高三物理电学实验题库与解析

高三物理电学实验题库与解析电学实验是高中物理学习的重要组成部分，也是高考考查的重点与难点。它不仅要求学生掌握扎实的电学理论知识，还需要具备熟练的实验操作技能、数据分析能力以及误差评估意识。本文旨在通过对高三物理电学实验中常见的典型题型进行梳理与解析，帮助同学们深化理解、掌握方法、提升解题能力，从容应对各类考查。一、核心技能与方法回顾在深入题库之前，我们有必要先回顾一下电学实验的核心技能与常用方法，这是解决一切实验问题的基础。1.仪器的选择与使用：*电流表、电压表：量程选择（安全性、准确性）、内外接法判断（依据待测电阻与电表内阻关系）。*滑动变阻器：分压式与限流式接法的选择（依据实验要求：电压/电流调节范围、从零开始调节等）、规格选择（总电阻、额定电流）。*多用电表：欧姆档的使用（调零、倍率选择、读数、注意事项）、电压电流档的使用。*电源：电动势大小、额定电流。2.电路的设计与连接：*明确实验目的，根据实验原理选择合适的电路模型。*区分“测量电路”（待测电阻、电源等与电表的连接）和“控制电路”（滑动变阻器的连接）。*实物图连接时注意电表正负接线柱、滑动变阻器的有效接法、导线不交叉、安全第一。3.实验数据的处理：*直接测量：有效数字的读取与记录。*间接测量：根据实验原理公式进行计算。*图像法：这是电学实验中处理数据的核心方法。根据物理规律写出函数关系式，将其线性化（例如，将I=E/(R+r)变形为1/I=(r/E)(1/R)+1/E，从而得到1/I-1/R线性关系），通过描点、连线（注意是否过原点、是否为直线），求出斜率和截距，进而得出待测量。图像法能有效减小偶然误差，直观反映物理规律。4.误差分析：*系统误差：来源于仪器本身的缺陷（如电表内阻、电源内阻不可忽略）、实验原理的近似（如忽略温度对电阻的影响）。需要能定性分析误差方向（偏大还是偏小）。*偶然误差：来源于读数、操作等偶然因素。可以通过多次测量取平均值、图像法等方法减小。二、典型实验题解析（一）测定金属的电阻率考查要点：螺旋测微器、游标卡尺的读数；电流表、电压表的内外接选择；滑动变阻器的限流与分压选择；电阻定律的应用；数据处理与误差分析。例题：某同学要测量一段金属丝的电阻率ρ。（1）他先用螺旋测微器测量金属丝的直径d，如图甲所示，读数为______mm。（2）再用毫米刻度尺测量金属丝的长度L，读数为0.800m。（3）然后他采用伏安法测量金属丝的电阻R。实验室提供的器材有：A.电源E：电动势3V，内阻不计B.电流表A1：量程0~0.6A，内阻约0.5ΩC.电流表A2：量程0~3A，内阻约0.1ΩD.电压表V1：量程0~3V，内阻约3kΩE.电压表V2：量程0~15V，内阻约15kΩF.滑动变阻器R1：最大阻值10Ω，额定电流2AG.滑动变阻器R2：最大阻值1kΩ，额定电流0.5AH.开关S，导线若干①为了尽可能精确地测量电阻，电流表应选______，电压表应选______，滑动变阻器应选______。（填器材代号）②请在图乙方框中画出实验电路图，并在图丙中用笔画线代替导线连接实物图。（4）若该同学测量得到金属丝两端电压为U时，通过的电流为I，则金属丝的电阻率ρ=______（用U、I、d、L表示）。（5）若在（3）②中，该同学误将电流表外接法接成了内接法，则测量得到的电阻值偏______（填“大”或“小”），导致计算出的电阻率偏______（填“大”或“小”）。解析与点评：（1）螺旋测微器读数：固定刻度为0.5mm，可动刻度读数为18.0×0.01mm=0.180mm，故最终读数为0.5mm+0.180mm=0.680mm。（注意估读一位，以mm为单位，小数点后保留三位）（2）长度L已给出。（3）①仪器选择：*电源电动势3V，故电压表选V1（3V量程）即可，V2量程过大，测量误差大。*金属丝电阻一般不大（假设约几欧到几十欧），若用3V电压，电流I=U/R，若R=10Ω，则I=0.3A，故电流表选A1（0.6A量程）合适，A2量程过大。*滑动变阻器：若金属丝电阻较小（如10Ω），滑动变阻器R1（10Ω）与待测电阻阻值相当，若采用限流接法，调节范围尚可；若采用分压接法，调节更方便，尤其在测量多组数据时。R2阻值太大，限流时调节不灵敏，分压时也不易操作。故滑动变阻器选R1。②电路设计：*电流表接法：判断内外接。假设金属丝电阻R约为10Ω，电压表V1内阻约3kΩ，电流表A1内阻约0.5Ω。R>>RA(10Ω>>0.5Ω)，而RV>>R(3kΩ>>10Ω)，两种情况都满足，但更接近“RV>>R”，故采用电流表外接法可减小误差（此时电压表分流是主要误差，但RV远大于R时，分流很小）。*滑动变阻器接法：题目未明确要求电压从零开始调节，但为了便于多测几组数据和精确测量，采用分压式接法更优，尤其当待测电阻与滑动变阻器总电阻相当时。若采用限流式，当滑动变阻器阻值调至最大，电流最小，可能仍较大，且调节范围不如分压式。故此处选择分压式。电路图（此处省略，读者需自行绘制：电源、开关、滑动变阻器（分压式）、待测金属丝与电流表串联后并联在滑动变阻器的分压端，电压表并联在待测金属丝两端）。实物图连接需对应电路图，注意电表正负接线柱，滑动变阻器的分压接法（一上两下，其中一个下接线柱接分压输出端）。（4）电阻率计算：由电阻定律R=ρL/S，S=π(d/2)²，联立得ρ=πUd²/(4IL)。（注意各物理量单位统一为国际单位：U(V)，I(A)，d(m)，L(m)）（5）误差分析：若误将外接法接成内接法，电流表分压作用显著，电压表测量的是“R+RA”两端的电压，导致电压测量值U偏大，根据R=U/I，测量值R测=R真+RA>R真，故电阻测量值偏大。由ρ=πUd²/(4IL)可知，ρ与R成正比，故电阻率测量值也偏大。（二）描绘小灯泡的伏安特性曲线考查要点：理解小灯泡电阻随温度升高而增大的特性（非线性元件）；滑动变阻器分压式接法的必然性（要求电压从零开始连续变化）；电流表外接法（因为小灯泡电阻较小，且随电压增大而增大，但通常仍满足RV>>R灯）；数据处理与图像描绘（I-U图线是曲线，过原点，斜率逐渐减小）。例题：某同学用伏安法描绘一个标有“3.8V，1.0W”小灯泡的伏安特性曲线，实验室提供的器材如下：A.电源E：电动势4V，内阻不计B.电流表A：量程0~0.6A，内阻约0.5ΩC.电压表V：量程0~5V，内阻约5kΩD.滑动变阻器R：最大阻值20Ω，额定电流1AE.开关S，导线若干（1）实验中，滑动变阻器应采用______接法（填“分压”或“限流”），电流表应采用______接法（填“内接”或“外接”）。（2）请在图丁所示的方框中画出实验电路图。（3）该同学根据实验数据画出的小灯泡I-U图像如图戊所示，由图像可知，当小灯泡两端电压为2.0V时，其电阻为______Ω（结果保留两位有效数字）；小灯泡的电阻随电压增大而______（填“增大”、“减小”或“不变”），其原因是______。解析与点评：（1）电路选择：*描绘伏安特性曲线，要求电压能从零开始连续调节到额定电压（3.8V），故滑动变阻器必须采用分压式接法。*小灯泡正常工作时电阻R=U额²/P额=(3.8V)²/1.0W≈14.4Ω。电压表内阻5kΩ远大于14.4Ω，电流表内阻0.5Ω与14.4Ω相比，R灯>RA，故采用电流表外接法（此时电压表分流误差较小）。（2）电路图（此处省略，读者需自行绘制：电源、开关、滑动变阻器（分压式）、小灯泡与电流表串联后并联在滑动变阻器的分压端，电压表并联在小灯泡两端）。（3）图像分析：*在I-U图像上，找到U=2.0V对应的电流I（假设从图中读得I=0.25A），则电阻R=U/I=2.0V/0.25A=8.0Ω。（注意有效数字，题目要求两位）*观察I-U图像，其斜率k=ΔI/ΔU=1/R，随着U增大，图像的斜率逐渐减小，说明1/R减小，即R增大。*原因：小灯泡的灯丝是金属材料，其电阻随温度的升高而增大。随着电压增大，电流增大，灯丝功率增大，温度升高，故电阻增大。（三）测定电源的电动势和内阻考查要点：实验原理（闭合电路欧姆定律E=U+Ir或E=I(R+r)）；仪器选择；电路设计（通常用电压表和电流表，或电压表和电阻箱，或电流表和电阻箱）；数据处理（图像法：U-I图像、U-1/I图像、I-1/R图像等，关键是将非线性关系转化为线性关系，求出截距和斜率得到E和r）；误差分析（电表内阻带来的系统误差）。例题：某同学要测定一节干电池的电动势E和内阻r。（1）可供选择的器材有：A.电流表A1：量程0~0.6A，内阻RA1=0.5Ω（已知）B.电流表A2：量程0~3A，内阻RA2≈0.1ΩC.电压表V1：量程0~3V，内阻RV1≈3kΩD.电压表V2：量程0~15V，内阻RV2≈15kΩE.滑动变阻器R1：0~10Ω，额定电流1AF.滑动变阻器R2：0~1kΩ，额定电流0.1AG.开关S，导线若干为了尽可能精确测量，且操作方便，电流表应选______，电压表应选______，滑动变阻器应选______。（填器材代号）（2）该同学采用了如图己所示的实验电路（电压表与滑动变阻器并联后再与电流表串联接在电源两端），请指出该电路的系统误差主要来源于______。为了消除该系统误差，该同学将电流表A1（内阻已知）换成了上述器材中的电流表A2（内阻未知），并将电路修改为如图庚所示（将电流表A2与电阻箱R并联后再与滑动变阻器R1串联接在电源两端，电压表V并联在电源两端）。（3）在图庚电路中，改变电阻箱的阻值R，读出多组电阻箱的阻值R和对应的电压表的示数U、电流表A2的示数I。①请根据闭合电路欧姆定律，推导出U、I、R、E、r之间的关系式：______。②若将电流表A2与电阻箱R视为一个整体，这个整体的等效电阻R等效=______。③若以U为纵轴，以______为横轴，可得到一条倾斜的直线，根据直线的截距和斜率可求出E和r。解析与点评：（1）仪器选择：*干电池电动势约1.5V，故电压表选V1（3V量程），V2量程太大。*干电池内阻较小（约零点几欧到几欧），为使电流有明显变化，滑动变阻器选总阻值较小的R1（10Ω），R2阻值太大，电流过小，读数误差大且调节不便。*电流表：若用R1（10Ω），最大电流约E/R1=1.5V/10Ω=0.15A，故A1（0.6A）量程足够，且A1内阻已知，便于后续误差分析或修正。A2量程过大，读数误差大。故选A1、V1、R1。（2）图己电路（常规的伏安法：电压表测路端电压U，电流表测总电流I）。系统误差来源：电压表分流。因为电压表内阻不是无穷大，会有电流IV流过电压表，导致电流表测量的电流I=I总-IV<I总，根据E=U+I总r，实际I总=I+IV=I+U/RV，故测量时将I当作I总，会带来误差。（3）图庚电路：电压表V测电源路端电压U（认为电压表内阻极大，分流可忽略），电流表A2测流过电阻箱R的电流I，滑动变阻器R1用于保护电路和调节。①推导关系式：通过电源的总电流I总=I+I滑，其中I滑是流过滑动变阻器R1的电流。但当R1的阻值远小于R，或R1调至很小（或题目默认R1为定值且很小，或通过调节R1使总电流主要流过R），此电路的主要思路可能是将A2与R并联后作为外电路的一部分。更准确地，对电源而言，E=U+I总r。外电路电压为U，外电路由R1和（R与A2并联部分）串联组成。若忽略R1上的电压降（或将R1阻值计入电源内阻，或题目中R1仅起保护作用，调节到某一固定值后不再变动，重点研究R的变化对U、I的影响），则U主要降落在R与A2的并联部分。设A2内阻为RA2，则R与A2并联后的电阻R并=(R·RA2)/(R+RA2)，流过R并的电流I并=U/R并。则I总=I并+I滑。此问题略显复杂，若题目意图是仅通过R、U、I来表达，则可能是认为滑动变阻器R1的阻值为零或已被短路，此时E=U+I总r=U+(I+U/RA2)r（若A2与R并联后直接接电源，电压表测其电压U，I是A2读数，则流过R的电流为I+U/RA2？似乎不太对。）（*注：此问设计略复杂，可能原题图庚有更清晰的示意。此处提供一个常见的变式思路：若用电阻箱R和电压表V测E、r，则E=U+(U/R)r，可作U-1/R图像。若用电阻箱R和电流表A测E、r，则E=I(R+r)，可作I-1/R图像。若用电流表A（内阻已知RA）与电阻箱R串联，则E=I(R+RA+r)。*）考虑到题目中A2