高考物理 第15讲　电学实验

第15讲电学实验题型1以“测电阻”为核心的实验1.某同学为精确测量某金属导体的电阻,设计了如图甲所示的电路图.图中E为学生电源、G为灵敏电流计、A1和A2均为电流表、R1为电阻箱、R2与R3均为滑动变阻器、R0为定值电阻、S为开关、Rx为待测金属导体,另有导线若干.具体的实验操作如下:A.按照如图甲所示的电路图连接好实验器材;B.将滑动变阻器R2的滑片、滑动变阻器R3的滑片均调至适当位置,闭合开关S;C.调整R3,并反复调整R1和R2使灵敏电流计的示数为零,测得此时A1的示数为I1,A2的示数为I2,电阻箱的示数为R1;D.实验完毕,整理器材.(1)根据图甲实验电路图,将图乙实物图中连线补充完整.[答案]如图所示 (2)电路中需要两个量程为0~6A的电流表,但实验室提供的器材中,只有量程为0~0.3A、内阻为20Ω的电流表.现将量程为0~0.3A的电流表扩充为0~6A量程,则应该并联一个阻值R'=1.05Ω的电阻.如图丙所示为某次测量时改装后的电流表表盘指针位置,则此时的电流读数为4.4A.

(3)待测金属导体Rx的阻值为

I1I2R1(用所测物理量来表示);电流表A1、A2的内阻对测量结果无(选填“有”或“无”[解析](1)实物图中连线如图所示.(2)要将量程为0~0.3A的电流表扩充为0~6A的量程,应该并联电阻的阻值R'=IgRgI-Ig=0.3A×20Ω6A-0.(3)R1、R2和Rx、R0并联,两支路两端电压相等,灵敏电流计的示数为零时有R1Rx=R2R0,可知UR1=URx,即I1R1=I2Rx,解得Rx=I1I2R1,2.某同学用伏安法测金属丝的电阻Rx(阻值约为5Ω).实验所用器材为:电池组(电动势为3V)、电流表(内阻约为0.1Ω)、电压表(内阻约为3kΩ)、滑动变阻器R(0~20Ω)开关、导线若干.(1)甲图中电压表的右端应与a(选填“a”或“b”)点连接.

(2)乙图是测量Rx的实验器材实物图,图中已连接了部分导线,滑动变阻器的滑片P置于变阻器的右端.请根据(1)问中的电路图,补充完成图中实物间的连线,并使闭合开关的瞬间,电压表或电流表读数均为最小值.[答案]如图所示 (3)该同学在坐标纸上建立如图丙所示的坐标系,标出了与测量数据对应的6个点.请在该图中描绘出I-U图线,利用图线可得该金属丝的阻值Rx=4.3~4.8Ω(结果保留两位有效数字).

[答案]如图所示 (4)通过电路元件的I-U图像可以了解其性能.该同学查阅说明书,了解到某元件具有维持用电器两端电压稳定的作用,其正常工作电压为3.0V,电流约为83mA,I-U图像如图丁所示.若使用该元件与一额定电压为3.0V的用电器R2并联,通过适当的电阻R1构成如图戊所示的电路.当输入电压在一定范围内波动时,用电器R2两端电压能够稳定在3.0V不变,请分析说明其原因.[答案]见解析 [解析](1)金属丝的电阻较小,为减小误差,采用电流表外接法,电压表的右端应与a点连接.(2)实物图连接如图所示(3)I-U图线如图所示该金属丝的阻值为图线的斜率的倒数,即Rx=1k=4.3Ω(4)当输入电压有所升高时,R2两端的电压瞬间大于3.0V,元件中电流从83mA急剧增大,使R1两端的电压增大,R2两端的电压又回到3.0V;当输入电压有所下降时,R2两端的电压瞬间小于3.0V,元件中电流从83mA急剧减小,使R1两端的电压减小,R2两端的电压又回到3.0V.因此,用电器R2两端电压能够稳定在3.0V不变.3.小李在实验室测量一电阻Rx的阻值.(1)因电表内阻未知,用如图甲所示的电路来判定电流表该内接还是外接.正确连线后,合上开关S,将滑动变阻器的滑片P移至合适位置.单刀双掷开关K掷到1,电压表的读数U1=1.65V,电流表的示数如图乙所示,其读数I1=0.34A;将K掷到2,电压表和电流表的读数分别为U2=1.75V,I2=0.33A.由此可知应采用电流表外(填“内”或“外”)接法.

(2)完成上述实验后,小李进一步尝试用其他方法进行实验:①器材与连线如图丙所示,请在虚线框中画出对应的电路图;[答案]如图所示②先将单刀双掷开关掷到左边,记录电流表读数,再将单刀双掷开关掷到右边,调节电阻箱的阻值,使电流表的读数与前一次尽量相同,电阻箱的示数如图丁所示,则待测电阻Rx=5Ω.此方法有(填“有”或“无”)明显的实验误差,其理由是电阻箱的最小分度与待测电阻比较接近(或其他合理解释).

[解析](1)开关接1时,电流表读数为0.34A;由于开关接1和接2时,电压表示数的变化比较明显,说明该电阻比较小,所以电流表内阻的分压比较明显,因此适合采用外接法.(2)①电路图如图所示.②该电路采用的是等效替换法测电阻,当电阻箱与未知电阻阻值一样时,电流表的读数相同,所以未知电阻大小为5Ω,由于电阻箱的最小分度与待测电阻大小接近,所以无法细调,很难做到电流表读数前后两次精确一致,有明显实验误差.4.某学习小组用如图甲所示的电路测量电压表V1的内阻,实验仪器有:待测电压表V1(量程0~3V,内阻约3000Ω)电压表V2(量程0~5V,内阻约6000Ω)电源E(电动势6V,内阻不计)滑动变阻器R1(0~2Ω)电阻箱R2(最大阻值9999.9Ω)该学习小组采用的主要实验步骤如下:①开关S1闭合,S2闭合,调节滑动变阻器R1的阻值,使电压表V1指针偏转到满刻度,读出此时电压表V2的示数U0;②开关S1闭合,S2断开,同时调节滑动变阻器R1和电阻箱R2,使电压表V2的示数仍为U0,并使电压表V1指针偏转到满刻度的23,记录此时电阻箱R2的阻值(1)若步骤②中记录电阻箱R2的阻值为1450Ω,则电压表V1内阻的测量值为2900Ω,该测量值等于(选填“大于”“小于”或“等于”)电压表V1内阻的实际值.

(2)学习小组中有人认为不用电压表V2也能测量电压表V1的内阻,实验电路如图乙所示,主要实验步骤为:①开关S1闭合,S2闭合,调节滑动变阻器R1的阻值,使电压表V1满偏;②开关S1闭合,S2断开,保持滑动变阻器R1的阻值不变,调节电阻箱R2的阻值使电压表V1的指针半偏,读出此时变阻箱R2的阻值,此阻值等于电压表V1内阻的阻值.此种情况下测得的电压表V1的内阻阻值大于(选填“大于”“小于”或“等于”)电压表V1内阻的实际值.

[解析](1)开关S1闭合,S2闭合,两电压表并联,因此电压表V2的示数U0=UV1=3V,开关S1闭合,S2断开时,电压表V1的示数U1=23UV1=23×3V=2V,电阻箱R2两端电压UR=U0-U1=3V-2V=1V,根据串联电路电压的分配与电阻的关系可知UR2R2=U1RV1,代入数据解得RV1=2900(2)用图乙测电压表采用的是“半偏法”,实验的原理是闭合开关S2前后,电压表支路的总电压不变,当电压表示数半偏时,电压表的内阻的测量值等于电阻箱的接入电阻,即RV=R2;实际上当开关S2断开时,电压表支路的电阻变大,电路中的总电阻变大,电路中的总电流变小,根据串联电阻的分压原理可知,电压表支路的总电压变大,当电压表示数半偏时,电阻箱两端的真实电压大于半偏电压值,根据串联电路电压的分配与电阻的关系,电压表内阻的真实值小于电阻箱的接入电阻,即RV真<R2,综上分析可知,电压表内阻的测量值大于真实值.5.某些固体材料受到外力作用后,除了产生形变,其电阻率也会发生变化,这种现象称为“压阻效应”.已知某力敏电阻的阻值Rx的变化范围为几十欧姆到几百欧姆,某实验小组在室温下用伏安法探究力敏电阻阻值Rx随压力F变化的规律,实验室有如下器材可供选择:A.力敏电阻(无压力时,阻值R0=400Ω);B.直流电源(电动势为6V,内阻不计);C.电流表A(量程为0~100mA,内阻不计);D.电压表V(量程为0~3V,内阻为4kΩ);E.定值电阻R1=3kΩ;F.滑动变阻器R(最大阻值约50Ω);G.开关S、导线若干.(1)某同学设计了如图甲所示的实验电路原理图,请在图乙中将实物连线图补充完整.[答案]如图所示(2)某次压力测试,在电阻Rx上施加力F,闭合开关S,两个电表的示数分别为U和I,则力敏电阻的阻值Rx=

7U4(3)改变F的大小,测得不同的Rx值,绘成如图丙所示的Rx-F图像,其斜率的绝对值k=1.9Ω/N(保留两位有效数字).Rx和压力F的关系式为Rx=kF+400(Ω)(用F和k表示).

(4)按图甲实验电路进行实验,调节滑动变阻器使电压表保持满偏,在电阻Rx上施加力F,当电流表满偏时,压力F为184N(结果保留到个位).

[解析](1)题图甲R是分压式接法,电流表是内接法,根据电路图可得实物连线图如图所示.(2)R1与电压表串联把电压表的量程扩大了,当电压表的示数为U时,压敏电阻两端的电压Ux=U+UR1=U+URVR1=7U4,根据欧姆定律得R(3)由题图丙可得,图线斜率绝对值为|k|=0-400210-0Ω/N≈1.9Ω/N,图线与Rx轴的纵截距是400Ω,由一次函数关系可得R(4)电压表、电流表满偏时有Rx=7U4I=7×34×100×10-3Ω=52.5Ω,则F题型2以闭合电路欧姆定律为核心的实验6.某实验小组利用如图甲所示装置验证小铁球在竖直平面内摆动过程中机械能守恒,将力传感器固定,不可伸长的轻绳一端系住小球,另一端连接力传感器,若某次实验记录轻绳拉力大小随时间的变化如图乙所示,其中Fm是实验中测得的最大拉力值.(1)现用游标卡尺测得小球直径如图丙所示,则小球的直径为1.220cm.

(2)小球由A点静止释放到第一次回到A点的时间为2T0(用含有T0的符号表示).

(3)若测得小球质量为m,直径为D,轻绳长为l,小球释放的位置A到最低点的高度差为h,重力加速度为g,小球由静止释放到第一次运动到最低点的过程中,验证该过程小球机械能守恒的表达式为mgh=Fm-mg2l[解析](1)图丙所示游标卡尺分度值为0.05mm,根据游标卡尺读数规则读数为12mm+4×0.05mm=12.20mm=1.220cm.(2)小球由A点静止释放到第一次回到A点的时间为一个周期,即2T0.(3)小球由静止释放到第一次运动到最低点的过程中,由功能关系有ΔEp=mgh,小球在最低点时,由牛顿第二定律得Fm-mg=mv2l+D2,又因为ΔEk=12mv27.[2022·湖南卷]小梦同学自制了一个两挡位(“×1”“×10”)的欧姆表,其内部结构如图所示,R0为调零电阻(最大阻值为R0m),Rg、Rm、Rn为定值电阻(Rg+R0m<Rm<Rn),电流计G的内阻为RG(Rg≪RG).用此欧姆表测量一待测电阻的阻值,回答下列问题:(1)短接①②,将单刀双掷开关S与m接通,电流计G示数为Im;保持电阻R0滑片位置不变,将单刀双掷开关S与n接通,电流计G示数变为In,则Im大于In(填“大于”或“小于”);

(2)将单刀双掷开关S与n接通,此时欧姆表的挡位为×10(填“×1”或“×10”);

(3)若从“×1”挡位换成“×10”挡位,调整欧姆零点(欧姆零点在电流计G满偏刻度处)时,调零电阻R0的滑片应该向上调节(填“向上”或“向下”);

(4)在“×10”挡位调整欧姆零点后,在①②间接入阻值为100Ω的定值电阻R1,稳定后电流计G的指针偏转到满偏刻度的23;取走R1,在①②间接入待测电阻Rx,稳定后电流计G的指针偏转到满偏刻度的13,则Rx=400[解析](1)根据题意可知Rm<Rn,所以开关S拨向m时电路的总电阻小于开关S拨向n时电路的总电阻,电源电动势E不变,根据I=ER总可知Im>I(2)当开关S拨向n时,电路的总电阻较大,中值电阻较大,所以开关S拨向n时对应欧姆表的挡位为×10;(3)从“×1”挡位换成“×10”挡位,即开关S从m拨向n,电路总电阻增大,干路电流减小,①②短接时,为了使电流计满偏,需要增大通过电流计G所在支路的电流,所以需要将R0的滑片向上调节;(4)在“×10”挡位,简化电路图如图所示.将①②短接,设欧姆表的等效内阻为RΩ,电流计满偏时干路电流为I'g,有E=I'gRΩ,当①②间接入100Ω电阻时,有E=23I'g(RΩ+100Ω),当①②间接入待测电阻Rx时有E=13I'g(RΩ+Rx),联立以上三式可得Rx=400题型3其他类电学实验8.[2023·新课标卷]在“观察电容器的充、放电现象”实验中,所用器材如下:电池、电容器、电阻箱、定值电阻、小灯泡、多用电表、电流表、秒表、单刀双掷开关以及导线若干.(1)用多用电表的电压挡检测电池的电压.检测时,红表笔应该与电池的正极(填“正极”或“负极”)接触.

(2)某同学设计的实验电路如图甲所示.先将电阻箱的阻值调为R1,将单刀双掷开关S与“1”端相接,记录电流随时间的变化.电容器充电完成后,开关S再与“2”端相接,相接后小灯泡亮度变化情况可能是C.

A.迅速变亮,然后亮度趋于稳定B.亮度逐渐增大,然后趋于稳定C.迅速变亮,然后亮度逐渐减小至熄灭(3)将电阻箱的阻值调为R2(R2>R1),再次将开关S与“1”端相接,再次记录电流随时间的变化情况.两次得到的电流I随时间t变化图像如图乙中曲线所示,其中实线是电阻箱阻值为R2(填“R1”或“R2”)时的结果,曲线与坐标轴所围面积等于该次充电完成后电容器上的电荷量(填“电压”或“电荷量”).

[解析](1)多用电表应满足电流“红进黑出”,因此红表笔与电池的正极相接触.(2)电容器放电过程中,电流由大逐渐变小,则小灯泡迅速变亮,然后亮度逐渐减小至熄灭.(3)实线所表示的过程初始电流较小,故接入的电阻应该为大的电阻,即R2,因此实线表示电阻箱阻值为R2;根据公式I=Qt,则I-t图像与坐标轴所围面积表示电荷量9.在“探究变压器线圈两端的电压和匝数的关系”实验中,可拆变压器如图甲所示.(1)观察变压器的铁芯,它的结构和材料是D;

A.整块硅钢铁芯B.整块不锈钢铁芯C.绝缘的铜片叠成D.绝缘的硅钢片叠成(2)观察两个线圈的导线,发现粗细不同,导线粗的线圈匝数少(选填“多”或“少”);

(3)以下给出的器材中,本实验需要用到的是BD;(填选项字母)

A.干电池B.学生电源C.实验室用电压表D.多用电表(4)为了保证安全,低压交流电源的电压不要超过B;(填选项字母)

A.2VB.12VC.50V(5)在实际实验中将电源接在原线圈的“0”和“800”两个接线柱之间,用电表测得副线圈的“0”和“400”两个接线柱之间的电压为3.0V,则原线圈的输入电压可能为C;(填选项字母)

A.1.5V B.6.0V C.7.0V(6)等效法、理想模型法是重要的物理学方法,合理采用物理学方法会让问题变得简单,这体现了物理学科“化繁为简”之美.理想变压器是一种理想化模型.如图乙所示,心电图仪(将心肌收缩产生的脉动转化为电压脉冲的仪器,其输出部分可以等效为左侧虚线框内的交流电源和定值电阻R0串联)与一理想变压器的原线圈连接,一可变电阻R与该变压器的副线圈连接,原、副线圈的匝数分别为n1、n2(右侧虚线框内的电路也可以等效为一个电阻).在交流电源的电压有效值U0不变的情况下,在调节可变电阻R的过程中,当RR0=

n2n12[解析](1)观察变压器的铁芯,它的结构和材料是绝缘的硅钢片叠成,故选D.(2)观察两个线圈的导线,发现粗细不同,根据I1I2=n2n1,(3)实验中需要交流电源和多用电表,不需要干电池和直流电压表,故选B、D.(4)为了人体安全,低压交流电源的电压不要超过12V,故选B.(5)若为理想变压器,则变压器线圈两端的电压与匝数的关系为U1U2=n1n2,根据题意,已知副线圈的电压为3.0V,则原线圈的电压为U1=2×3.0V=6.0V,考虑到不为理想变压器,可能存在漏磁等现象,则原线圈所接的电源电压要大于6V,可能为(6)把变压器和R等效为一个电阻R1,R0当作电源内阻,当内外电阻相等,即R0=R1,此时输出功率最大,根据U1U2=n1n2,得I1R1I2R=n1n2,代入I1n2=I2n1,解得10.为了节能环保,一些公共场所使用光控开关控制照明系统.光控开关可采用光敏电阻来控制,光敏电阻是阻值R随光的照度I的变化而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱,光越强,照度越大,照度单位为lx).(1)某光敏电阻在不同照度下的阻值R如下表所示,根据表中的数据,请在图甲的坐标系中描绘出阻值随照度变化的曲线,可判断出光敏电阻的阻值R与照度I否(填“是”或“否”)成反比关系.

照度I/lx0.20.40.60.81.01.2阻值R/kΩ5.83.72.72.32.01.8[答案]如图所示(2)图乙为街道路灯自动控制电路,利用直流电源E为电磁铁供电,利用照明电源为路灯供电.为达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果,路灯应接在A、B(填“A、B”或“C、D”)之间.

(3)已知线圈的电阻为140Ω,直流电源E的电动势E=36V,内阻忽略不计.当线圈中的电流大于10mA时,继电器的衔铁将被吸合,滑动变阻器R'的阻值应调为1460Ω,才能使天色渐暗、照度低于1.0lx时点亮路灯.

(4)使用一段时间后发现,路灯在天色更亮时就已点亮了,为了使路灯能按设计要求点亮和熄灭,变阻器R'的阻值应适当调小(选填“大”或“小”)些.

[解析](1)如图所示,若光敏电阻的阻值R与照度I成反比关系,则有RI为定值,由图像中点的数据可得5.8×0.2<3.7×0.4<2.7×0.6<2.3×0.8<2.0×1.0<1.8×1.2,可知光敏电阻的阻值R与照度I不是反比关系;(2)由于天亮时照度较大,光敏电阻的阻值较小,电路中的电流较大,衔铁被吸下,A、B间断开,C、D间接通,故灯泡应接在A、B间;(3)由题意可知,当照度降到1.0lx时,要求电路电流降低到10mA,此时电路中的总电阻为R总=EI=3610×10-3Ω=3600Ω,此时光敏电阻的阻值为R=2000Ω,则滑动变阻器R'的阻值应调为R'=R总-R-R线=3600Ω-2000(4)使用一段时间后发现,路灯在天色更亮时就已点亮了,说明在天色更亮时电路电流就降到了10mA,为了使路灯能按设计要求点亮和熄灭,应使天色更亮时电路电流大于10mA,应使电路的总电阻适当减小,故应将变阻器R'的阻值适当调小些.11.一个物理兴趣小组的同学准备测定某电池的电动势和内阻,实验室可供选用的实验器材有:电流表A1、A2,滑动变阻器R,电阻箱R0,待测电池E,开关S,导线等.(1)兴趣小组的同学设计了如图甲所示的电路来测定电流表A1的内阻:将电阻箱的阻值调整到R0=50Ω,调节滑动变阻器的阻值,得到多组电流表A1、A2的读数I1、I2,并用描点法得到I2-I1图像为过原点的倾斜直线.如图乙所示.可得电流表A1的内阻RA1=5Ω.

(2)兴趣小组的同学利用上述实验器材设计了如图丙所示的电路来测定电池的电动势和内阻.实验中,他们通过改变R0的阻值,记录了多组数据(电阻箱阻值R0和电流表A1示数I).(3)一同学以IR0为纵坐标,以I为横坐标作图像处理数据;在坐标纸上画出的图像如图丁所示.(4)根据以上测量结果可知,电池电动势E=1.5V,内阻r=10Ω.

(5)另一同学以1I为纵坐标,以R0为横坐标作1I-R0图像处理数据,请根据(1)、(4)的计算结果,[答案]如图所示[解析](1)由图甲根据并联电路电流的关系有I1RA1R0+I1=I2,结合图乙中数据解得RA1=I2(4)由闭合电路的欧姆定律得E=IR0+RA1+r,解得IR0=E-IRA1+r,IR0-I图像的纵截距表示电源电动势,由图丁知E=1.5V;IR0-I图像的斜率的绝对值表示RA1+r,则RA1+r=ΔUΔI=1(5)由E=IR0+RA1+r得1I=1ER0+RA1+rE=23R0+10,以题型4电学创新性实验12.手机快充线是否合格至关重要.很多手机都在用图甲所示的USBType-C接口.USBType-C协会关于充电线有个规范:1m长的3A充电线电阻应小于0.25Ω.实验室有一条1m长的导线,某同学要通过实验判断该导线的电阻Rx是否符合协会规范.实验室提供的器材有:A.电流表A1(量程为0~50mA,内阻r1=4Ω)B.电流表A2(量程为0~500mA,内阻r2约为0.5Ω)C.定值电阻R1(阻值为4Ω)D.定值电阻R2(阻值为40Ω)E.滑动变阻器R(阻值范围为0~5Ω)F.电源E(电动势约为2V,内阻不计)G.开关S一个,导线若干该同学设计了如图乙所示的测量电路.请回答下列问题:(1)定值电阻R0应选用C(选填“C”或“D”).

(2)根据图乙所示的电路图,请用笔画线代替导线将图丙所示的实验电路补充连接完整.[答案]如图所示(3)该同学利用电流表A2示数I2和电流表A1示数I1,作出I2-I1图像如图丁所示.(4)该同学所用导线的电阻为0.38~0.42Ω,可以判定该导线不满足(选填“满足”或“不满足”)协会规范.

[解析](1)因待测电阻阻值较小,故在测量电路中串联一个定值电阻以保护电路,根据电源电动势和电流表的量程分析可知定值电阻R0应选用定值电阻R1(阻值为4Ω),故选C.(2)根据图乙所示的电路图,实验电路补充连接完整如下.(4)由欧姆定律可得,待测电阻的阻值为Rx=I1r1(I2-I1)=r1I2I1-1,由图像斜率可知I2I1=44013.某同学利用如图甲所示的电路测量一个阻值约为2kΩ的电阻Rx的阻值,已知电源内阻不计,电压表为理想电表.(1)按照实验电路图连接图乙所示的实物图.[答案]如图所示(2)把单刀双掷开关S1和S2扳到相应位置测量电阻箱两端的电压,闭合开关S,调节电阻箱,使电压表的指针指在刻度盘满偏刻度的13~23之间,电阻箱各个旋钮位置如图丙所示,则电阻箱的读数R=2060Ω,读出此时电压表的读数U(3)断开开关S,把单刀双掷开关S1扳到b(填“a”或“b”)位置,单刀双掷开关S2扳到d(填“c”或“d”)位置,把电压表接入待测电阻Rx两端;保持电阻箱阻值不变,闭合开关S,读出此时电压表的读数U2.

(4)通过以上步骤可得待测电阻Rx的表达式为Rx=

U2U1R(用U1、U2、R(5)若