2022届高考物理二轮专题 32 电学实验基础 学案

电学实验基础
一、电流表的内外接
典例1.用内阻为3 000 Ω的电压表和内阻为10 Ω的电流表测电阻，在图甲、乙两种情况下，电压表的示数都是60 V，电流表的示数都是0.2 A，则R1的测量值为______ Ω，真实值是________ Ω，R2的测量值为________ Ω，真实值是________ Ω.
答案　300　290　300　333.3
解析　题图甲：电阻R1的测量值R1测＝＝300 Ω，真实值R1真＝R1测－RA＝290 Ω；题图乙：电阻R2的测量值R2测＝＝300 Ω，真实值R2真＝≈333.3 Ω.
变式1.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1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，电流表的示数如图2所示，其读数___________A；将K掷到2，电压表和电流表的读数分别为，。由此可知应采用电流表___________（填“内”或“外”）接法。
（2）完成上述实验后，小李进一步尝试用其它方法进行实验：
①器材间连线如图3所示，请在虚线框中画出对应的电路图___________；
②先将单刀双掷开关掷到左边，记录电流表读数，再将单刀双掷开关挪到右边，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3所示。则待测电阻___________。此方法___________（填“有”或“无”）明显的实验误差，其理由是___________。
【答案】0.34 见解析 外 5 有 电阻箱的最小分度与待测电阻比较接近（或其它合理解释）
（1）[1]由电流表的表盘可知电流大小为0.34A
[2]电压表的百分比变化为
电流表的百分比变化为
因此可知电压表的示数变化更明显，说明电流表的分压更严重，因此不能让电流表分压，采用外接法
（2）①[3]电路图如图
②[4]两次实验中电路电流相同，因此可有
可得读数可得
[5][6]电阻箱的最小分度和待测阻值阻值接近，这样测得的阻值不够精确，如待测电阻阻值为5.4Ω，则实验只能测得其为，误差较大。
二、滑动变阻器的两种接法
典例2.甲、乙两位同学在测量电阻的实验中：
(1)甲用图16所示电路来测量定值电阻Rx的阻值，提供的器材如下：Rx(阻值约10 Ω)，滑动变阻器RP1(0～10 Ω)，滑动变阻器RP2(0～200 Ω)，电流表A(0～0.6 A、0～3 A)，电压表V(0～3 V、0～15 V)，电源E(电动势为3 V)，开关S，导线若干．
图16
图17
图18
①为便于调节和读数，滑动变阻器应该选择________(选填“RP1”或“RP2”)．
②请帮助该同学将图17中实物电路连接完整．
(2)乙用图18所示电路测量另一待测电阻Rx′的阻值，电阻箱R(0～999.9 Ω)，滑动变阻器RP3(50 Ω　1 A)，电压表V(0～3 V)，电源E(电动势为3 V)．测量步骤如下：
第1步：将Rx′接在电路中A、B两点间，闭合开关S，调节滑动变阻器滑片P至适当位置，此时电压表的示数为2 V．断开开关S，移走Rx′；
第2步：将电阻箱R接在A、B两点间，闭合开关S，保持滑动变阻器滑片位置不变，调节R使电压表的示数仍为2 V，此时R接入电路中的阻值为48 Ω.则该同学测得Rx′的阻值为________ Ω.
(3)与真实值相比，甲同学利用图16电路测得Rx的阻值偏________；若乙同学在进行第2步实验时，无意中将滑动变阻器的滑片P向右移动了少许，则他测得Rx′的阻值将偏________．(均选填“大”或“小”)
答案　(1)①RP1　②见解析图　(2)48　(3)小　大
解析　(1)滑动变阻器采用分压式接法，为了便于操作和读数，滑动变阻器阻值应该选用较小的，故选RP1；滑动变阻器左侧下接线柱与电源的负极连接，电压表3 V量程的接线柱与电流表负接线柱连接，如图所示：
(2)由于Rx′和电阻箱分别接入电路中时电压表的读数相同，所以两者的电阻也必然相同，即Rx′＝48 Ω.
(3)甲同学利用题图电路测得Rx，由于电压表的分流作用，使Rx测量值比真实值偏小．
对于乙同学的实验可作这样的分析：当把滑动变阻器接入电路时，调节滑动变阻器，使得电压表的读数为2 V，此时将滑动变阻器的滑片P向右移动了少许，由闭合电路欧姆定律可知，电流减小，电压表的示数小于2 V，只有增大R的阻值，使电流减小，内电压与滑动变阻器两端的电压减小，这样R两端的电压才会升高到2 V，使得测量值Rx′偏大．
变式2.(2018·天津理综·9(3))某同学用伏安法测定待测电阻Rx的阻值(约为10 kΩ)，除了Rx、开关S、导线外，还有下列器材供选用：
A．电压表(量程0～1 V，内阻约10 kΩ)
B．电压表(量程0～10 V，内阻约100 kΩ)
C．电流表(量程0～1 mA，内阻约30 Ω)
D．电流表(量程0～0.6 A，内阻约0.05 Ω)
E．电源(电动势1.5 V，额定电流0.5 A，内阻不计)
F．电源(电动势 12 V，额定电流2 A，内阻不计)
G．滑动变阻器R0(阻值范围0～10 Ω，额定电流2 A)
(1)为使测量尽量准确，电压表选用________，电流表选用________，电源选用________．(均填器材的字母代号)
(2)在虚线框内画出测量Rx阻值的实验电路图．
(3)该同学选择器材、连接电路和操作均正确，从实验原理上看，待测电阻测量值会________其真实值(填“大于”“小于”或“等于”)，原因是_______________________________．
答案　(1)B　C　F　(2)见解析图　(3)大于　电压表的读数大于待测电阻两端的实际电压(其他表述正确也可)
解析　(1)若电源选用E，则通过Rx的最大电流为0.15 mA，电流表选用C还达不到半偏，故电源应选用F.电压表内阻应尽可能与被测电阻阻值相差大一些且接近电源电压，故电压表选用B.由此可知电路中的电流约为1 mA，故电流表选用C.
(2)因为待测电阻阻值较大，所以电流表应采用内接法．因为滑动变阻器的阻值很小，若采用限流接法接入电路起不到多大的限流作用，所以滑动变阻器应采用分压接法，实验电路图如图所示．
(3)因为电流表采用内接法，电压表测出的电压为Rx与电流表串联后两端电压，U测＞U实，而R＝，所以R测＞R实．
三、电表改装
典例3.(2019·全国卷Ⅰ·23)某同学要将一量程为250 μA的微安表改装为量程为20 mA的电流表．该同学测得微安表内阻为1 200 Ω，经计算后将一阻值为R的电阻与该微安表连接，进行改装．然后利用一标准毫安表，根据图19(a)所示电路对改装后的电表进行检测(虚线框内是改装后的电表)．
图19
(1)根据图(a)和题给条件，将图(b)中的实物连线．
(2)当标准毫安表的示数为16.0 mA时，微安表的指针位置如图20所示，由此可以推测出改装的电表量程不是预期值，而是________．(填正确答案标号)
图20
A．18 mA B．21 mA
C．25 mA D．28 mA
(3)产生上述问题的原因可能是________．(填正确答案标号)
A．微安表内阻测量错误，实际内阻大于1 200 Ω
B．微安表内阻测量错误，实际内阻小于1 200 Ω
C．R值计算错误，接入的电阻偏小
D．R值计算错误，接入的电阻偏大
(4)要达到预期目的，无论测得的内阻值是否正确，都不必重新测量，只需要将阻值为R的电阻换为一个阻值为kR的电阻即可，其中k＝________.
答案　(1)连线如图所示
(2)C　(3)AC　(4)
解析　(1)量程为250 μA的微安表改装成量程为20 mA的电流表，量程扩大了80倍，需要将定值电阻与微安表并联，然后根据题图(a)的原理图连线．
(2)当标准毫安表示数为16.0 mA时，对应的微安表读数为160 μA，说明量程扩大了100倍，因此所改装的电表量程是25 mA，选项C正确．
(3)根据IgRg＝(I－Ig)R得：I＝＋Ig
出现该情况可能是微安表内阻测量错误，实际电阻大于1 200 Ω，或者并联的电阻R计算错误，接入的电阻偏小，选项A、C正确．
(4)设微安表的满偏电压为U，则对并联的电阻R有
U＝(25－0.25)×10－3R
U＝(20－0.25)×10－3kR，解得k＝.
变式3.(2019·全国卷Ⅲ·23)某同学欲将内阻为98.5 Ω、量程为100 μA的电流表改装成欧姆表并进行刻度和校准，要求改装后欧姆表的15 kΩ刻度正好对应电流表表盘的50 μA刻度．可选用的器材还有：定值电阻R0(阻值14 kΩ)，滑动变阻器R1(最大阻值1 500 Ω)，滑动变阻器R2(最大阻值500 Ω)，电阻箱(0～99 999.9 Ω)，干电池(E＝1.5 V，r＝1.5 Ω)，红、黑表笔和导线若干．
图21
(1)欧姆表设计
将图21中的实物连线组成欧姆表．欧姆表改装好后，滑动变阻器R接入电路的电阻应为________ Ω；滑动变阻器选________(填“R1”或“R2”)．
(2)刻度欧姆表表盘
通过计算，对整个表盘进行电阻刻度，如图22所示．表盘上a、b处的电流刻度分别为25和75，则a、b处的电阻刻度分别为________、________.
图22
(3)校准
红、黑表笔短接，调节滑动变阻器，使欧姆表指针指向________ kΩ处；将红、黑表笔与电阻箱连接，记录多组电阻箱接入电路的电阻值及欧姆表上对应的测量值，完成校准数据测量．若校准某刻度时，电阻箱旋钮位置如图23所示，则电阻箱接入的阻值为________ Ω.
图23
答案　(1)如图所示　900　R1
(2)45　5　(3)0　35 000.0
解析　(1)由题知当两表笔间接入15 kΩ的电阻时，电流表示数为50 μA，由闭合电路欧姆定律有＝，代入数据解得R＝900 Ω，所以滑动变阻器选择R1.
(2)欧姆表的内阻Rg′＝Rg＋r＋R0＋R＝15 kΩ，当电流为25 μA时，有＝，可得Rx′＝45 kΩ；当电流为75 μA时，有＝，可得Rx″＝5 kΩ.
(3)红、黑表笔短接，调节滑动变阻器，使欧姆表指针指向0 kΩ处．题图中电阻箱读数为35 000.0 Ω.
四、实验器材的选择与实物图连接
典例4.为测量某微安表G(量程200 μA，内阻大约2 200 Ω)的内阻，有以下器材可供选择：
A．电压表(0～3 V)；
B．电压表(0～15 V)；
C．滑动变阻器(0～10 Ω)；
D．滑动变阻器(0～1 kΩ)；
E．电源E(电动势约为6 V)
F．电阻箱RZ(最大阻值为9 999 Ω)
开关S一个，导线若干．
图24
(1)按图24甲所示电路图将图乙中的实物连线．
(2)实验过程为：合上开关S，先调节R使电压表读数为U，再调节电阻箱(此时电压表读数几乎不变)，使微安表指示为满偏，记下此时电阻箱阻值为R1＝8 056 Ω；
然后再调节R，使电压表读数为U，再调节电阻箱(此时电压表读数几乎不变)，使微安表指示为满偏，记下此时电阻箱阻值为R2(如图25所示)．
图25
电压表应选________，滑动变阻器应选________．(填字母代号)
电阻箱的读数R2＝________ Ω，待测微安表的内阻Rg＝________ Ω.
答案　 (1)见解析图　(2)A　C　4 653　2 153
解析　(1)根据电路图，实物连线如图所示．
(2)因为电源电动势约为6 V，B电压表量程太大，故电压表选A，但操作时，需注意不能超过A电压表的量程．要使调节电阻箱时电压表读数几乎不变，微安表内阻应远大于滑动变阻器阻值，故滑动变阻器选C；由题图可知，电阻箱的读数R2＝4 653 Ω；
由题意有(Rg＋R1)Ig＝U，(Rg＋R2)Ig＝U，
联立解得，待测微安表的内阻Rg＝2 153 Ω.
变式4.实验台上备有下列器材：
A．电流表(量程500 μA，内阻约为300 Ω)；
B．电流表(量程100 μA，内阻约为1 kΩ)；
C．电压表(量程15 V，内阻约100 kΩ)；
D．电压表(量程6 V，内阻约6 kΩ)；
E．直流电源(15 V，允许最大电流1 A)；
F．滑动变阻器(最大阻值100 Ω，额定功率1 kW)
G．开关和导线若干．
某同学用供选器材设计了测一个阻值约30 kΩ电阻的实验，电路如图26所示(电路还没有完全接好)．
图26
(1)实验中所用的电流表应选________，电压表应选________．(填器材前的字母)
(2)请用笔画线代替导线将尚未连接好的电压表连入电路中．
(3)开关闭合前，滑动变阻器的滑片P应置于________(填“a”或“b”)处．
(4)正确连接电路后，无论如何调节滑动变阻器的滑片，电压表和电流表示数均不能取到较小值，其原因可能是导线________(填图中导线代号)没有连接好．
答案　(1)A　C　(2)见解析图　(3)b　(4)④
解析　(1)待测电阻Rx的阻值约为30 kΩ，直流电源电动势为15 V，经粗略计算电路中的最大电流约为Imax＝＝500 μA，所以电流表选择A；由于电压表D的量程不足，所以电压表选择C.
(2)在题图所示电路中，电流表内阻约为300 Ω，电压表内阻约为100 kΩ，由串、并联电路规律得，电流表的分压作用小于电压表的分流作用，故电流表应采用内接法，实物连线如图所示．
(3)实验前，分压电路的电压应该是0，故滑动变阻器的滑片P应置于b端．
(4)实验中无论如何调节滑动变阻器的滑片，电压表和电流表示数均不能取到较小值，是由于滑动变阻器接成限流式，因此是导线④没有连接好．
课后作业
1．如图电路是将滑动变阻器作分压器用的电路，C、D为分压器的输入端，A、B为分压器的输出端，把变阻器的滑动片P放在变阻器正中间，下列判断中正确的是（　　）
A．空载时输出电压为UAB=UCD
B．当接上负载R时，输出电压为
C．负载电阻R的阻值越小，UAB越接近
D．滑动片P向下滑动，可实现UAB=
【答案】B，AD．空载时，变阻器下部分电阻为，输出电压为
滑动片P从中间向下滑动，则输出电压从逐渐减小，AD错误；
BC．当接上负载R时，负载与变阻器下部分电阻并联，有
输出电压为
当负载电阻R的阻值越小，并联电阻越小，输出电压也越小。UAB越远离。B正确C错误。故选B。
如图所示，滑动变阻器的最大阻值是R1，定值电阻的阻值是R2，A、B两端的电压恒定为U，R2两端的电压用U2表示，则（　　）
A．开关S断开时，滑片P从a移动到b，U2从0变化到U
B．开关S闭合时，滑片P从a移动到b，U2从0变化到U
C．若R1比R2小很多，开关S断开时，滑片P从a移动到b，U2的改变量远小于U
D．若R1比R2小很多，开关S闭合时，滑片P从a移动到b，U2的改变量远小于U
【答案】C， A．开关S断开时，滑片P在a处，R2两端的电压最大，为U，滑片P在b处，R2两端的电压最小，为。A错误；
B．开关S闭合时，滑片P在a处，R2两端的电压最大，为U，滑片P在b处，R2被短路，两端的电压最小，为0。U2从U变化到0。B错误；
C．开关S断开时，滑片P从a移动到b，U2的改变量为
由于R1比R2小很多，所以C正确；
D．开关S闭合时，滑片P从a移动到b，U2的改变量为D错误。故选C。
3．某同学将一毫安表改装成双量程电流表。如图所示。已知毫安表的内阻为100Ω，满偏电流为1mA；R1和R2为定值电阻，且R1=5Ω，R2=200Ω。下列说法正确的是（　　）
A．若使用1和2两个接线柱，则电表量程为0-24mA
B．若使用1和2两个接线柱，则电表量程为0-21mA
C．若使用1和3两个接线柱，则电表量程为0-4.3V
D．若使用1和3两个接线柱，则电表量程为0-6.3V
【答案】BC， AB．使用1和2两个接线柱，则R1和毫安表并联，则有带入数据解得I=21mA故A错误，B正确；
CD．使用1和3两个接线柱毫安表满偏电压为U满偏=R毫安×I满偏=100Ω×0.001A=0.1V
毫安表满偏时总电流21mA，则R2分压为U2=R2×I=200Ω×0.021A=4.2V
所以最大测量值为Umax=U满偏+U2=0.1V+4.2V=4.3V故C正确，D错误。故选BC。
4．灵敏电流计G的量程为500μA、内阻未知，某小组要将该电流计的量程扩大至，有下列器材可选：
A．干电池一节
B．电压表（量程，内阻几千欧）
C、滑动变阻器R1（0~100Ω）
D．电阻箱（0~999.9Ω）
E．开关、导线若干
（1）甲同学设计了如图甲所示的电路测电流计的内阻，判断是否可行并分析原因：___________。
（2）乙同学设计了如下实验：
①用如图乙所示电路测量电流计和电压表的内阻。
a.将R1滑片滑到左端，断开S2，闭合S1，调节R1，使电流计满偏，此时电压表的示数为1.0V；
b.将R2调至最大，闭合S2，调节R1，R2当电压表示数为1.2V时，电流计的示数为300μA，R2的阻值为18Ω。
由以上数据可得电压表的内阻RV=___________Ω，电流计的内阻RG___________ Ω。
②用灵敏电流计和电阻箱改装电流表，此时电阻箱的阻值应调为___________Ω。
【答案】不可行 流过电流计的最小电流超过了其量程 2000 182
（1）[1]电流计与R2串联接入电路，若R2取最大阻值1000Ω，电流表的量程为1.5V时，可得电流计的最小电流为
故电路不可行，流过电流计的最小电流超过其量程。
（2）①[2][3]第一步为电压表和电流计串联的电路，由部分电路的欧姆定律有
可得Ω=2000Ω
第二步为RG与R2并联，整体在与RV串联，由部分电路欧姆定律可得
带入数据得RG=180Ω
②[4]电流计改装成电流表需要领用并联分流，有解得R=20Ω则电阻箱调为20Ω。
5．从下面给定的器材中选出适当的实验器材（有些器材的阻值是大约值，有些器材的阻值是准确值）．设计一个测量阻值Rx约为250Ω的电阻的电路，要求便于操作，方法简捷，要尽可能提高测量的精度．
电流表A1，量程10mA，内阻rA1≈350Ω
电流表A2，量程300μA，内阻rA2≈300Ω
电流表A3，量程100μA，内阻rA3≈500Ω
电压表V1，量程10V，内阻rV1=15kΩ
电压表V2，量程3V，内阻rV2=10kΩ
滑动变阻器R1，全阻值50Ω，额定电流为1A
滑动变阻器R2，全阻值5000Ω，额定电流为1A 电池组，电动势6V，内阻很小但不能忽略 开关及导线若干
（1）测量电路中电流表应选_____，电压表应选_____，滑动变阻器应选_____（填代号）
（2）画出测量Rx的电路图_______．
（3）在所测量数据中选一组数据计算Rx，计算表达式Rx=____，表达式中各符号表示的意义是_____．
【答案】A1 V2 R1 U2表V2的示数，I1表A1的示数，rV2表示电压表V2的内阻
(1)[1][2]电源电动势为6V，电压表如果选V1，测量误差较大，为减小实验误差，则电压表应选取V2；则电阻两端最大电压为3V，电路中的最大电流约为
故电流表应选A1；
[3]为了便于调节和使被测电阻两端电压变化更明显，方便实验操作，滑动变阻器应选R1；
(2)[4]为了测更多组实验数据，滑动变阻器应采用分压接法；电流表内阻约为350Ω，电压表内阻为10kΩ，由判断可知，电流表采用外接法，电路图如图所示
(3)[5]电阻两端电压为U2，通过待测电阻的电流为A1的示数减去电压表的分流，由欧姆定律可知[6]其中U2是Rx的电压，是表V2的示数，I1是通过Rx和V2的电流，是表A1的示数，rV2表示电压表V2的内阻。