(新课标)高考物理总复习讲义 第7章 加强1讲 电学设计性实验的处理

加强一讲 电学设计性实验的处理考点一 设计性实验的答题思路与方法一、明确实验目的．审题时要看清题目要求测定什么物理量，验证、探究什么物理规律，或者要求设计达到何种标准的电路．二、测量电路的选择测量电路的选择⎩⎪⎨⎪⎧ 伏安法测电阻⎩⎪⎨⎪⎧ R x 较小或R x ≪R V 或R x < R A R V ⇒电流表外接R x 较大或R x ≫R A 或R x > R A R V ⇒电流表内接测量电路的选择⎩⎪⎪⎨⎪⎪⎧伏安法测E 和r ⎩⎪⎨⎪⎧ ⎭⎪⎬⎪⎫ 1 电源内阻较小 2 已知R V ，不知R A图7－7－1 ⎭⎪⎬⎪⎫ 3 电源内阻较大 4 已知R A ，不知R V 图7－7－2 三、控制电路的选择：控制电路即滑动变阻器在电路中的连接，常有两种不同的形式，图7－7－3甲为限流式，图乙为分压式．甲 乙图7－7－3在具体实验中，滑动变阻器是采用分压式还是限流式，可按以下标准进行判断：1．负载电阻的阻值R x 远大于滑动变阻器总电阻R ，需用分压式电路．2．要求负载上电压或电流变化范围较大，且从零开始连续可调，需用分压式电路．3．负载电阻的阻值R x 小于滑动变阻器的总电阻R 或相差不多，并且电压、电流表示数变化不要求从零起调，可采用限流式．4．两种电路均可使用的情况下，应优先采用限流式接法，因为限流式接法消耗的总功率较小．四、实验器材的选择1．安全因素通过电源、电表、电阻的电流不能超过允许的最大电流．2．误差因素选择电表时，保证电流和电压均不超过其量程．使指针有较大偏转(一般取满偏度的13～23)；使用欧姆表选挡时让指针尽可能在中值刻度附近． 3．便于操作选滑动变阻器时，在满足其他要求的前提下，可选阻值较小的．4．实验的实际要求．中国机器人农民发明家吴玉禄(被誉为中国的特斯拉)只有小学文化，为了给他的机器人吴老二找一个可充电电池．他在废品站找到了一个像电池一样有两个电极的装置，上面标有“TNT”字样，他高兴地拿回去充电，结果差点丢了性命．如果你是他的儿女，为了安全起见，你能给他提出一些建议或帮助吗？(1)经上网查找这是只工业电雷管，由电能转化成热能而引发爆炸的，利用了电流的热效应．给你一个多用电表你会选择________(直流电流、直流电压、欧姆)挡来判断它是否为电池，可保证既安全又方便．(2)经核实该电雷管全电阻阻值为6 Ω，其中电热丝阻值为5 Ω，引脚线长2 m ，阻值为1 Ω，当通以0.45 A 电流时约6 s 钟爆炸，若吴玉禄用5.4 V 的电压给它充电时理论上约________s 钟爆炸．(3)某兴趣小组发扬吴玉禄精神，用伏安法设计了一实验精确测量上述单只电雷管电阻的电路，准备了以下实验器材：待测电雷管R x ，炸药桶(保护作用，防爆破)电流表A 1：量程0.5 A 、内阻约0.5 Ω电流表A 2：量程30 mA ，内阻约30 Ω电压表V 1：量程30 V 、内阻约10 k Ω电压表V 2：量程2 V 、内阻约3 k Ω滑动变阻器R ：0～10 Ω电阻箱R 0：0～999.9 Ω，0.1 A干电池E ：电动势E ＝1.5 V ，内阻r 约0.1 Ω电键S 及导线若干①请设计一个较合理的电路原理图，画在规定的虚线框内，要求通过电雷管的电流不超过27 mA ，电压能从零调节，尽可能减小误差．②写出R x 的计算公式R x ＝________；说明公式中各物理量的意义：________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________.【解析】 (1)由直流电压挡的内阻较大，如是电池，能显示电压，电流较小；如是TNT ，直流电压挡不会给它供电，也是安全的；如用欧姆挡测试，多用电表内部电池会给TNT 供电，可能有危险；所以应选直流电压挡．(2)由焦耳定律：I 21Rt 1＝(U R 总)2Rt ′，解得t ′＝1.5 s. (3)①由于要求电雷管的电流不超过27 mA ，因此电流表应选A 2，且应给待测电雷管串联电阻箱作限流电阻．电压表V 1量程过大，应选V 2，且电流表应外接，滑动变阻器应用分压式，电路图如图所示．②由欧姆定律知R x ＝U I －R 0，其中，U 为电压表示数，I 为电流表示数，R 0为电阻箱读数．【答案】 (1)直流电压 (2)1.5 (3)①见解析图 ②U I－R 0，其中U 为电压表示数，I 为电流表示数，R 0为电阻箱读数考点二 实验方法及数据处理方法的迁移运用一、实验方法迁移 基本的实验方法包括：实验原理的设计方法、实验误差的控制方法和实验数据的处理方法，将基本的实验方法和物理原理合理迁移，可设计出测量不同的物理量、可探究不同问题的实验方案．教材中所学过的物理规律、物理公式中只要含有某一物理量，则该规律、公式就可作为研究或测定该物理量的原理基础而进行相应的实验方法设计．如用伏安法测电阻，R ＝U I，也可迁移到测电压表内阻和电流表内阻上去．二、实验数据的迁移数据探究性实验的主要功能是通过实验提供的数据信息，分析各数据中的内在联系，找出数据中所包含的物理规律．常用的数据处理方法(如平均值法、图象法、逐差法、比较法等)和误差分析方法应该掌握．常用的电流表有内阻，现要测量电流表G 1的内阻r 1，电路如图7－7－4所示．供选择的仪器如下：图7－7－4A ．待测电流表G 1(0～5 mA ，内阻约300 Ω)B ．电流表G 2(0～10 mA ，内阻约100 Ω)C ．定值电阻R 1(30 Ω)D ．定值电阻R 2(300 Ω)E ．定值电阻R 3(3 k Ω)F ．滑动变阻器R 4(0～20 Ω)G ．电源(电动势6.0 V ，内阻不计)H ．开关S 及导线若干(1)电路中与电流表G 1并联的电阻应选________，保护电阻应选用________(请填写器材前的字母序号)．(2)根据电路图在图7－7－5中连接实物图，要求闭合开关前滑动变阻器的滑动触头P 处于正确位置．图7－7－5图7－7－6(3)补全实验步骤：①按电路图连接电路；②闭合开关S ，移动滑动触头P 至某一位置，记录G 1、G 2的读数I 1、I 2；③________________________________________________________________________； ④以I 1为纵轴，I 2为横轴，作出相应图象如图7－7－6所示．(4)根据I 1－I 2图线的斜率k 及定值电阻，写出电流表G 1内阻的表达式r 1＝________.【解析】 (1)由于G 2的量程为0～10 mA ，而G 1的量程为0～5 mA ，则与G 1并联的电阻分流大约是0～5 mA ，应与G 1的内阻相当，因此应选R 2，即D.保护电阻如过大，则导致G 1、G 2示数很小，或指针不偏转，因此应选R 1，即C. (2)(3)多次移动滑动触头，记录相应的G 1、G 2读数I 1、I 2.(4)从电路可知：(I 2－I 1)R 2＝I 1r 1，即I 1＝R 2R 2＋r 1I 2，即R 2R 2＋r 1＝k ，所以r 1＝1－k kR 2.【答案】 (1)D C(2)见解析图(3)多次移动滑动触头，记录相应的G 1、G 2读数I 1、I 2(4)1－k kR 2(2013·东北三校联考)某同学要用电阻箱和电压表测量某水果电池组的电动势和内阻，考虑到水果电池组的内阻较大，为了提高实验的精确度，需要测量电压表的内阻．实验中恰好有一块零刻度在中央的双向电压表，该同学便充分利用这块电压表，设计了如图所示的实验电路，既能实现对该电压表的内阻的测量，又能利用该表完成水果电池组电动势和内阻的测量．他用到的实验器材有：待测水果电池组(电动势约4 V ，内阻约50 Ω)、双向电压表(量程为2 V ，内阻约为2 k Ω)、电阻箱(0～9 999 Ω)、滑动变阻器(0～200 Ω)，一个单刀双掷开关及若干导线．图7－7－7(1)该同学按如图所示7－7－7电路图连线后，首先测出了电压表的内阻．请完善测量电压表内阻的实验步骤．①将R 1的滑动触片滑至最左端，将S 拨向1位置，将电阻箱阻值调为0；②调节R 1的滑动触片，使电压表示数达到满偏；③保持________不变，调节R 2，使电压表的示数达到________；④读出电阻箱的阻值，记为R 2，则电压表的内阻R V ＝________.(2)若测得电压表内阻为2 k Ω，可分析此测量值应________真实值．(选填“大于”“等于”或“小于”)(3)接下来测量电源电动势和内阻，实验步骤如下：①将开关S 拨至________(选填“1”或“2”)位置，将R 1的滑动触片移到最________端，不再移动；②调节电阻箱的阻值，使电压表的示数达到一个合适值，记录下电压表的示数和电阻箱的阻值；③重复第二步，记录多组电压表的示数及对应的电阻箱的阻值．(4)若将电阻箱与电压表并联后的阻值记录为R ，作出1U 与1R图象，则可消除系统误差，如图7－7－8所示，其中截距为b ，斜率为k ，则电动势的表达式为________，内阻的表达式为________．图7－7－8【解析】 (1)由题图可知，将S 拨向1位置，滑动变阻器R 1在电路中为分压式接法，利用电压表的半偏法得：调节R 1使电压表满偏，保持R 1不变，R 2与电压表串联，调节R 2使电压表的示数达到半偏(或最大值的一半)，电压表的内阻R V 与电阻箱示数R 2相同．(2)由闭合电路欧姆定律可知，调节R 2变大使电压表达到半偏的过程中，总电阻值变大，干路总电流变小，由E ＝I ·r ＋U 外得：U 外变大，由电路知：U 外＝U 并＋U 右，变阻器的滑动触片右侧电压U 右＝I ·R 右变小，则U 并变大，电压表半偏时，R 2上的电压就会大于电压表上的电压，那么R 2的阻值就会大于电压表的阻值．(3)测电源的电动势和内阻，利用伏阻法，S 拨到2，同时将R 1的滑动触片移到最左侧．(4)由欧姆定律得E ＝U ＋U R ·r ，变形得1U ＝r E ·1R ＋1E ，r E＝k ，1E ＝b ，得E ＝1b ，r ＝k b. 【答案】 (1)③R 1 半偏(或最大值的一半) ④R 2(2)大于 (3)①2 左 (4)E ＝1b r ＝k b1．(2013·新课标全国卷Ⅱ)某同学用量程为1 mA 、内阻为120 Ω的表头按图7－7－9甲所示电路改装成量程分别为1 V 和1 A 的多用电表．图中R 1和R 2为定值电阻，S 为开关．回答下列问题：甲 乙图7－7－9(1)根据图甲所示的电路，在图乙所示的实物图上连线．(2)开关S 闭合时，多用电表用于测量________(选填“电流”“电压”或“电阻”)；开关S 断开时，多用电表用于测量________(选填“电流”“电压”或“电阻”)．(3)表笔A 应为________色(填“红”或“黑”)．(4)定值电阻的阻值R 1＝________Ω，R 2＝________Ω.(结果取3位有效数字)【解析】将表头改装成电压表时，需串联一电阻进行分压，而改装成电流表时则需并联一电阻分流，因此闭合开关后，并联上R 1改装成一电流表，断开开关，表头与R 2串联则改装成一电压表．多用电表内部表头的正极在右侧，即电流应从表笔B 流入，从表笔A 流出，则表笔A 为黑色．当断开S 时，I g (R 2＋r )＝U m ，解得R 2＝880 Ω.当闭合S 时，I g (R 2＋r )＝(I －I g )R 1，解得R 1≈1.00 Ω.【答案】 (1)如图所示 (2)电流 电压 (3)黑(4)1.00 8802．某同学将完好的仪器连接成如图7－7－10所示电路(其中滑动变阻器的连线没有画出)，用来探究小灯泡电阻与电压的关系．图7－7－10(1)闭合开关进行实验时发现，无论怎样移动滑片P，电压表和电流表的示数都不为零，但始终没有变化．则该同学把滑动变阻器接入电路中的方式可能是________(填写选项代号)．a．G与C相连，F与H相连b．G与C相连，D与H相连c．G与E相连，F与H相连d．G与E相连，D与H相连(2)在图中将滑动变阻器正确接入电路中，要求：灯泡两端的电压可以从零开始进行调节．(3)图7－7－11②根据图线，可以得到灯丝在未通电时的阻值约为________Ω.【答案】(1)bc(2)如图所示(3)①如图所示②1.0(0.9～1.2均可)3．某同学想利用所学知识测量某种圆柱形材料的电阻率，实验要求必须精确测出该段材料的阻值．除了导线和开关外，实验室还备有以下器材可供选用：电流表A 1，量程1 A ，内阻r 1约0.5 Ω电流表A 2，量程30 mA ，内阻r 2约200 Ω电压表V 1，量程6 V ，内阻R v1等于20 k Ω电压表V 2，量程10 V ，内阻R v2约30 k Ω滑动变阻器R 1,0～20 Ω，额定电流2 A滑动变阻器R 2,0～2 000 Ω，额定电流1 mA电源E (电动势为12 V ，内阻r 约2 Ω)(1)请选择合适的器材，设计出便于精确测量的电路图画在虚线框中，其中滑动变阻器应选________．(2)若选用其中一组电表的数据，设该段圆柱形材料的长为L ，直径为d ，由以上实验得出这种材料电阻率的表达式为________，式中符号的含义为________．【解析】 (1)由于V 1的阻值已知，可当电流表使用，故可以采用将待测材料与V 1串联再与V 2并联，由于滑动变阻器阻值远小于待测电阻的阻值，故滑动变阻器应采用分压式接法，为调节方便选用小阻值的R 1，电路图如图所示．(2)由电路图知，R x ＝U 2－U 1I V1，I V1＝U 1R V1，又R x ＝ρL S ，联立得ρ＝πd 2 U 2－U 1 R V14U 1L，式中U 1表示电压表V 1的示数，U 2表示电压表V 2的示数．【答案】 (1)电路图见解析图 R 1 (2)ρ＝πd 2 U 2－U 1 R V14U 1LU 1表示电压表V 1的示数，U 2表示电压表V 2的示数 4.图7－7－12现有一特殊电池，它的电动势E 约为9 V ，内阻r 约为40 Ω，已知该电池允许输出的最大电流为50 mA.为了测定这个电池的电动势和内阻，某同学利用如图7－7－12所示的电路进行实验，图中电流表的内阻R A 已经测出，阻值为5 Ω，R 为电阻箱，阻值范围为0～999.9 Ω，R 0为定值电阻，对电路起保护作用．图7－7－13 (1)实验室备有的定值电阻R 0共有以下几种规格．A ．10 ΩB ．50 ΩC ．150 ΩD ．500 Ω本实验选用哪一种规格的定值电阻最好？________.(2)该同学接入符合要求的R 0后，闭合开关S ，调整电阻箱的阻值，读取电流表的示数，记录多组数据，作出了如图7－7－13所示的图线，则根据该同学作出的图线可求得该电池的电动势E ＝________V ，内阻r ＝________Ω.【解析】 (1)当R ＝0时，应该有R 0＋r ＋R A ≥95×10－2 Ω，即R 0≥135 Ω时，可保证电路中电流不超过最大允许电流，R 0应该选择C.(2)由E ＝I (r ＋R 0＋R A ＋R )，得1I ＝1E (R ＋R 0)＋1E (r ＋R A )，结合图象可得1E(r ＋R A )＝5 A －1，斜率1E ＝45－15400－100V －1，解得E ＝10 V ，r ＝45 Ω. 【答案】 (1)C (2)10 45。