新课标2010高考物理二轮复习：专题十《实验（电学部分）》

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【专题十】实验（电学部分）
【考情分析】
电学实验是高考一定要考查的知识，与上述专题九相比，有过之而无不及，需要更加重视。特别是其中关于电阻的测量，重现率几乎100%，而其它实验，也基本上是由该实验为蓝本，故必须熟练掌握。应该注意的是，高考实验并不局限于教材中的学生实验，而是在此基础上，有所变化和创新，以考查学生的实验迁移能力、创新能力。由于电阻的测量方法多种多样，实验变化无穷，故题目年年翻新，角度也经常变化。纵观近几年的高考，电阻测定方法全面考察电学中电压表、电流表、欧姆表原理及应用，电路的选择，实验方法的选择，实验数据的处理方法。虽然实验的情景比较新颖，但实验试题中涉及的基本知识和实验技能的要求仍然立足于课本实验，即运用已学过的原理解决新的问题，这是高考改革的一个总的方向。
【知识交汇】　
1.考试大纲规定的电学学生实验包括：用描述法画出电场中平面上的等势线；测定金属的电阻率（同时练习使用螺旋测微器）；描绘小电珠的伏安特性曲线；把电流表改装为电压表；测定电源的电动势和内阻；用多用电表探索黑箱内的电学元件；练习使用示波器；传感器的简单应用。
2. 伏安法测电阻最根本的方法是利用欧姆定律，只要测出电阻两端的电压和通过电阻的电流强度即可得到电阻。器材选择的原则：所谓选择电学实验仪器实际上主要是电表、滑动变阻器、电源等器件的选择，其基本原则是安全、准确、方便。即保证测量值均不超过使用量程，同时使指针有较大偏转，以减少测读的误差；同时要根据电路中可能出现的电流或电压范围需选择滑动受阻器．
3. 电路的选择：伏安法测电阻时，电路分电流表内接法与外接法两种方式.由于电表内阻的影响，会给测量带来误差.但合理地选择内接或外接法有利于减小误差.①电流表外接法中由于电压表的分流作用（电流表的内阻对测量结果不产生影响），使得测量值R是被测电阻的真实值和电压表内阻的并联值，小于真实值．②电流表内接时则由于电流表的分压作用（电压表的内阻对测量结果不产生影响），使得测量值是被测电阻的真实值和电流表内阻的串联值，将大于真实值．一般地，在>时，即测量阻值较小的电阻时，电压表的分流作用小，采用电流表外接法．而在<时，即测量阻值较大的电阻时，电流表的分压作用小，采用电流表内接法．而当＝时，两种接法均可。
在实际中，我们往往通过求出临界电阻，并将待测电阻与之比较，采取“小外大内”的简捷结论进行处理。
4.控制电路的选择：变阻器的分压式接法与限流式接法是高考的热点，虽然两种电路均可调节负载电阻的电压和电流的大小，但在不同条件下，调节效果却不一样。关于分压电路和限流电路的选择，这里有几种情况需要特别注意：
①负载电阻的阻值Rx，小于变阻器的总电阻R或相差不多，且电压电流变化不要求从零调起时，可采用限流接法。
②若要求使某部分电路的电压或电流变化范围较大，且从零开始连续可调，此时必须用分压电路.
③如果实验提供的电压表、电流表的量程或电阻允许通过的最大电流较小，当采用限流接法时，无论怎样调节，电路中的电流还是会超过最大电流，这时也要用分压接法.
④若负载电阻的阻值Rx远大于变阻器总电阻R，调节变阻器几乎不起作用，须用分压电路。
⑤两种电路均可使用的情况下，应优先采用限流式接法，因为限流接法总功耗较小。在分压接法中，变阻器应选择电阻较小而额定电流较大的.在限流电路中，变阻器的阻值应与电路中的其他电阻比较接近。
【思想方法】
【例1】用多用表的欧姆挡“×10Ω”挡测量一个电阻的阻值，发现表的指针偏转角度极小，为了准确测定该电阻的阻值，正确的判断和做法是 （ ）
A、这个电阻的阻值肯定也是极小的
B、应把选择开关换到“×1Ω”挡，将欧姆表重新调零后再进行测量
C、应把选择开关换到“×100Ω”挡，将欧姆表重新调零后再进行测量
D、为了使测量值比较准确，应该用两手分别将两表笔与待测电阻两端紧紧捏在一起，使表笔与待测电阻接触良好
【解析】多用表是利用电流表改装而成的，在表头上串联一个较大的电阻分压即可成为电压表；而在表头上并联一个较小的电阻分流即可成为大量程的电流表。当将表头与电池、可变电阻串联后即可成为欧姆表，即欧姆档实际上是根据欧姆定律测量电阻的。测量电阻较小时电流较大，表的指针偏转角度较大；电阻较大时电流较小，表的指针偏转角度较小，故发现表的指针偏转角度极小时，肯定是电阻很大，所以应把选择开关换到“×100Ω”挡，且将欧姆表重新调零后再进行测量方可，故选项A 、B不正确；为了使测量值比较准确，应该使表笔与待测电阻接触良好，但不能用两手分别将两表笔与待测电阻两端紧紧捏在一起，这样将造成测量的阻值偏小，因此本题正确答案为C。
【例2】用多用电表的欧姆表检测晶体二极管的好坏。
（1）将表笔c、d分别与二极管a、b端接触结果如图A所示。
（2）对调表笔所接触的端点，再进行上述检测，若结果如图B所示，则可判定此二极管是_______的，若结果如图C所示，则可以判定该二极管是__________的。
（3）可以判定，完好的二极管的a端是________极，b端是________极。
【解析】用多用电表中的欧姆挡检查良好的晶体二极管时，表的指针向右偏转的角度很小，这说明此时红表笔接的是二极管的正极，当将红、黑色表笔交换时，表的指针向右偏转的角度应较大。故本题的空白中答案依次为好、坏、负、正。
【例3】某同学为了较精确的测量一阻值约为20Ω的电阻Rx的阻值.
①在以下备选器材中电流表应选__________,电压表应选_______,变阻器应选_________.（只填写器材对应的字母代号）
电源E（电动势3 V、内阻可忽略不计）
电流表A1（量程50 mA，内阻约12Ω）
电流表 A2（量程3 A， 内阻约0.12 Ω）
电压表V1（量程3 V，内阻约3 kΩ）
电压表V2（量程15 V，内阻约15 kΩ）
滑动变阻器R1（0～10 Ω，允许最大电流2.0 A）
滑动变阻器R2（0～1000 Ω，允许最大电流0.5 A）
定值电阻R（30Ω，允许最大电流1.0A）
开关及导线若干
②请在方框中画出实验电路图（要求直接测量量的变化范围尽可能大一些，所选器材用对应符号标出）。
③若某次测量中，电压表读数为U，电流表读数为I，则计算待测电阻的阻值表达式为Rx＝________________。
【解析】测量电阻的阻值一般利用伏安法，电压表显然应选量程为3 V 的V1；根据欧姆定律容易求得电路中的最大电流，显然超过了电流表A1 50 mA的量程，但电流表 A2的量程又太大，故我们可以将定值电阻R（30Ω）与待测电阻Rx相串联，此时电路中的最大电流，利用电流表A1 测量电流即可。
由于要求直接测量量的变化范围尽可能大一些，故只能采用分压电路，且滑动变阻器使用电阻较小的R1。
最后我们确定电流表的解法：由于此时电路的临界电阻，则应该利用电流表的外接法。由此得到实验电路图如图所示，当电压表读数为U，电流表读数为I，则计算待测电阻的阻值表达式.
【例4】从下表中选取出适当的实验器材，设计一电路来测量电流表A1的内阻r1，画在下面的方框中，要求方法简捷，有尽可能高的精确度，并能测出多组数据。
器材(代号) 规格
电流表（A1） 量程10mA，内阻r1待测（约40Ω）
电流表（A2） 量程500μA，内阻r2=750Ω
电压表（V） 量程10V，内阻r3=10kΩ
电阻（R1） 阻值约100Ω，作保护电阻用
滑动变阻器（R2） 总阻值约50Ω
电池（E） 电动势1.5V，内阻很小
电键（S）
导线若干
【解析】要测量电流表A1的内阻，按常规思想应用伏安法，将电压表并联在待测电流表两端，但根据本题所提供的仪器，我们可以首先肯定，在本实验中不可能用到电压表，因为电源的电动势只有1.5V，而电压表的量程为10V，最多不到满偏的1/6，用它来读数误差太大，因此该实验能用到的电表只可能用两块电流表。
两块电流表有可能串联，也有可能并联，但题目中电流表A2的内阻r2已知，因此将两电流表并联，根据并联规律I1r1=I2r2可求出电流表A1的内阻r1=。
加在电流表两端的电压最大值Um=Imr2=0.375V，而滑动变阻的最大阻值只有50Ω，如果将滑动变阻器接成限流，会超过电流表的量程，将它们烧坏。如果仅仅将滑动变阻器接成分压，滑动变阻器可调节的范围很小，只有全长的1/4，这样测量的次数比较少。故应将定值电阻R1接在干路上用作限流，电路图如图所示。
【例5】现有器材：量程为10.0mA、内阻约30-40的电流表一个，定值电阻R1=150，定值电阻R2=100，单刀单掷开关K，导线若干。要求利用这些器材测量一干电池（电动势约1.5V）的电动势。
（1）按要求在实物图上连线。
（2）用已知量和直接测得量表示的待测电动势的表达式为E= ，式中各直接测得量的意义是： .
【解析】根据提供的器材，可任取一个定值电阻与电流表、干电池、开关接成一个串联电路，用欧姆定律建立方程组进行测量。但在本题中，电流表量程为10.0mA，干电池的电动势约为1.5V，如果把定值电阻R1与电流表、干电池、开关接成一个串联电路，则回路中总电阻约为180，回路中电流约为1.5V /180=8.3mA，而如果把定值电阻R2与电流表、干电池、开关接成一个串联电路，，则回路中总电阻约为130，回路中电流约为
1.5V /130=11.5mA，
显然，该电流已超过电流表的量程。考虑到实验的可行性，此时用定值电阻R2与R1串联即可，故有如下解答：
（1）连图：左图只用R1接入电路；右图用R1和R2串联接入电路。(连线如图)
（2）设I1是外电阻为R1时的电流，I2是外电阻为R1和R2串联时的电流，则有
，
解之，可解得干电池电动势为：.
【例6】某同学在实验室测定一节干电池的电动势和内阻，实验室中有如下器材：
A．待测干电池 B．电流表G（0~3mA，内电阻r1=20Ω）
C．电流表A（0~0.6A，内电阻r2=0.20）D．滑动变阻器甲（最大阻值10Ω）
E．滑动变阻器乙（最大阻值100Ω） F．定值电阻R1=100Ω
G．定值电阻R2=500Ω H．定值电阻R3=1.5kΩ
开关、导线。
由于没有电压表，为此他设计了如图所示的电路完成了实验要求的测量。
①为了方便并能较准确测量，滑动变阻器应选 ，定值电阻应选用 。（填写定值电阻前的序号）
②若某次测量中电流表G的示数为I1，电流表A的示数为I2；改变滑动变阻器的位置后，电流表G的示数为I1′，电流表A的示数为I2′。则可知此电源的内电阻测量值为r= ，电动势测量值为E= 。
【解析】 干电池的电动势和内阻的测量，一般需要电流表和电压表。由于题中没有电压表，故需要将电流表G改装为电压表，且改装后电压表的量程应该达到1.5V，则总电阻为，故定值电阻应选用的序号为G的电阻，而滑动变阻器应选用阻值较小的D；
②在两次测量过程中，通过电源的电流是两只电表的电流之和，则根据全电路欧姆定律有 ，
解之，得， .
【例7】小灯泡灯丝的电阻会随温度的升高而变大.某同学为研究这一现象，用实验得到如下数据（I和U分别表示小灯泡上的电流和电压）：
（1）在左下框中画出实验电路图. 可用的器材有：电压表、电流表、滑线变阻器（变化范围0-10Ω）、电源、小灯泡、电键、导线若干.
（2）在右图中画出小灯泡的U-I曲线.
（3）某电池的电动势是1.5V，内阻是2.0Ω.将本题中的灯泡接在该电池两端，小灯泡的实际功率是多少？
【解析】（1）为了作出小灯泡的U-I曲线，必须采用分压的方法；而因为小灯泡的电阻比较小，故采用电流表的外接法，实验电路图见下图.
（2）小灯泡的U-I曲线首先用描点法作出各个点，利用圆滑的曲线连接即可得到下图。
（3）作出图线，可得小灯泡工作电流为0.35安，工作电压为0.80伏，因此小灯泡实际功率为0.28瓦.
【例8】在"测定金属的电阻率"的实验中，用螺旋测微器测量金属丝直径时的刻度位置如图所示，用米尺测量金属丝的长度l=0. 810 m．金属丝的电阻大约为4Ω，先用伏安法测出金属丝的电阻，然后根据电阻定律计算出该金属材料的电阻率．
(1)从图中读出金属丝的直径为 mm.
(2)在用伏安法测定金属丝的电阻时，除被测电阻丝外，还有如下供选择的实验器材：
A．直流电源：电动势约4.5 V，内阻很小；
B.电流表A1：量程0～0.6 A，内阻0. 125Ω;
C．电流表A2：量程0～3. 0 A，内阻0. 025Ω;
D．电压表V：量程0～3 V，内阻3 kΩ;
E.滑动变阻器R1：最大阻值10Ω；
F.滑动变阻器R2：最大阻值50Ω;
G．开关、导线等．
在可供选择的器材中，应该选用的电流表是 ，应该选用的滑动变阻器是 。
(3)根据所选的器材，在如图所示的方框中画出实验电路图．
(4)若根据伏安法测出电阻丝的电阻为Rx=4. 1Ω，则这种金属材料的电阻率为 Ω·m.（保留二位有效数字）
【解析】(1)从螺旋测微器主尺读出0.5 mm，再从游尺读出，故金属丝的直径为0.522mm.
( 2)电路中的最大电流，显然超过了电流表A1 0.6 A的量程，但电流表 A2的量程又太大，故电流表应该选用A1，由于滑动变阻器R1最大阻值为10Ω，比被测电阻丝的电阻大，且容易调整，所以采用限流电路即可。
由于此时电路的临界电阻，故电流表采用外解法.
(3）实验电路如图所示
(4)利用电阻定律，则1.1×10-6Ω·m.
【例9】在测定一节干电池的电动势和内电阻的实验中，备有下列器材：
A．待测的干电池（电动势约为1.5V，内电阻小于1.0Ω)
B．电流表G（满偏电流3mA，内阻Rg=10Ω)
C．电流表A(0～0.6A，内阻0.1Ω)
D．滑动变阻器R1(0～20Ω,10 A) E.滑动变阻器R2(0～200Ω,l A)
F．定值电阻R0 (990Ω) G．开关和导线若干
(1)某同学发现上述器材中虽然没有电压表，但给出了两个电流表，于是他设计了如图所示中甲的（a)、(b)两个参考实验电路，其中合理的是 图所示的电路；在该电路中，为了操作方便且能准确地进行测量，滑动变阻器应选 （填写器材前的字母代号）．
(2)图乙为该同学根据（1)中选出的合理的实验电路利用测出的数据绘出的I1—I2图线（I1为电流表G的示数，I2为电流表A的示数），则由图线可以得被测电池的电动势E= V，内阻r= Ω。
【解析】本题中测定干电池的电动势和内电阻需要用电压表和电流表，由于题中只给了两个电流表，故可以通过改装来实现.因为定值电阻R0=990Ω，则电流表G与之串联较好，所以合理的是b图所示的电路，滑动变阻应选D；
根据全电路欧姆定律容易得到 ，即
由I1—I2图线可以看出，图线与纵轴的交点为1.48，即，故电动势E=1.48V；又因为图线的斜率，即，故.
【例10】图甲是某研究性学习小组自制的电子秤原理图，利用电压表的示数来指示物体的质量。托盘与电阻可忽略的弹簧相连，托盘与弹簧的质量均不计。滑动变阻器的滑动端与弹簧上端连接，当盘中没有放物体时，电压表示数为零。设变阻器总电阻为R，总长度为L，电源电动势为E，内阻为r，限流电阻阻值为R0，弹簧劲度系数为k，若不计一切摩擦和其他阻力。
（1）试推出电压表示数Ux与所称物体质量m的关系式。
（2）由（1）计算结果可知，电压表示数与待测物体质量不成正比，不便于进行刻度，为了使电压表示数与待测质量成正比，请你利用原有器材在该小组研究的基础上进行改进，在图乙的基础上完成改进后的电路图，并推出电压表示数Ux与待测物体质量m的关系式。
【解析】（1）设变阻器的上端到滑动端的长度为x，根据题意得，mg=kx，且Rx=xR/L
又，联立求解，得；
（2）电路图如图13，mg=kx，Rx=xR/L
则
【例11】某同学用如图所示装置探究感应电流的方向与引起感应电流的磁场的关系．已知电流从a接线柱流入电流表时，电流表指针右偏．实验时，磁场方向、磁铁运动情况及电流表指针偏转情况都记录在下表中．
（1）由实验1、3得出的结论是_______________________
（2）由实验2、4得出的结论是_______________________
实验序号 磁场方向 磁铁运动情况 指针偏转情况
1 向下 插入 右偏
2 向下 拔出 左偏
3 向上 插入 左偏
4 向上 拔出 右偏
（3）由实验1、2、3、4得出的结论是______________________
【解析】感应电流的方向与引起感应电流的磁场的关系满足楞次定律，即感应流的磁场总是要阻碍引起反应堆了的原磁场的变化．因而容易得到如下结论：
（1）穿过闭合电路的磁通量增加时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相反；
（2）穿过闭合电路的磁通量减小时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相同；
（3）感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化.
【专题演练】
1．当使用示波器观察扫描并进行调节时，下列调节方法中正确的是 （ ）
A.要增加亮斑在水平方向上左右移动的距离，应将X增益旋钮顺时针转动
B.要增加亮斑在水平方向上左右移动的距离，应将X增益旋钮逆时针转动
C.要使荧光屏上的亮斑移动速度放慢，应将扫描范围旋钮位于最低档，然后将扫描微调旋钮顺时针转动
D.要使荧光屏上的亮斑移动速度放慢，应将扫描范围旋钮位于最低档，然后将扫描微调旋钮逆时针转动
2．如图中给出的器材为：
电源E（电动势为12V，内阻不计）；
木板N（板上从下往上依次叠放白纸、复写纸、导电纸各一张）；
两个金属条A、B（平行放置在导电纸上，与导电纸接触良好，用作电极）；
滑线变阻器R（其总电阻值小于两平行电极间导电纸的电阻）；
直流电压表（量程为6V，内阻很大，其负接线柱与B极相连，正接线柱与探针P相连）；
开关S．
现要用图中仪器描绘两平行金属条AB间电场中的等势线．AB间的电压要求取为6V．
（1）在图中连线，画成实验电路原理图．
（2）下面是重要的实验操作步骤，将所缺的内容填写在横线上方．
a．接好实验电路．
b．____________________________________________．
c．合上S，并将探针P与A相接触．
d．____________________________________________．
e．用探针压印的方法把A、B的位置标记在白纸上，画一线段连接AB两极，在连线上选取间距大致相等的5个点作为基准点，用探针把它们的位置压印在白纸上．
f．将探针与某一基准点相接触，________________________，这一点是此基准点的等势点．用探针把这一点的位置也压印在白纸上．用相同的方法找出此基准点的其他等势点．
g．重复步骤f，找出其他4个基准点的等势点，取出白纸画出各条等势线．
3．如图所示，一只黑箱有A、B、C三个接线柱，规定每两个接线柱间最多只能接一个电器元件．并且已知黑箱内的电器元件是一只电阻和一只二极管．某同学利用多用电表的欧姆挡，用正确的操作方法依次进行了6次测量，将每次红、黑表笔的位置和测得的阻值都填入了下表．
红表笔接 A A B B C C
黑表笔接 B C A C A B
测得阻值(Ω) 100 10k 100k 10.1k 90 190
由表中的数据可以判定:
（1）电阻接在_________________两点间，阻值为_________________Ω．
（2）二极管接在_________________两点间，其中正极接在_________________点．二极管的正向阻值为____________Ω，反向阻值为______________Ω．
?4.用以下器材测量一待测电压表V1的内阻R1(量程为1.5V,内阻1400～1600Ω):
电源E,电动势约为3V,内阻可忽略；电压表V2,量程为3V；电阻R0,阻值R0=1200Ω；滑线变阻器R,最大阻值约为100Ω；单刀单掷开关K,导线若干.
(1)请在方框中画出实验电路原理图(原理图中的元件要用题中相应的英文字母标注).
(2)根据电路图,在图13的实物图上连线.
(3)若电压表V1的读数用U1表示,电压表V2的读数用U2表示,则由已知量和测得量表示R1的表达式为R1=______.
5．某研究性学习小组为探究小灯泡灯丝电阻与温度的关系，设计并完成了有关的实验，以下是实验中可供选用的器材．
?A．待测小灯泡（额定功率6W，额定电流0.5A）
?B．电流表（量程0～0.6A，内阻0.1Ω）
?C．电压表（量程0～5V，内阻约5kΩ）
?D．电压表（量程0～15V，内阻约15kΩ）
?E．滑线变阻器（最大阻值50Ω）
?F．滑线变阻器（最大阻值1kΩ）
?G．直流电源（电动势15V，内阻可忽略）
H．开关一个，导线若干
实验中调节滑线变阻器，小灯泡两端电压可以从零至额定电压范围内变化，从而测出小灯泡在不同电压下的电流．
（1）请在虚线框中画出为完成上述实验而设计的合理的电路图．并在每个选用的器材旁标上题目所给的字母序号．
图5—40
（2）如图所示是该研究小组测得小灯泡的I—U关系图线．由图线可知，小灯泡灯丝电阻随温度的升高而_________________（填“增大”、“减小”或“不变”）；当小灯泡两端所加电压为6V时，其灯丝电阻值约为_________________Ω．（保留两位有效数字）
6．按图所示的电路测量两节干电池串联组成电池组的电动势E和内阻r，其中R为电阻箱，R0为定值电阻，干电池的工作电流不宜超过0.5A。实验室提供的器材如下：
电流表（量程0～0.6～3.0A），电阻箱（阻值范围0～999.9Ω）， 定值电阻若干，电键、导线若干。
①在下面提供的四个电阻中，保护电阻R0应选用_______（填写阻值相应的字母）。
A．5Ω B．20Ω C．100Ω D．1kΩ
②根据电路图，请在图中画出连线，将器材连接成实验电路。
③实验时，改变电阻箱R的值，记录下电流表A的示数I，得到若干组R、I的数据。根据实验数据绘出如图所示的R-图线，由此得出电池组的电动势E=___________V，内电阻r=___________Ω。按照此实验方法，电动势的测量值与真实值相比________，内电阻的测量值与真实值相比_________。（填“偏大”“偏小”或“相等”）
7.若在示波器的“Y输入”和“地”之间加上如图所示的电压，而扫描范围旋钮置于“外x”档，则此时屏上应出现的情形是下图中的_______．
【参考答案】
1. A、D
2．（1）连接线路略．
（2）把变阻器的滑动触头移到靠近D端处．调节R，使电压表读数为6V．记下电压表读数，在导电纸上移动探针，找出电压表读数与所记下的数值相同的另一点．
3．（1）AB 100Ω （2）AC A 90Ω 10kΩ
4.（1）实验电路如图所示. (2) 实物连线图略.（3）R1=．
5．（1）如图所示 （2）增大，17Ω
6．①A；③（2.9—3.0） （0.9—1.1）Ω 相等 偏大
7.C
www.
R
A
R滑
G
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