第十九讲　电学实验-2026年高考物理总复习课件（172页PPT）

(共172张PPT)
专题七　实验
第十九讲　电学实验
分值占比
实验题通常占理综物理部分的15%~20%。例如,2023 年全国甲卷实验题占 18 分,乙卷占 17 分。
考查内容
1.重点模块:力学和电学是考查的核心内容。力学常考牛顿第二定律、平抛运动、验证机械能守恒定律等;电学则侧重伏安法测电阻、测定电源电动势和内阻等实验。
2.补充内容:光学中的折射率测量,近代物理中的光电效应等实验也会作为补充考查内容。
命题特点
1.基础与创新结合:既考查教材中的基础实验,如游标卡尺、螺旋测微器的读数、纸带类实验数据处理等,又注重创新,常以 “数字化实验”“新器材应用” 为背景,改变实验条件或增加限制,考查知识迁移能力。
2.原理深度考查:从单纯考查 “记忆实验步骤” 转向 “理解实验原理”,要求学生能深入理解实验原理,并据此进行实验设计、误差分析等。
3.数据处理升级:从 “简单计算” 转向 “图像分析”,如要求学生对数据进行线性化处理,通过图像斜率、截距等获取物理量。
能力要求
1.操作技能:要求学生掌握实验器材的正确使用方法,如打点计时器、多用电表等的操作。
2.数据处理:能运用逐差法、图像法等对实验数据进行处理,分析数据得出结论。
3.误差分析:能够识别实验中的误差来源,分析误差对结果的影响,并提出改进措施。
4.设计能力:具备根据给定的实验目的和条件,设计合理实验方案的能力,包括选择器材、确定步骤、控制变量等。
考点一　电表改装　多用电表的原理及使用问题
类型 电路图 原理
把电流表改装为电压表 串联大电阻分压,U=Ig(R+Rg)
类型 电路图 原理
扩大电流表的量程 并联小电阻分流,I=Ig+
把电流表改装成欧姆表 闭合电路欧姆定律, I=
中值电阻 R中=Rg+R+r,红、黑表笔短接,欧姆调零, Ig=
电流方向:“红进黑出”
类型 电路图 原理
用多用电表测量电学中的物理量 Ⅰ.使用前要机械调零
Ⅱ.电流都是从红表笔流入,从黑表笔流出
Ⅲ.测电阻时注意
①测电阻必须把待测电阻隔离
②牢记两个调零过程,切记换挡需进行欧姆调零
③合理选择量程, 使指针尽可能指在中值附近
④读数时应乘相应的倍率
⑤欧姆表的表盘刻度不均匀,一般不估读
(1)关于电表改装的四点提醒
①电表改装的问题实际上是串、并联电路中电流、电压的计算问题,只要把表头看成一个电阻Rg即可。
②无论表头改装成电压表还是电流表,它的三个参量Ug、Ig、Rg是不变的,即通过表头的最大电流并不改变。
③由改装后电压表的内阻RV=R串+Rg=nRg(其中n==)可知,电压表量程越大,其分压电阻R越大,电压表内阻RV越大。
④由改装后电流表的内阻RV== (其中n==)可知,电流表的量程越大,其分流电阻R并越小,电流表的内阻RA越小。
题型一　某实验小组欲制作一个两挡位(“×1”“×10”)的欧姆表,使用的实验器材如下:
A.电流表G(满偏电流Ig=1mA,内阻Rg=180 Ω);
B.定值电阻R0=2 Ω;
C.定值电阻R1=18 Ω;
D.滑动变阻器R2(最大阻值为1 000 Ω);
E.电源(电动势为9 V);
F.单刀双掷开关S;
G.红、黑表笔及导线若干。
其内部结构如图所示,回答下列问题。
(1)图中A接　　 　(选填“红”或“黑”)表笔;
(2)将单刀双掷开关S与1接通时,欧姆表的挡位为　 　　(选填“×1”或“×10”);
(3)现用该欧姆表测量一未知电阻Rx,选用“×10”挡位并欧姆调零后,将电阻Rx接在A、B之间,发现电流表几乎满偏,断开电路并将“×10”挡位换成“×1”挡位,再次欧姆调零时,滑动变阻器R2的滑片　　　(选填“向上”或“向下”)移动,使电流表满偏,再次将电阻Rx接在A、B之间,稳定后电流表G的指针对准刻度盘上的0.6 mA处,则未知电阻Rx=　　　Ω。
【答案】(1)黑　(2)×10　(3)向下　60
【解析】(1)根据电流方向“红入黑出”,可知A接黑表笔;
(2)开关接1时,R0与R1串联后和电流表并联,三者总电阻为
R== Ω=18 Ω,
开关接2时,R1与电流表串联后和R0并联,三者总电阻为
R'== Ω=1.98 Ω,
欧姆表的倍率大的挡位内阻大,所以将单刀双掷开关S与1接通时,欧姆表的挡位为“×10”。
(3)由“×10”挡位换成“×1”挡位,再次欧姆调零时,即增大电流表中的电流,应减小滑动变阻器R2接入电路中的阻值,滑片向下,使电流表满偏。
把挡位调到“×1”,将两表笔短接欧姆调零后,设欧姆表的内阻为R内,根据电路图, 此时电流表满偏,电路的干路电流为Ig+I1,根据欧姆定律
I1==A=9.9×10-2A,
根据闭合电路欧姆定律有Ig+I1=,
解得R内== Ω=90 Ω。
把两表笔与待测电阻相接时,干路电流为I2+I3=0.6 mA+I3,
则I3==A=5.94×10-2A。
其中根据闭合电路欧姆定律I2+I3==×10-3 A=6×10-2 A,
解得Rx=-R内=60 Ω。
【例2】某同学为了测量一个量程为3 V的电压表V0的内阻,进行了如下实
验。
(1)他将多用电表选择开关调至欧姆挡“×100”,对其进行欧姆调零,然后用欧姆表的红表笔接电压表的　　　(选填“正”或“负”)接线柱,黑表笔接电压表另一个接线柱,对电压表的内阻进行测量。表盘显示如图所示,可测得电压表的内阻为　　　Ω;
(2)为较准确地测定电压表V0的内阻,除待测电压表外,另准备有如下器材:
A.电压表V1(量程3 V,内阻r1约为2 000Ω)
B.电压表V2(量程6 V,内阻r2约为5 000Ω)
C.定值电阻R1(阻值R1=300 Ω)
D.定值电阻R2(阻值R2=2 000 Ω)
E.滑动变阻器R(阻值0~100 Ω)
F.电源E(电动势E=6 V,内阻r约为2 Ω)
G.开关S、导线若干
①同学根据以上器材现设计了如图甲、乙两种电路,你认为应选择　　　电路较为合理;
②在合理的电路中,电压表V选　　　,定值电阻R0选　　　(填仪器前的字母序号);
③若定值电阻R0的阻值为R,待测电压表V0的读数为U0,电压表V的读数为U,则待测电压表的内阻计算公式为RV=　 　(用题中测得的物理量字母表示)。
【答案】(1)负　2 200
(2)乙　B　D　
【解析】(1)欧姆表测量电阻时,电流从黑表笔流出欧姆表,所以黑表笔接电压表正接线柱,红表笔接电压表负接线柱;
选择开关调至欧姆挡“×100”,由指针所指位置可知,电压表的内阻
RV=22×100 Ω=2 200 Ω。
(2)为了准确测定电压表V0的内阻,需要得到流过V0的电流。甲图所示电路中,流过V0的电流等于定值电阻R0和电压表V的电流之和,由于电压表V的内阻未知,所以无法求得流过V的电流,也就无法得到流过V0的电流。乙图所示电路,流过V0的电流等于定值电阻R0的电流,则有I=,
电压表V0的内阻为RV==。
为了减小V0和V的读数误差,应使它们的示数较大,则定值电阻R0选用R2,电压表选择V2,当电压表V0满偏时,电压表V2也接近满偏。
(1)常规电阻测量方法
考点二　以测电阻为核心的实验
伏安法测电阻 R测==Rx+RA>Rx,适合测量大电阻
R测==导体电阻率 的测量 1.测电阻Rx=
2.测电阻率ρ,Rx=ρ,而S=,Rx=,联立得ρ=
(2)测量电阻创新方案对比
替代法 单刀双掷开关分别与1、2相接,调节电阻箱R1,保证电流表两次读数相等,则R1的读数即等于待测电阻的阻值
半偏法 测量电流表内阻 闭合S1,断开S2,调节R1使G表满偏;再闭合S2,只调节R2,使G表半偏(R1 R2),则R2=R测,R测测量电压表内阻 使R2=0,闭合S,调节R1使V表满偏;只调节R2使V表半偏(RV R1),则R2=R测,R测>R真
电桥法 闭合S,调节电阻箱R3,当A、B两点的电势相等时,R1和R3两端的电压相等,设为U1,同时R2和Rx两端的电压也相等,设为U2,根据欧姆定律有=,=,由以上两式解得R1·Rx=R2·R3,这就是电桥平衡的条件,由该平衡条件可求出被测电阻Rx的阻值
【例3】精密仪器中常用到金属膜电阻,它是通过金属电镀工艺将金属层溅射到绝缘陶瓷基底的表面形成的。如图甲所示,某金属膜电阻长度为L,金属膜厚度为h。实验室提供的器材有:干电池2节,电压表V(量程0~3 V,内阻约3 kΩ),电流表(0~5 mA,内阻约为50 Ω),滑动变阻器(最大阻值10 Ω),开关S,导线若干。某同学用图乙所示电路测量该金属膜电阻的电阻率,请回答以下问
题。
(1)闭合S前,应将滑动变阻器的滑片置于　　　　(选填“a”或“b”)端;
(2)用螺旋测微器测量镀膜后的陶瓷管直径D,示数如图丙所示,则D=
　 mm;
(3)闭合开关后,移动滑片,测出多组电表示数的U、I值,并画出U-I图像如图丁所示,可得金属膜电阻的阻值R=　　　　　Ω;
(4)用字母D、L、R、h表示金属膜电阻的电阻率ρ=　　　　　;
(5)金属膜电阻的电阻率测量值偏大,试写出产生误差的主要原因　　　。
【答案】(1)a　(2)3.700　(3)650 (4)　(5)电流表采用内接法,在电路中电流表分压,致使电阻率测量值偏大
【解析】(1)分压式接法滑片置于用电器电压最小的位置,目的是保护用电器。闭合S前,应将滑动变阻器的滑片置于a端,从而使闭合开关之后分压部分电路电压从零开始变化。故填a。
(2)根据螺旋测微器规则,如图丙所示,固定刻度为3.5 mm,可动刻度为20.0×0.01 mm,得陶瓷管直径D为D=3.5 mm+20.0×0.01 mm=3.700 mm。
(3)如图所示。
U-I图像的斜率为电阻大小,即
R=Ω=650 Ω。
(4)根据电阻定律有R=ρ,而横截面积为S=πh,
联立解得金属膜电阻的电阻率为ρ=。
(5)如图乙所示,电流表采用内接法,在电路中电流表会分压,使得电压表读数偏大,由欧姆定律R=得测量的电阻阻偏大,由ρ=可知,电阻率测量值偏大,即原因为电流表采用内接法,在电路中电流表分压,致使电阻率测量值偏大。
【例4】学习小组组装一台体重测量仪,进行如下操作。
(1)应变片为体重测量仪的核心元件,当对台秤施加压力时,应变片形状改
变,其阻值增大。为测量应变片在无形变时的阻值,实验室提供了如下实验器材:
A.电源(恒压输出12 V)
B.电流表(量程0~60 mA,内阻为10 Ω)　　
C.电压表(量程0~3 V/15 V,内阻约3 kΩ/15 kΩ)
D.滑动变阻器(最大阻值为10 Ω)
E.待测应变片Rx(阻值几百欧)
F.开关S、导线若干
请完善实验步骤。
①为得到多组数据并使测量结果尽量精准,请在图1中用笔画线代替导线连接成完整电路。
②闭合开关S,调节滑动变阻器,记下电压表和电流表的示数。某次测量中电压表指针如图2所示,读数为　　　V。
③正确操作后,对多组数据进行处理,得到应变片的阻值为300 Ω。
(2)查阅相关资料得知体重测量仪的原理如图3所示,现进行组装和校准。其中R1为滑动变阻器,R4为上述应变片,定值电阻R2、R3阻值分别为1 000 Ω、500 Ω。当台秤受到压力时,测量电路将电阻增加量转化为电压UCD信息,再转换成体重输出。已知压力与应变片电阻增加量的关系为F=kΔR,k=300 N/Ω。
①适当调节R1,使UCD=0,这时输出体重值为零,则滑动变阻器接入电路的阻值为　　　 Ω。
②该应变片阻值增加量ΔR的变化范围为0~6 Ω,该体重仪的最大测量值为
　　　N。
③使用中,由于故障导致R2阻值增大,此时体重的测量结果与真实值比较
　　　(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。
【答案】(1)如图所示　9.5(9.4~9.6)　(2)①600　②1800　③偏大
【解析】(1)实验要求多组数据并使测量结果尽量精准,要测量多组数据,需采用分压式电路,又因为电流表内阻已知,故电流表内接可以有效消除系统误差,使测量结果尽量精确,故电路连接为分压式电路和电流表内接,电路图如图所示。
(2)因为电源电压12 V,故电压表需要选择量程15 V的,这样量程下的电压表最小刻度为0.5 V,只需要估读到本位即可,所以读数为9.4~9.6 V之间。
(3)要使UCD=0,则需要满足R1∶R4=R2∶R3,代入数据滑动变阻器R1=600 Ω。
(4)压力与应变片电阻增加量的关系为F=kΔR,将电阻变化量ΔR=6 Ω代入公式即可得F=1 800 N。
(5)由于故障导致R2阻值增大,会导致D点电势降低,UCD变大,从而导致体重测量值偏大。
电源电动势和内阻的测量方法
考点三　测量电源的电动势和内阻类实验问题
方法 伏安法 伏阻法 安阻法
原理 E=U+Ir E=U+r E=IR+Ir
电路 图
方法 伏安法 伏阻法 安阻法
关系式 U=E-Ir =+ =+ 关系
式
图像 纵轴截距:E 斜率大小:r 纵轴截距: 斜率:
纵轴截距:
斜率:
误差分析 E测r真 E测r真
【例5】(2025·宁夏吴忠一模)某兴趣学习小组要测量玩具电车上干电池的电动势和内阻,现有如下实验器材:
A.电压表V
B.电流表A
C.电阻箱R
D.待测干电池
E.开关S、导线若干
(1)该小组同学设计了甲、乙两个电路图,为使测量结果尽量准确,应该选
择　　　　　(选填“甲”或“乙”)电路图。用该电路图测得的电动势比真
实值　　　　　(选填“偏大”或“偏小”)。
(2)该实验小组的小A同学在了解两电路测量的误差来源后,利用两电路分别测量了多组U、I数据并作出对应的U-I图像,其中甲图电路作出的图像为　　　　　(选填“a”或“b”)。根据a、b两图像可以求得电池的电动势E=　　　　　,内阻r=　　　　　。
(3)利用小A同学得到的两组图像是否能够准确测出电流表和电压表的内阻 若能,求出电压表和电流表的阻值;若不能请说出理由。(结果均用题中字母表示)
【答案】(1)甲　偏小　(2)b　U2　
(3)能,RA=-　RV=
【解析】由于玩具电瓶车上干电池的内阻较小,则图甲电压表的分流影响很小,而图乙电流表的分压作用造成电源内阻测量误差相对较大,故实验应该选择甲电路。
甲电路图,误差来源于电压表的分流作用,将电压表和干电池看成一个等效电源,则甲电路图测得的电动势为等效电源的电动势,即测得的电动势比真实值偏小。
(2)图乙测得的内阻等于电源内阻与电流表内阻的和大于电源内阻的真实
值,电动势等于真实值。与图丙的U-I图像对比知道,a图像对应图乙,b图像对应图甲。
对图线a列闭合电路欧姆定律可得,U=E-I,可知图线a的纵轴截距等于电动势,有E=U2,图线b中的电流I1是图甲所示电路中的外电路被短路时的电流,有E=I1r,联立可得r=。
(3)根据中的闭合电路欧姆定律可知图线a的斜率k1==r+RA,
可求得RA=-,图线b的斜率k2==,可求得RV=,
故根据两组实验是可以求得电压表和电流表的内阻真实值的。
【例6】某同学制作“橘子电池”后,设计了图(a)电路测量其电动势E和内阻
r。电压传感器可视为理想电压表。
(1)根据图(a)完成图(b)实物连线。
(2)闭合开关S,多次调节电阻箱,记录电阻箱阻值R和相应的电压传感器读数U;
①某次实验电阻箱的示数如图(c)所示,其电阻大小为　　　Ω;
②根据实验数据作出的-图像如图(d)所示,则“橘子电池”电动势E =
　　　V,内阻r= 　　　kΩ。(结果均保留三位有效数字)
(3)若仅提供如下规格的电表:
A.电压表V1(量程3 V,内阻约为3 kΩ);
B.电压表V2(量程15 V,内阻约为10 kΩ);
C.电流表A1(量程0.6 A,内阻约为0.5 Ω);
D.微安表A2(量程300 μA,内阻约为100 Ω)。
为了较为准确地测出“橘子电池”的电动势和内阻,下列电路中最合适的是
　　　　　　。
【答案】(1)
(2)11 323.5　1.00　3.33　(3)D
【解析】(1)根据电路图连接实物图如图所示。
(2)①根据电阻箱的刻度及挡位可知读数为11 323.5 Ω;
②根据闭合电路欧姆定律有E=U+r,变形可得=+·,根据图像的斜率与截距可知=1.0 V-1,= Ω/V,
解得E=1.00 V,r=3.33×103 Ω=3.33 kΩ。
(3)两选项中电路图采用的是伏阻法,测量得到的电源的内阻实际是电压表内阻与电源内阻的并联的等效电阻,因“橘子电池”的内阻与电压表内阻相差不多,故测量得到的电源的内阻相对误差较大,而“橘子电池”的电动势约为1 V,电压表的量程均太大,故AB错误;
两电路图采用的是安阻法,测量得到的电源的内阻实际是电流表内阻与电源内阻的串联的等效电阻,因“橘子电池”的内阻远大于电流表A1和微安表A2的内阻,故测量得到的电源的内阻相对误差较小,并且此方法测量电源的电动势无系统误差,由(2)的结果可知电路的最大电流约为300 μA,故选用微安表A2进行测量误差较小,故C错误,D正确。故选D。
考点四　电容器充放电、电磁感应、变压器及结合传感器的电学实验问题
1.电容器充、放电实验
原理装置图 操作要领
1.电容器的充电过程
开关S接1时,电源给电容器充电,电容器带电荷量、电压逐渐增大,电流逐渐减小,最后电流为零,如图甲所示
2.电容器的放电过程
开关S接2时,电容器负极板上负电荷与正极板上正电荷中和,两极板的电荷量逐渐减小,电流逐渐减小,最后电压也逐渐减为零,如图乙所示
【例7】小明将电源、电阻箱、电容器、电流表、数字电压表以及开关组装成图1所示的电路进行实验,观察电容器充电过程。实验仪器如下:电源(电压为4.5 V,内阻不计);电容器(额定电压为16 V);电流表(量程为0~500 μA,内阻500 Ω);数字电压表(量程为0~10 V);电阻箱(阻值0~9 999 Ω)。

(1)电路连接完毕后如图2所示,为保证电表使用安全,在开关闭合前必须要完成的实验步骤是　　　　。
(2)将开关S闭合,观察到某时刻电流表示数如图3所示,其读数为　　　μA。
(3)记录开关闭合后电流随时间变化的图线如图4所示,小明数出曲线下围成的格子数有225格,则电容C的大小为　　　　μF。
(4)由于数字式电压表内阻并不是无穷大,考虑到此因素的影响,(3)问中电容的测量结果与真实值相比是　　　　(选填“偏大”“偏小”或“相等”),请简要说明理由。
(5)开关闭合过程中,分别记录电流表和数字电压表的读数I和U,利用数据绘制I-U关系如图5所示,由图像可得出电阻箱接入电路的阻值为　　　　Ω。
【答案】(1)将电阻箱阻值调至较大值(或最大值)　(2)175　(3)2500　(4)偏大　由于电压表的分流,实际充电电流小于电流表上记录的数值,因此电量计算偏大,电容测量结果偏大。
(5)9 500
【解析】(1)电路连接好后,为保护电路,在开关闭合前,应将电阻箱阻值调至较大值(或最大值);
(2)根据量程及刻度,可以读出电流表的分度值为10 μA,根据估读原则,电流须估读到个位,电流表指针指在170 μA到180 μA之间,故电流表读数为175 μA。
(3)根据I-t图像的物理意义可以知道图像的面积为电容器两端的电荷量,图中每一格代表的电荷量q=10×10-6×5 C=5×10-5 C,
故当充满电后电容器的电荷量为Q=225q=1.125×10-2C,
故电容器的电容为C==F=2.5×10-3 F=2 500 μF。
(4)由于电压表的分流,实际充电电流小于电流表上记录的数值,因此电荷量计算偏大,电容测量结果偏大。
(5)根据闭合回路的欧姆定律可以得出
E=Ir+U,r=R+RA,
可得I=-,故I-U图像斜率的绝对率
|k|==,代入数据有,解得r=10 000 Ω,
则R=10 000-500 Ω=9500 Ω。
2.电磁感应实验
原理装 置图
操作要领 (1)确定电流计指针偏转方向与电流流向的关系判断的方法是:用一节干电池与电流表及线圈串联,瞬间接触,记录指针偏转方向和电流方向
(2)利用图甲研究开关闭合、断开、滑动变阻器滑动触头移动时电流计指针偏转方向
(3)利用图乙研究条形磁铁N极向下(或S极向下)插入、抽出时电流计指针偏转方向
【例8】某小组在“探究影响感应电流方向的因素”实验中,采用了甲、乙两个方案。
(1)方案甲进行了a、b、c、d四种操作,结论的得出运用了　　　　。
A.归纳推理　B.演绎推理
C.理想模型
(2)将方案乙中电路补充完整。
(3)完成方案乙中电路后,开关闭合的瞬间,灵敏电流计的指针向右偏转。闭合开关稳定后,下列操作仍能使指针向右偏转的是　　　　;
A.触头P向左滑动　B.触头P向右滑动
C.将线圈A拔出
(4)为确切判断线圈中的感应电流方向,小组成员除实验前先确定线圈导线的绕向外,还进行了图丙所示的操作,其目的是　　　　　　　　　　　　,
所用电阻R的取值比较合理的是　　　　　　。
A.5 Ω　B.50 Ω　C.500 Ω　D.5 kΩ
【答案】(1)A　(2)见解析　(3)B
(4)查明灵敏电流计指针偏转方向与流入电流方向的关系　D
【解析】(1)对多组实验结果进行对比,并总结规律,属于归纳推理。故选A。
(2)根据实验要求,实验电路连接如图所示
(3)闭合开关时灵敏电流计的指针右偏,说明穿过线圈B的磁通量增加时,灵敏电流计的指针右偏,若滑动触头向左滑动或线圈A拔出的过程,均使穿过线圈B的磁通量减少,则灵敏电流计的指针向左偏转,AC错误;
滑动触头向右滑动时,滑动变阻器接入电路的电阻变小,流过线圈A的电流变大,线圈A产生的磁场增强,穿过线圈B的磁通量增加,则灵敏电流计的指针右偏,B正确。故选B。
(4)图丙所示接入电阻R并用已知方向的小电流通入线圈,是为了“预先标定电流方向与指针偏转方向的对应关系”;
由于灵敏电流计的量程很小(通常为毫安级)蓄电池的电压在5 V左右,为了避免损坏灵敏电流计,定值电阻的阻值选5 kΩ较好。故选D。
3.变压器实验
原理装置图
操作 要领 (1)按照原理装置图安装实验仪器,其中多用电表选择交流电压挡
(2)测量原、副线圈的电压,并记录原、副线圈的匝数
(3)把测得的原、副线圈的电压和匝数记录到表中,分析电压与匝数之间的关系
(4)注意事项
Ⅰ.在改变学生电源电压 (交流)、线圈匝数前均要先断开开关,再进行操作
Ⅱ.为了人身安全,学生电源的电压不能超过 12 V ,不能用手接触裸露的导线和接线柱
Ⅲ.为了多用电表的安全, 使用交流电压挡测电压时,先用最大量程挡试测,大致确定被测电压后再选用适当的挡位进行测量
【例9】某兴趣小组用如图所示的可拆变压器进行“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验。
(1)该实验中变压器原线圈接线柱接入学生电源应该选择　　　(选填“A”或“B”)接法。
(2)实验开始前,小艺同学没有使用铁芯组装变压器,而是直接将一个线圈接入电源,另外一个线圈接电压表,保持电源输入电压、两个线圈接入的匝数不变,逐渐将两个线圈相互靠近的过程中,观察到电压表的读数　　　(选填“变大”或“变小”或“不变”)。
(3)在正确组装变压器后,甲、乙、丙三位同学分别利用控制变量法探究副线圈的电压U2与原线圈电压U1、原线圈的匝数n1、副线圈的匝数n2的关系,将实验数据绘制成甲、乙、丙三幅图像,　　　(选填“甲”或“乙”或“丙”)同学的实验结果有误。
(4)小琳同学在某次实验中选择厂家标注匝数nA=200匝的线圈A作为原线圈,厂家标注匝数nB=100匝的线圈B作为副线圈,分别接入不同输入电压U1,测得对应的输出电压U2得到实验数据如表所示。分析下列可能的原因,你认为正确的有　　　。
A.原、副线圈的电压的频率不相等
B.变压器线圈中有电流通过时会发热
C.铁芯在交变磁场的作用下会发热
D.穿过副线圈的磁通量大于原圈的磁通量
【答案】(1)B　(2)变大　(3)乙　(4)BC
实验次数 nA/匝 nB/匝 U1/V U2/V
1 200 100 8.2 4.0
2 200 100 6.1 2.9
3 200 100 4.0 1.9
【解析】(1)由图可知,A为直流接法,B为交流接法,而要探究变压器的原理则必须使用交变电压,只有变化的电流才能产生变化的磁场。
故选B。
(2)将线圈直接接入交变电源,则线圈中就会产生周期性变化的磁场,而将另一接了电压表的线圈逐渐靠近接入电源中的线圈时,接了电压表的线圈中的磁通量就会发生变化,根据法拉第电磁感应定律E=n=nS可知,越靠近通电线圈,接了电压表的线圈所处的磁场就越强,产生的感应电动势就越大,因此可知电压表的读数将变大。
(3)根据变压器原、副线圈匝数与电压的关系
=可得U2=,可知在原、副线圈匝数比一定的情况下,副线圈中的电压与原线圈中的电压成正比,图像为过原点的倾斜直线;而当原线圈的匝数以及原线圈中的电压一定时,副线圈中的电压与副线圈的匝数成正比,图像为过原点的一条倾斜直线;若原线圈中的电压与副线圈的匝数一定时,副线圈中的电压与原线圈的匝数成反比,即副线圈中的电压与原线圈匝数倒数的图像为一条过原点的倾斜直线,因此实验结果有误的为乙。故选乙。
(4)由表中数据可知,原副线圈的匝数比小于原、副线圈中的电压之比,即有电能的损失。变压器不会改变电压的频率,故A错误;根据电流的热效应可
知,当有电流通过线圈时,线圈会发热,从而造成电能的损失,俗称铜损,故B正确;铁芯在交变磁场中会产生涡流,而根据电流的热效应可知铁芯会发热,从而造成电能的损失,俗称铁损,故C正确;因为铁芯对磁场的约束不严密,因此,穿过副线圈的磁通量一定小于原线圈的磁通量,即磁通量有损失,俗称磁损,故D错误。故选BC。
4. 传感器相关电学实验
【例10】如图甲所示为苹果自动分拣装置的示意图,该装置把大小不同的苹果,按一定质量标准自动分拣为大苹果和小苹果。该装置的托盘秤压在一个以O1为转动轴的杠杆上,杠杆末端压在压力传感器R上,R的阻值随压力变化的曲线如图乙所示。调节托盘秤压在杠杆上的位置,使质量等于分拣标准(0.15 kg)的大苹果经过托盘秤时,杠杆对R的压力为1 N。调节可调电阻R0,可改变R、R0两端的电压比,使质量等于分拣标准的大苹果通过托盘秤时,R0两端的电压恰好能使放大电路中的电磁铁吸动分拣开关的衔铁,此电压叫作放大电路的激励电压。该放大电路中包含保持电路,能够确保大苹果在衔铁上运动时电磁铁始终保持吸动状态。
(1)当大苹果通过托盘秤时,R所受的压力较大,电阻　　　(选填“较大”或“较小”)。
(2)自动分拣装置正常工作时,大苹果通过　　　　　　(填“通道A”或“通道B”)。
(3)若电源电动势为5 V,内阻不计,放大电路的激励电压为2 V。
①为使该装置达到上述分拣目的,R0的阻值等于　　　kΩ(结果保留两位有效数字)。
②某同学想在托盘秤压在杠杆上的位置不变的情况下,利用一块电压表测出每个苹果的质量,电压表的示数随苹果质量的增大而增大,则电压表应该并联在电阻　　　(选填“R”“R0”或“电源”)两端。
③若要提高分拣标准到0.33 kg,仅将R0的阻值调为　　　kΩ即可实现(结果保留两位有效数字)(提示:托盘秤压在杠杆上的位置不变的情况下,压力传感器受到的压力与苹果的质量成正比)。
【答案】(1)较小　(2)通道B
(3)①20　②R0　③16
【解析】(1)由图乙可知当大苹果通过托盘秤时,R所受的压力较大,电阻较小。
(2)大苹果通过托盘秤时,R0两端的电压达到放大电路的激励电压,使放大电路中的电磁铁吸动分拣开关的衔铁,大苹果进入下面的通道B。
(3)①杠杆对R的压力为1 N,R阻值为30 kΩ,为使该装置达到上述分拣目
的,R0的阻值需满足=,则R0=20 kΩ。
②随着苹果质量增大,R阻值减小,分压减小,电源电动势不变,R0分压增大,为了满足电压表的示数随苹果质量的增大而增大,需要将电压表并联在R0两端。
③根据=,可知分拣标准到0.33 kg时,压力为2.2 N,此时R的阻值为24 kΩ,根据①分析R0的阻值应该调至16 kΩ。
【例11】(2025·广东模拟预测)某实验小组想利用热敏电阻制作一个简易的温控报警器,当温度达到或超过60 °C时,报警器会发出警报。具体操作如下:
(1)测量热敏电阻在60 °C时的阻值。已知该热敏电阻的阻值随着温度的升高而降低。有以下实验器材和实验电路图可供选择。
A.电源E(电动势为15 V,内阻不计)
B.电流表A(量程为0.6 A,内阻约5 Ω)
C.电压表V(量程为15 V,内阻约4 000 Ω)
D.滑动变阻器R1(最大电阻为10 Ω,额定电流为3.0 A)
E.滑动变阻器R2(最大电阻为500 Ω,额定电流为1.0 A)
F.热敏电阻RL(60 °C时阻值在20~30 Ω之间)
G.电阻箱(0~999.9 Ω)。
①为了更准确测定阻值,滑动变阻器应选择　　　　(填仪器符号),电路图应选择　　(选填“甲”或“乙”)。
②利用加热装置对热敏电阻加热至60 °C,保持温度不变,滑动滑动变阻器的滑片,得到电压表和电流表的多组数据,并画出了I-U图像,由图像可得RL=　　　Ω(结果保留三位有效数字)。
(2)调试报警器。
①按照图丁连接器材,已知报警器报警最低电流为0.02 A,功率极小,电源为可调电源,内阻不计,调试时输出电压为3 V。
②在常温下,闭合开关S1,开关S2接通b,再将电阻箱的阻值调为　　　Ω,然后滑动变阻器从c向d滑动,直至报警器发出警报,再将开关S2接通a,报警器调试完成。此步骤有三种滑动变阻器可供选择,应选择　　　(选填“R3”“R4”或“R5”,R3的最大阻值为50 Ω,R4的最大阻值为100 Ω,R5的最大阻值为200 Ω,三者的额定电流都为1.0 A)。
(3)实验中发现达到60 °C时,报警器仍没发出警报,在排除仪器故障的前提下,为了保证准确发出警报,在调试中可采取哪些措施(请列举一条)
　　　　　　　　　　　　　。
【答案】(1)①R1　乙　②25.0 (2)25.0　R5
(3)调小滑动变阻器阻值或增大电源输出电压
【解析】(1)①为了方便调节,滑动变阻器选阻值范围小的R1。
②60 °C时阻值在20~30 Ω之间,所以R<=Ω=100Ω,
所以电流表采用外接法,测量较准确,故选乙图。
③通过画出的I-U图像可得RL==Ω=25 Ω。
(2)①观察图乙,调试时,电阻箱的作用是用来等效60°C时的热敏电阻,故电阻箱的阻值要调成25 Ω。
②电路中最大电阻R==Ω=150 Ω,滑动变阻器的最大电阻R'=R-RL=125 Ω,所以滑动变阻器应选择R5。
(3)实际调试中,电源有一定的内阻,故可采取调小滑动变阻器阻值或增大电源输出电压。
考点五　电学创新拓展类问题
1.对实验目的(原理)的创新考查
在高考的电学实验中, 并不仅仅测量电阻的阻值或测定电源的电动势和内阻, 有时可能会测定二极管的导电特性、电容器的充、放电规律等。处理此类问题时, 首先要掌握被测实验器材的电学特性, 其次要熟练把握控制电路、测量电路的特点。
【例12】小明同学想探究多用电表欧姆调零电阻阻值的最大调节范围,他进行了以下实验操作:
(1)小明首先调节旋钮　　　(选填“A”“B”或“C”)使指针指到图乙中a位置;
(2)将电阻箱的阻值调到最大,并按图甲连接好电路,此时电阻箱接线柱P的电势比Q　　　(选填“高”或“低”);
(3)将旋钮C拨到电阻“ × 1”挡,并将旋钮B顺时针旋转到底(此时欧姆调零电阻的阻值最小),然后调节电阻箱的阻值,直至表盘指针指到电流满偏刻度值处,读出此时电阻箱的阻值为R1;继续调节电阻箱的阻值,直至表盘指针指到图乙中的b处,读出此时电阻箱的阻值为R2;则此时该多用电表电阻“× 1”挡的总内阻为　　　(用R1和R2表示);
(4)最后将旋钮B逆时针旋转到底(此时欧姆调零电阻的阻值最大),并将电阻箱的阻值调到0,此时电表指针指到图乙中的c处,则此时流过表头的电流与满偏电流的比值为　　　;
(5)该多用电表欧姆调零电阻阻值最大值和最小值的差为　　　(用R1和R2表示)。
【答案】(1)A　(2)低　(3)R2 - 2R1　(4)　(5)
【解析】(1)要让多用电表指针指在表盘最左侧零刻度位置,应进行机械调零,故选A。
(2)由于选择的是多用电表的电阻挡,则黑表笔接的是多用电表内部电源的正极,则Q端电势高,即接线柱P的电势比Q低。
(3)根据欧姆表的测电阻原理有E = I(R0 + Rx),其中R0为欧姆表在该挡位时的内部总电阻,Rx为待测电阻。由上式可知接入不同的Rx有不同的I值,则根据I和Rx的对应关系可在表头上把不同的电流对应的电阻值标出来,即制作出欧姆表表盘,根据以上分析,当表盘指针指到电流满偏刻度值处,读出此时电阻箱的阻值为R1,有E = Ig(R0 + R1),当表盘指针指到图乙中的b处,读出此时电阻箱的阻值为R2,有E=(R0+R2),整理有R0 = R2 - 2R1。
(4)将旋钮B逆时针旋转到底(此时欧姆调零电阻的阻值最大),并将电阻箱的阻值调到0,此时电表指针指到图乙中的c处时,由图知此时流过表头的电流为Ig,则此时流过表头的电流与满偏电流的比值为。
(5)当电表指针指到图乙中的c处有E=R'0,综上该多用电表欧姆调零电阻阻值最大值和最小值的差为R'0-R0=。
2.对实验器材的创新考查
在测量电表的内阻时, 要把电表当作能读数的电阻, 充分利用待测电表自身的测量功能, 即电流表可测定通过自身的电流, 电压表可测定自身两端的电压, 不需要其他的电表来测量。
【例13】某兴趣学习小组根据所学的电学原理,利用相同的器材,自制了以下不同的电子秤。实验器材有:
A.直流电源(电动势为E=3.0 V,内阻为r=0.5 Ω);
B.理想电压表V(量程为3.0 V):限流电阻R0=9.5 Ω;
C.竖直固定的滑动变阻器R(总长l=10.0 cm,总阻值R=20.0 Ω);
D.电阻可忽略不计的弹簧,下端固定于水平地面,上端固定秤盘且与滑动变阻器R的滑动端连接,滑片接触良好且无摩擦(弹簧劲度系数k=103 N/m);
E.开关S以及导线若干。(重力加速度g取10 m/s2,不计摩擦和其他阻力)
实验步骤如下。
①两种电子秤,托盘中未放被测物前,滑片恰好置于滑动变阻器的最上端,电压表的示数均为零。
②两种电子秤,在弹簧的弹性限度内,在托盘中轻轻放入被测物,待托盘静止平衡后,当滑动变阻器的滑片恰好处于下端b处,此时均为电子秤的最大称
重。
请回答下列问题(所有计算结果保留一位小数)。
(1)两种电子秤,当滑动变阻器的滑片恰好置于最下端时,电压表的示数均为　　　V;该电子秤的最大可测质量均为　　　 kg。
(2)当电压表的指针刚好指在表盘刻度的正中间时,如左图所示的第一套方案电子秤测得质量为m1=　　　 kg。如右图所示的第二套方案电子秤测得质量为m2=　　　 kg。
(3)第　　　(选填“一”或“二”)套方案更为合理,因为电压表读数U与物体质量m呈线性关系,电压表改装的电子秤刻度　　　(选填“是”或“不是”)均匀的。
【答案】(1)2.0　10.0　(2)7.5　5　(3)一　是
【解析】(1)滑动变阻器的滑片恰好置于最下端时,由欧姆定律可得U=R=×20 V=2.0 V,由受力平衡可得mmaxg=kl,解得电子秤的最大可测质量为mmax== kg=10.0 kg。
(2)当电压表的指针刚好指在表盘刻度的正中间时,电压表读数U=1.5 V,
如左图所示的第一套方案,根据闭合电路欧姆定律可得U=·R,由平衡条件可得m1g=kx1,联立解得m1=7.5 kg。
如右图所示的第二套方案,设滑动变阻器R接入电路的阻值为Rx,根据闭合电路欧姆定律可得U=Rx,解得Rx=10 Ω,又Rx=R,
由平衡条件可得kx2=m2g,联立解得m2=5 kg。
(3)左边方案一,根据闭合电路欧姆定律可得U=·R,又mg=kx,
联立可得U=;U与m成线性关系,电子秤刻度均匀;右边方案二,根据闭合电路欧姆定律可得U=Rx,又Rx=R,mg=kx,联立可得U=;U与m不成线性关系,电子秤刻度不均匀;故方案一更合理,电压表示数与物体的质量m成正比,电压表改装的电子秤刻度是均匀的,便于测量。
3.对数据处理的创新考查
在实验中, 数据处理的常用方法有公式法、列表法、图像法、逐差法等,恰当的数据处理方法可以提高实验的准确程度、减少测量误差、节约解题时间。
【例14】李华同学查阅资料:某金属在0~100 ℃内电阻值Rt与摄氏温度t的关系为Rt=R0,其中R0为该金属在0 ℃时的阻值,α为温度系数(为正
值)。李华同学设计图甲所示电路以测量该金属的电阻R0和α的值。可提供的实验器材有:
A.干电池(电动势约为1.5 V,内阻不计)
B.定值电阻R1(阻值为1 kΩ)
C.定值电阻R2(阻值为800 Ω)
D.滑动变阻器RP1(阻值范围0~40 Ω)
E.滑动变阻器RP2(阻值范围0~4 kΩ)
F.电流计G(量程0~200 μA,内阻约500 Ω)
G.电阻箱R(最大阻值为9 999.9 Ω)
H.摄氏温度计
I.沸水和冷水各一杯
J.开关两个及导线若干
请回答下列问题。
(1)滑动变阻器应选用　　　　　(选填“RP1”或“RP2”),开关S1闭合前,滑动变阻器的滑片移到　　　　　(选填“a”或“b”)端。
(2)闭合开关S1,将滑动变阻器调到合适的阻值,再调节电阻箱的阻值,当电阻箱的示数为360.0 Ω时,此时发现闭合开关S2前、后电流计G的示数没有变
化,则电流计G的内阻为　　　　　Ω。
(3)利用上述电流计G及电路测量该金属的电阻R0和α值的步骤如下:
①断开开关S1、S2,将R2取下换成该金属电阻,并置于沸水中;
②闭合开关S1,读出电流计G的示数;闭合开关S2,调节电阻箱的阻值,直至闭合开关S2前、后电流计G的示数没有变化,记下此时电阻箱的示数R和水的温度t;
③多次将冷水倒一点到热水中,重复步骤②,可获得电阻箱的示数R和温度t的多组数据;
(4)以电阻箱的示数R为纵轴,温度t为横轴,作出的图像如图乙所示,则该金属电阻在0 ℃时的阻值为　　　　　Ω,温度系数为　　　　　℃-1。(结果用
a、b、c表示)
【答案】(1)RP2　a　(2)450　(3)a　
【解析】(1)S1闭合、S2断开时,干路中的最大电流约I=Ig+=575 μA,
滑动变阻器两端的电压最小值约为1.5 V-×0.2 mA=1.2 V,
滑动变阻器的最小电阻约为Rmin=≈2 kΩ,滑动变阻器应选用RP2。
为了保护电流计G不被损坏,开关S1闭合前,应将滑动变阻器的滑片向下移动到a端。
(2)闭合S2前、后电流计G的示数没有变化,则电流计G中的电流与R1的电流相等,R中的电流与R2中的电流相等,R1与R2两端的电压相等,电流计G与R两端的电压相等,可得电流计的内阻Rg=R=×360 Ω=450 Ω。
(4)将R2取下换成该金属电阻的情况下,同理可得Rt=R=R,
由图乙得R=t+a,即Rt=t+a,又Rt=R0=R0αt+R0,
则R0α=,R0=α,解得α=。
1.(2023·广东卷)某兴趣小组设计了测量盐水电导率的实验。所用器材有:电源E(电动势恒定,内阻可忽略);毫安表mA(量程15 mA,内阻可忽略);电阻R1(阻值500 Ω)、R2(阻值500 Ω)、R3(阻值600 Ω)和R4(阻值200 Ω);开关S1和S2;装有耐腐蚀电极板和温度计的有机玻璃样品池;导线若干。请完成下列实验操作和计算。
(1)电路连接
图(a)为实验原理图.在图(b)的实物图中,已正确连接了部分电路,只有R4一端的导线还未连接,该导线应接到R3的　　　　(选填“左”或“右”)端接线柱。
(2)盐水电导率和温度的测量
①测量并记录样品池内壁的长宽高。在样品池中注满待测盐水。
②闭合开关S1,　　　　开关S2,毫安表的示数为10.0 mA,记录此时毫安表的示数;计算得到流过样品池的电流I1为　　　　mA
③　　　　开关S2,毫安表的示数为15.0 mA,记录此时毫安表的示数。计算得到流过样品池的电流I2为　　　　mA。
右
断开
40.0
闭合
60.0
④断开开关S1,测量并记录盐水的温度。
(3)根据上述数据,计算得到样品池两电极板间待测盐水的电阻为
　　　　Ω,进而可求得该温度时待测盐水的电导率。
100
【详解】(1)根据图(a)的电路可知,R4一端的导线应接到R3的右端接线柱。
(2)②闭合开关S1,断开开关S2,毫安表的示数为10.0 mA, 则通过电阻R4的电流为I4=,
根据电路构造可知,流过样品池的电流为
I1=I3+I4=40.0 mA。
③闭合开关S2,毫安表的示数为15.0 mA,
则流过R4的电流为I'4=,
流过样品池的电流I2为I2=I'3+I'4=60.0 mA。
(3)设待测盐水的电阻为R0,根据闭合电路欧姆定律,
开关S2断开时,E=I1,
开关S2闭合时,E=I2,
代入数据解得R0=100 Ω。
2.(2024·广东卷)某科技小组模仿太阳能发电中的太阳光自动跟踪系统,制作光源跟踪演示装置,实现太阳能电池板方向的调整,使电池板正对光源。图甲是光照方向检测电路。所用器材有:电源E(电动势3 V)、电压表(V1)和(V2)(量程均有3 V和15 V,内阻均可视为无穷大)、滑动变阻器R、两个相同的光敏电阻RG1和RG2、开关S、手电筒、导线若干。图乙是实物图。图中电池板上垂直安装有半透明隔板,隔板两侧装有光敏电阻,电池板固定在电动机转轴上。控制单元与检测电路的连接未画出。控制单元对光照方向检测电路无影响。请完成下列实验操作和判断。
(1)电路连接。
图乙中已正确连接了部分电路,请完成虚线框中滑动变阻器R、电源E、开关S和电压表V间的实物图连线。
见解析图
(2)光敏电阻阻值与光照强度关系测试。
①将图甲中R的(2)光敏电阻阻值与光照强度关系测试。
①将图甲中R的滑片置于　　端。用手电筒的光斜照射到RG1和RG2,使RG1表面的光照强度比RG2表面的小。
②闭合S,将R的滑片缓慢滑到某一位置。V1的示数如图丙所示,读数U1为
　　 V,U2的示数为1.17 V。由此可知,表面光照强度较小的光敏电阻的阻值　 　(选填“较大”或“较小”)。
③断开S。
b
1.60
较大
(3)光源跟踪测试。
①将手电筒的光从电池板上方斜照射到RG1和RG2。
②闭合S,并启动控制单元,控制单元检测并比较两光敏电阻的电压,控制电动机转动。此时两电压表的示数U1逆时针
U1=U2
【详解】(1)电路连线如图所示。
(2)①为了保证电路的安全,实验开始前要使光敏电阻两端电压尽可能小,则R的滑片需置于b端。
②电压表U1量程为3 V,最小刻度为0.1 V,则读数为1.60 V;电压表U1比电压表U2的示数大,说明RG1>RG2,由此可知表面光照强度较小的光敏电阻的阻值较大。
(3)电压表的示数U13.(2023·湖南卷)某探究小组利用半导体薄膜压力传感器等元件设计了一个测量微小压力的装置,其电路如图(a)所示,R1、R2、R3为电阻箱,RF为半导体薄膜压力传感器,C、D间连接电压传感器(内阻无穷大)
(1)先用欧姆表“×100”挡粗测RF的阻值,示数如图b所示,对应的读数是
　 　Ω;
(2)适当调节R1、R2、R3,使电压传感器示数为0,此时RF的阻值为　　 (用R1、R2、R3表示);
(3)依次将0.5 g的标准砝码加载到压力传感器上(压力传感器上所受压力大小等于砝码重力大小),读出电压传感器示数U,所测数据如下表所示:
实验次数 1 2 3 4 5 6
砝码质量m/g 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
电压U/mV 0 57 115 168 220 280
1000
根据表中数据在图(c)上描点,绘制U-m关系图线:
见解析图
(4)完成前面三步的实验工作后,该测量微小压力的装置即可投入使用。在半导体薄膜压力传感器上施加微小压力F0,电压传感器示数为200 mV,则F0大小是　　 N(重力加速度g取9.8 m/s2,结果保留2位有效数字);
(5)若在步骤(4)中换用非理想毫伏表测量C、D间电压,在半导体薄膜压力传感器上施加微小压力F1,此时非理想毫伏表读数为200 mV,则F1　 　(填“>”“=”或“<”)F0。
1.7×10-2
>
【详解】(1)欧姆表读数为10×100 Ω=1 000 Ω。
(2)当电压传感器读数为零时,C、D两点电势相等,即UCB=UDB,即RF=R3,解得RF=。
(3)绘出U-m图像如图所示。
(4)由图像可知,当电压传感器的读数为200 mV时,
所放物体质量为1.75 g,则
F0=mg=1.75×10-3×9.8 N=1.7×10-2 N。
(5)可将C、D以外的电路等效为新的电源,电动势E',内阻r',C、D两点电压看作路端电压,因为换用非理想电压传感器时内阻不是无穷大,此时电压传感器读数U'=,当读数为U'=200 mV时,实际C、D间断路(接理想电压传感器时)时的电压等于E'大于200 mV,则此时压力传感器的读数F1>F0。
4.(2022·广东卷)弹性导电绳逐步成为智能控制系统中部分传感器的敏感元件,某同学测量弹性导电绳的电阻与拉伸后绳长之间的关系,实验过程如
下。
(1)装置安装和电路连接:如图(a)所示,导电绳的一端固定,另一端作为拉伸
端,两端分别用带有金属夹A、B的导线接入如图(b)所示的电路中。
(2)导电绳拉伸后的长度L及其电阻Rx的测量。
①将导电绳拉伸后,用刻度尺测量并记录A、B间的距离,即为导电绳拉伸后的长度L。
②将滑动变阻器R的滑片滑到最右端,断开开关S2,闭合开关S1,调节R,使电压表和电流表的指针偏转到合适位置,记录两表的示数U和I1。
③闭合S2,电压表的示数　　　　　(选填“变大”或“变小”)。调节R使电压表的示数仍为U,记录电流表的示数I2,则此时导电绳的电阻Rx = 　　　　　(用I1、I2和U表示)。
④断开S1,增大导电绳拉伸量,测量并记录A、B间的距离,重复步骤②和③。
变小
　
(3)该电压表内阻对导电绳电阻的测量值　　　(选填“有”或“无”)影响。
(4)图(c)是根据部分实验数据描绘的Rx-L图线。将该导电绳两端固定在某种机械臂上,当机械臂弯曲后,测得导电绳的电阻Rx为1.33 kΩ,则由图线可读出导电绳拉伸后的长度为　　　　　cm,即为机械臂弯曲后的长度。
无
51.80
【详解】(2)③闭合S2后,并联部分的电阻减小,根据闭合电路欧姆定律,电压表的示数变小。
加在导电绳两端的电压为U,流过导电绳的电流为I2—I1,因此导电绳的电阻Rx=。
(3)在闭合S2之前,电流表I1的示数包括定值电阻的电流和电压表分得的电流,闭合S2之后,加在电压表两端的电压保持不变,因此流过电压表和定值电阻的总电流仍为I1,故流过导电绳的电流是I2—I1,与电压表内阻无关,电压表内阻对测量没有影响。
(4)由图(c)可知,导电绳拉伸后的长度为51.80 cm。
5.(2024·河北卷)某种花卉喜光,但阳光太强时易受损伤。某兴趣小组决定制作简易光强报警器,以便在光照过强时提醒花农。该实验用到的主要器材如下:学生电源、多用电表、数字电压表、数字电流表、滑动变阻器R(最大阻值50 Ω,1.5 A)、白炽灯、可调电阻R1、发光二极管LED、光敏电阻RG、NPN型三极管VT、开关和若干导线等。
(1)判断发光二极管的极性
使用多用电表的“×10 k”欧姆挡测量二极管的电阻。如图1所示,当黑表笔与接线端M接触、红表笔与接线端N接触时,多用电表指针位于表盘中a位置(见图2);对调红、黑表笔后指针位于表盘中b位置(见图2),由此判断M端为二极管的　　　　　　(选填“正极”或“负极”)。
负极
(2)研究光敏电阻在不同光照条件下的伏安特性
①采用图3中的器材进行实验,部分实物连接已完成。要求闭合开关后电压表和电流表的读数从0开始。导线L1、L2和L3的另一端应分别连接滑动变阻器的　　　　　　、　　　　　　、　　　　　　接线柱(以上三空选填接线柱标号“A”“B”“C”或“D”)。
A　
A　
D或C
②图4为不同光照强度下得到的光敏电阻伏安特性曲线,图中曲线Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ对应光敏电阻受到的光照由弱到强。由图像可知,光敏电阻的阻值随其表面受到光照的增强而　　　　　　(选填“增大”或“减小”)。
图4
减小
(3)组装光强报警器电路并测试其功能图5为利用光敏电阻、发光二极管、三极管(当b、e间电压达到一定程度后,三极管被导通)等元件设计的电路。组装好光强报警器后,在测试过程中发现,当照射到光敏电阻表面的光强达到报警值时,发光二极管并不发光,为使报警器正常工作,应　　　　　　(选填“增大”或“减小”)可调电阻R1的阻值,直至发光二极管发光。
增大
【详解】(1)根据欧姆表结构,使用时欧姆表黑表笔接内部电源正极,故当黑表笔接M端,电阻无穷大,说明二极管反向截止,即连接电源负极。
(2)①题干要求电压表、电流表读数从零开始,所以滑动变阻器采用分压式接法连接电路,故L1、L2接滑动变阻器A接线柱,L3必须接在金属杆两端接线柱任意一个,即C或D。
另若L1接金属杆两端接线柱任意一个,即C或D,L2接滑动变阻器A接线柱,L3接滑动变阻器B接线柱也符合题意。
②由图像可知,随光照强度增加,I-U图像斜率增大,所以电阻减小。
(3)三极管未导通时,RG与串联。随着光强增强,RG电阻减小,此时三极管仍未导通,说明分压小,故需要增大。
6.(2023·福建卷)某同学用图(a)所示的电路观察矩形波频率对电容器充放电的影响。所用器材有:电源、电压传感器、电解电容器C(4.7 μF,10 V),定值电阻R(阻值2.0 kΩ)、开关S、导线若干。
(1)电解电容器有正、负电极的区别。根据图(a),将图(b)中的实物连线补充完整。
见解析图
(2)设置电源,让电源输出图(c)所示的矩形波,该矩形波的频率为　　　Hz。
40
(3)闭合开关S,一段时间后,通过电压传感器可观测到电容器两端的电压UC随时间周期性变化,结果如图(d)所示,A、B为实验图线上的两个点。在B点时,电容器处于　　　　(选填“充电”或“放电”)状态在　　　　(选填“A”或“B”)点时,通过电阻R的电流更大。
充电
B
(4)保持矩形波的峰值电压不变,调节其频率,测得不同频率下电容器两端的电压随时间变化的情况,并在坐标纸上作出电容器上最大电压Um与频率f关系图像,如图(e)所示。当f=45 Hz时电容器所带电荷量的最大值Qm=
　　　　 C(结果保留两位有效数字)。
(5)根据实验结果可知,电容器在充放电过程中,其所带的最大电荷量在频率较低时基本不变,而后随着频率的增大逐渐减小。

1.8×10-5
【详解】(1)根据电路图连接实物图,如图所示。
(2)由图(c)可知周期T=25×10-3 s,
所以该矩形波的频率为f==40 Hz。
(3)由图(d)可知,B点后电容器两端的电压慢慢增大,即电容器处于充电状态;从图中可得出,A点为放电快结束阶段,B点为充电开始阶段,所以在B点时通过电阻R的电流更大。
(4)由图(e)可知当f=45 Hz时,电容器此时两端的电压最大值约为Um=3.75 V,
根据电容的定义式C=得,此时电容器所带电荷量的最大值为Qm=CUm=4.7×10-6×3.75 C≈1.8×10-5 C。
专题集训(二十)　电学实验
1.测电阻有多种方法。
(1)甲同学用多用电表测量一电阻的阻值,他选用电阻挡的倍率为“×100”,某次测量指针偏转情况如图1所示。该电阻的测量值为　　　Ω。如果用此多用电表测量一个阻值约为20 kΩ的电阻,为了使测量结果比较精确,应选用电阻挡的倍率为　　　(选填“×10”“×100”或“×1 k”)。
1200
×1 k　
(2)乙同学用“伏安法”测量电阻Rx的部分实验电路如图2所示。某次测量时,电压表和电流表的示数分别为U和I,则电阻Rx的测量值可表示为　　　　;已知电压表的内阻为RV,则电阻Rx的真实值可表示为　 　　　。
　
(3)丙同学用如图3所示的电路测量电流计的内阻,实验步骤如下:①按电路图连接好实验电路,调节滑片P使滑动变阻器接入电路的阻值最大;②将S1闭
合、S2断开,调节R1,使电流计满偏:③闭合S2,保持R1不变,调节电阻箱电阻,当电阻箱阻值为R0时,电流计刚好半偏。则电流计内阻的测量值为　　　　;测量值与真实值相比　　　　(选填“偏小”或“偏大”)。
R0　
偏小
(4)丁同学设计了如图4所示的电路测未知电阻Rx。将Rx与另外两个已知阻值的定值电阻R1、R2和电阻箱R3相连接,M、N两点接检流计(可以检测微小电流)。闭合开关S,调节电阻箱的阻值,使检流计示数为0,此时通过R1与Rx、R2与R3电流相等。则待测电阻Rx=　　 　。
R3
【解析】(1)电阻的测量值为指针示数乘以倍率,指针指在的12位置,倍率为“×100”,所以测量值为12×100=1200 Ω;
测量阻值约为20 kΩ的电阻时,为使指针指在表盘中央附近测量更精确,应选用“×1 k”的倍率。
(2)根据欧姆定律R=,所以电阻的测量值为Rx=;
电压表与Rx并联,电压表的分流为IV=,则通过Rx的真实电流Ix=I-,那么Rx的真实值为。
(3)闭合S1、断开S2时,调节R1使电流计满偏,设满偏电流为Ig。闭合S2,保持R1不变,此时电流计半偏,说明通过电阻箱的电流也为,根据并联电路电压相等,可得电流计内阻的测量值等于电阻箱阻值R0;
闭合S2后,总电阻减小,总电流增大,大于原来的满偏电流Ig,而电流计中电流为,则通过电阻箱的电流大于,根据R=,可知测量值比真实值偏小。
(4)当检流计示数为0时,说明M、N两点电势相等。此时,根据串联电路分压原理,因为通过R1与Rx、R2与R3电流相等,设通过R1与Rx的电流为I1,通过R2与R3的电流为I2,且I1=I2,则R1两端的电压U1=I1R1,R2两端的电压U2=I2R2,Rx两端的电压Ux=I1Rx,R3两端的电压U3=I2R3,又因为U1=U2,Ux=U3,所以I1R1=I2R2,I1Rx=I2R3,进而推出Rx=R3。
2.某实验小组测量一个未知电阻的阻值,进行了如下操作步骤:
(1)先用多用电表粗测电阻,欧姆表的电路简图如图甲所示,将　　　(选填“红表笔”或“黑表笔”)插入a插孔,将另一表笔插入b插孔。
黑表笔
(2)将选择开关拨至“×10”挡,进行欧姆调零后,将两表笔接待测电阻两端,发现指针偏转角度过小,此时应选　　　(选填“×1”“×10”或“×100”)挡,重新进行测量,按照正确的操作后,示数如图乙所示,该电阻的阻值为　　　Ω。
(3)再采用如图丙所示的电路精确测量该电阻Rx的阻值。闭合开关,将滑动变阻器滑片置于合适位置。调节R3,当灵敏电流计G中的电流为　　　(选填“满偏”“半偏”或“0”)时,电阻箱R3的读数为1080.0 Ω。
(4)已知定值电阻R1=30.0 Ω,R2=50.0 Ω,计算出Rx=　　　Ω。
×100
1900
0
1800.0
【解析】(1)黑表笔与电源正极相连。欧姆表的电路简图如题图甲所示,将黑表笔插入a插孔,将另一表笔插入b插孔。
(2)将选择开关拨至“×10”挡,进行欧姆调零后,将两表笔接待测电阻两端,发现指针偏转角度过小,表明待测电阻阻值较大,此时应选“×100”挡,重新进行测量;电阻的阻值为Rx=19×100 Ω=1900 Ω。
(3)调节R3,当灵敏电流计G中的电流为0时,电阻箱R3的读数为1080.0 Ω。
(4)待测电阻的阻值为=,解得Rx=1800.0 Ω。
3.某兴趣小组修复一个电流表,实验过程如下:
(1)拆开电流表,取出表头G,发现表头完好无损,用标准电表测出表头G满偏电流为3 mA。
(2)测量表头G的内阻:按照如图1所示电路图连接电路,闭合开关前,滑动变阻器滑片应移到　　　　 (填“a端”或“b端”),先闭合开关S1,调节　　　　 ,
直至表头G指针满偏;再闭合开关S2,保持滑动变阻器阻值不变,仅调节电阻箱阻值,直至表头G示数为满偏示数的一半,此时电阻箱的示数如图2所示,则表头G的内阻为　　　　 Ω。
a端
滑动变阻器
10
(3)电流表内部电路设计如图3所示,其中R1=15 Ω,R3=0.10 Ω,但R2已损坏,请根据电流表3 A的量程,推算损坏之前R2=　　　　 Ω。(结果保留两位有效数字)
(4)选取相应的电阻替换R2,重新安装好电表。由于步骤(2)测电阻存在一定的误差,则该修复后的电表测量出的电流值比实际值　　　　 。(填“偏大”“偏小”或“准确”)
0.025　
偏小
【解析】(2)闭合开关前,滑动变阻器接入电路电阻应最大保护电路,即滑片应移到a端。实验过程中,先闭合开关S1,调节滑动变阻器,直至表头G指针满偏。再闭合开关S2,保持滑动变阻器阻值不变,仅调节电阻箱阻值,直至表头G示数为满偏示数的一半,此时认为干路电流仍为Ig,则有IgRg=IgR0,由题图2可得Rg=R0=1×10 Ω=10 Ω。
(3)由题图3,根据欧姆定律有Ig=R2,解得R2≈0.025 Ω。
(4)由于步骤(2)测电阻时,实际干路电流大于Ig,则通过电阻箱的电流大于Ig,则电阻箱电阻小于表头G的内阻,即所测表头G的内阻偏小,则修复后的电表实际量程大于3 A,则电表测量出的电流值比实际值偏小。
4.导电漆是将金属粉末添加于特定树脂原料中制作而成的能导电的喷涂油漆。现有一根用导电漆制成的截面为正方形的细长样品(固态),某同学欲测量其电阻率,设计了如图(a)所示的电路图,实验步骤如下:
a.测得样品截面的边长a=0.20 cm;
b.将平行排列的四根金属探针甲、乙、丙、丁与样品接触,其中甲、乙、丁位置固定,丙可在乙、丁间左右移动;
c.将丙调节至某位置,测量丙和某探针之间的距离L;
d.闭合开关S,调节电阻箱R的阻值,使电流表示数I = 0.40 A,读出相应的电压表示数U,断开开关S;
e.改变丙的位置,重复步骤c、d,测量多组L和U,作出U-L图像如图(b)所示,得到直线的斜率k。
回答下列问题:
(1)L是丙到　　　　　 (填“甲”“乙”或“丁”)的距离;
(2)写出电阻率的表达式ρ= 　　　　　(用k、a、I表示);
(3)根据图像计算出该样品的电阻率ρ = 　　　　 Ω·m(保留两位有效数字)。
乙
6.5 × 1
【解析】(1)由于电压表测量的是乙、丙之间的电压,则L是丙到乙的距离。
(2)根据电阻定律有R=ρ,再根据欧姆定律有R=,联立有U=L,则ρ=。
(3)根据图像可知k=6.5 V/m,则根据(2)代入数据有ρ=6.5 × 1 Ω·m。
5.小明同学在学习电容器的充放电特性后,利用电容器的充放电过程设计一个简易的延时开关电路,用于控制电路的通断时间,实验电路如图所示。
实验器材:电源 (电动势分别为E1、E2,内阻为零),电容器C、可调电阻R、二极管D、小灯泡L、开关S1、电磁继电器 (线圈通电后会吸住上方金属片使触点S2闭合从而控制灯泡电路),导线若干。
实验步骤:
①按图连接电路,闭合开关S1,电容器充电。触点S2逐渐吸合,小灯泡L亮起。
②断开开关S1,电容器通过电磁继电器的线圈放电。观察触点S2是否断开以及小灯泡L的亮灭情况。
通过上面的实验操作,完成以下问题:
(1)开关S1闭合时,下列描述正确的是　　 　　。
A.充电电流方向为逆时针
B.电容器电压随时间非线性增大,最终为E1
C.充电电流随时间线性减小,最终为0
D.充电结束后,可调电阻上的电压不为0
B
(2)开关S1断开后,电容器放电。当电容器电压下降到某一阈值U时,电磁继电器停止工作,触点S2断开。若电容器的电容为C,从S1断开到S2断开过程中,电容器放出的电荷量为　　　　 　 (用题中的符号表示)。
(3)在保证电磁继电器正常工作前提下,放电回路中可调电阻的电阻越
　　　　　 (填“大”或“小”),延时时间越长。
C　
大
【解析】(1)开关S1闭合时,因电源正极在上,负极在下,则充电电流方向为顺时针,故A错误;充电过程中,电容两端的电压逐渐增大,充电电流逐渐减小,电压和电流的变化均为非线性变化,充电结束后,电流减小为0,则可调电阻上的电压减小为0,电容器电压最终等于电源电动势E1,故B正确,CD错误。故选B。
(2)由题意,电容器放出的电荷量为q=CE1-CU=C。
(3)由于可调电阻的阻值越大,放电的电流越小,变化也越慢,则延时时间越长。
6.车辆运输中若存在超载现象,将带来安全隐患。由普通水泥和导电材料混合制成的导电水泥,可以用于监测道路超载问题。某小组对此进行探究。
(1)选择一块均匀的长方体导电水泥块样品,用多用电表粗测其电阻。将多用电表选择开关旋转到“×1 k”挡,正确操作后,指针位置如图1所示,则读数为　　　　　Ω。
8000
(2)进一步提高实验精度,使用伏安法测量水泥块电阻,电源E电动势6 V,内阻可忽略,电压表量程0~6 V,内阻约10 kΩ,电流表程0~600 μA,内阻约100 Ω。实验中要求滑动变阻器采用分压接法,在图2中完成余下导线的连接。
(3)如图2,测量水泥块的长为a,宽为b,高为c。用伏安法测得水泥块电阻为R,则电阻率ρ=　　　　　(用R、a、b、c表示)。
(2)见解析
　
(4)测得不同压力F下的电阻R,算出对应的电阻率ρ,作出ρ-F图像如图3所示。
(5)基于以上结论,设计压力报警系统,电路如图4所示。报警器在两端电压大于或等于3 V时启动,R1为水泥块,R2为滑动变阻器,当R2的滑片处于某位
置,R1上压力大于或等于F0时,报警器启动。报警器应并联在　　　　　(填“R1”或“R2”)两端。
(6)若电源E使用时间过长,电动势变小,R1上压力大于或等于F1时,报警器启动,则F1　　　　　(填“大于”“小于”或“等于”)F0。
R2
大于
【解析】(1)多用电表选择开关旋转到“×1 k”挡,故根据图1可知读数为8000 Ω;
(2)长方体导电水泥块样品的电阻Rx>,故采用电流表内接法;实验中要求滑动变阻器采用分压接法,故连接实物图如图
(3)根据电阻定律R=,可知ρ==。
(5)根据图3可知压力越大电阻率越小,即电阻越小;回路中电流增加,R2电压增加,R1电压减小,而报警器在两端电压大于或等于3 V时启动,故应将报警器并联在R2两端;
(6)电源电动势E减小,要使报警器启动,即R2两端电压要仍为3 V,根据串联分压有U2=E=E,可知E减小需要R1更小,又因为F越大R1越小,可知F1需要大于F0。