值会随所处环境中的氧气含量发生变化。在保持流过传感器的电流(即工作电流)恒定的条件下,通过测量不同氧气含量下传感器两端的电压,建立电压与氧气含量之间的对应关系,这一过程称为定标。一同学用图甲所示电路对他制作的一个氧气传感器定标。实验器材有:装在气室内的氧气传感器(工作电流1mA)、毫安表(内阻可忽略)、电压表、电源、滑动变阻器、开关、导线若干、5个气瓶(氧气含量分别为1%、5%、10%、15%、20%)。完成下列实验步骤并填空:(1)将图甲中的实验器材间的连线补充完整,使其能对传感器定标。(2)连接好实验器材,把氧气含量为1%的气瓶接到气体入口。(3)把滑动变阻器的滑片滑到(选填“a”或“b”)端,闭合开关。

(4)缓慢调整滑动变阻器的滑片位置,使毫安表的示数为1mA,记录电压表的示数U。(5)断开开关,更换气瓶,重复步骤(3)和(4)。(6)获得的氧气含量分别为1%、5%、10%和15%的数据已标在图乙中;氧气含量为20%时电压表的示数如图丙,该示数为V(结果保留2位小数)。

(7)现测量一瓶待测氧气含量的气体,将气瓶接到气体入口,调整滑动变阻器滑片位置使毫安表的示数为1mA,此时电压表的示数为1.50V,则此瓶气体的氧气含量为%(结果保留整数)。

【答案】(1)见解析图a(3)a(6)1.40(7)17【解析】(1)滑动变阻器以分压式接法接入电路,毫安表不计内阻,则毫安表选用内接法,实物图连线如图a所示。(3)为了保护电路,闭合开关时,气室两端电压应为零,故滑动变阻器的滑片应滑到a端。(6)由题图丙可知电压表示数U=1.40V。(7)将题图乙中的点用平滑曲线连接,如图b所示。由题意可知毫安表的示数始终不变,由图b可以看出,电压表示数为1.50V时,氧气含量约为17%。(满分:60分)1.(12分)(2024·重庆期中)某同学用螺旋测微器测圆柱体的直径时,示数如图甲所示,此示数为mm;用游标卡尺测量某物体的厚度时,示数如图乙所示,此示数为cm;如图丙所示,电压表的读数为V;如图丁所示,电流表的读数为A。【答案】7.5202.0602.600.52【解析】螺旋测微器读数=固定刻度读数+可动刻度读数;本题固定刻度读数为7.5mm,可动刻度读数为2.0×0.01mm=0.020mm,故读数为7.520mm;游标卡尺主尺读数为20mm,游标尺第12条刻度线与主尺某条刻度线对齐,本游标卡尺精度为0.05mm,故读数为20mm+12×0.05mm=20.60mm=2.060cm;电压表最小刻度为0.1V,则读数为2.60V;电流表最小刻度为0.02A,读数为0.52A。2.(6分)在“测定金属的电阻”实验中,有两名同学所设计的测量电路的一部分分别如图甲、乙所示,若分别用这两个电路进行实验,则测量值比真实值偏小的应是(选填“甲”或“乙”)图所示的电路;这种误差(选填“能”或“不能”)通过多次测量取平均值来减小。

【答案】甲不能【解析】根据欧姆定律可得R=UI,题图甲为电流表的外接法,误差来源于电压表的分流,使得电流表的示数大于通过待测电阻的实际电流,则电阻测量值比真实值偏小;题图乙为电流表的内接法,误差来源于电流表的分压,使得电压表的示数大于待测电阻的实际电压,则电阻测量值比真实值偏大;综上分析可知,测量值比真实值偏小的应是题图甲所示的电路;根据上述分析,实验的误差是由测量方法引起的,属于系统误差,3.(13分)(2024·福建福州模拟)某物理兴趣小组进行电表改装实验探究,要将一内阻700Ω、量程300μA的微安表先改装成量程为1mA的电流表,再改装成量程为3V的电压表,并与标准电压表对比校准。图甲是改装后电压表与标准电压表对比校准的电路图,虚线框中是改装后电压表电路,V0是量程为3V、内阻约为3kΩ的标准电压表,电阻箱R1、R2调节范围为0～9999Ω。步骤如下:(1)根据题中给出条件,微安表改装成1mA的电流表,再改装成量程为3V的电压表,图甲中电阻箱的阻值应分别调节到R1=Ω,R2=Ω。

(2)将图乙所示微安表表盘改装成3V电压表表盘,图中指针所指刻度读数为V。(3)对比校准,当标准电压表V0的示数为1.60V时,微安表的指针位置如图乙所示,由此可以推测出改装的电压表量程不是预期值,而是V(结果保留2位有效数字)。

【答案】(1)3002790(2)2.40(3)2.0【解析】(1)微安表改装成量程为1mA的电流表,根据部分电路欧姆定律可得(I-Ig)R1=IgRg,解得R1=300Ω。电流表再改装成量程为3V的电压表,根据部分电路欧姆定律可得IR2=U-IgRg,解得R2=2790Ω。(2)题图乙所示微安表表盘改装成3V电压表表盘,最小刻度为0.05V,则题图乙中指针所指刻度读数为2.0V+0.05×8V=2.40V。(3)由题图乙可知,当电压为1.60V时,微安表指针转过了48小格,则每一小格表示的电压值为ΔU=1.60V48=130V,故改装后电压表量程为130V×60=24.(13分)(2024·广东深圳模拟)酒精检测仪是交警执法时通过呼气来检测司机饮酒多少的检测工具。现有一个酒精检测仪的主要元件“酒精气体传感器”,即气敏电阻,气敏电阻的阻值随酒精气体浓度的变化而变化,下表显示了某气敏电阻Rx的阻值随酒精气体浓度变化的情况。酒精气体浓度/(mg/mL)00.10.20.30.40.50.60.70.8阻值/Ω1007055453935333130为了较准确测量酒精气体浓度为0.35mg/mL时气敏电阻的阻值,实验室提供了如下器材:A.电流表A1(量程0～150mA,内阻约2Ω)B.电流表A2(量程0～0.6A,内阻约1Ω)C.电压表V1(量程0～5V,内阻约5kΩ)D.电压表V2(量程0～15V,内阻约20kΩ)E.滑动变阻器R(阻值范围0～20Ω,允许的最大电流为2A)F.待测气敏电阻RxG.电源E(电动势6V,内阻r约2Ω)H.开关和导线若干(1)该实验应选电压表为,电流表为(填器材前面的序号)。

(2)为了获得更多的数据使测量结果更准确,请把电路图画在虚线框里。(3)小明同学设计了一个测定气体酒精浓度的电路用来检测是否酒驾,如图所示,R1为定值电阻,R2为酒精气体传感器,如果驾驶员呼出酒精气体浓度越大,那么测试仪电压表示数将(选填“变大”“变小”或“不变”)。

【答案】(1)CA(2)图见解析(3)变大【解析】(1)电源电动势为6V,故该实验应选电压表V1。根据表格,可知酒精气体浓度为0.35mg/mL时气