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2023届高考物理二轮复习专题8第2讲电学实验课件
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这是一份2023届高考物理二轮复习专题8第2讲电学实验课件，共60页。PPT课件主要包含了内容索引，核心考点聚焦，微专题•热考命题突破，知识网络建构，最左端，Ub-RA，×10，电荷量，不均匀，对电流表起保护作用等内容，欢迎下载使用。
核心归纳命题角度1 游标卡尺(1)弄清精确度:10分度——0.1 mm,20分度——0.05 mm,50分度——0.02 mm。(2)读出测量结果:测量值=主尺刻度整毫米数+n×精确度(mm)。 游标尺上第n条线与主尺上的某刻度线对齐命题角度2 螺旋测微器测量值=固定刻度整毫米数+半毫米数+可动刻度读数(含估读值)×0.01 mm
命题角度3 电压表、电流表(1)为减小测量误差,一般使电流表、电压表的示数超过满偏刻度的 。(2)若最小分度为1、0.1、0.01等,需要估读到最小分度的下一位;如果最小分度不是1、0.1、0.01等,只需要读到最小分度位即可。
深化拓展 关于游标卡尺和螺旋测微器读数的几个要点(1)10分度的游标卡尺,若以mm为单位,小数点后只有1位。20分度和50分度的游标卡尺若以mm为单位,小数点后有2位。(2)游标卡尺在读数前要确定游标尺的分度,在读数时先读主尺数据,再读游标尺数据,最后两数相加。游标卡尺读数不估读。(3)不要把游标尺的边缘当成零刻度,而把主尺的刻度读错。(4)螺旋测微器读数时,要注意固定刻度上表示半毫米的刻度线是否已经露出;要准确读数到0.01 mm,估读到0.001 mm,即结果若用mm作单位,则小数点后必须保留三位数字。
典例剖析例1(命题角度1、2、3)(1)一同学用一游标尺上标有20等分刻度的游标卡尺测一物体的长度,测得的结果如图甲所示,则该物体的长度为 mm。 (2)用螺旋测微器测量金属丝的直径,从图乙中读出金属丝的直径为 mm。
(3)如图丙所示,一电压表接0~15 V量程,读数为 V。 (4)如图丁所示,一电流表接0~0.6 A量程,读数为 A。
解析 (1)20分度的游标卡尺精确度为0.05 mm,则物体的长度为l=20 mm+6×0.05 mm=20.30 mm。(2)金属丝的直径为d=0.5 mm+2.0×0.01 mm=0.520 mm。(3)接0~15 V量程时,每小格表示0.5 V,读数为10.8 V。(4)接0~0.6 A量程时,每小格表示0.02 A,读数为0.16 A。
对点训练1.(命题角度1、2)在练习使用游标卡尺和螺旋测微器的实验中,测量一枚1元硬币的直径和厚度。(1)用游标卡尺测量其直径,如图乙所示,直径是 mm。 (2)用螺旋测微器测量其厚度,如图丙所示,厚度是 mm。
解析 (1)用游标卡尺测量其直径是25 mm+0.05 mm×0=25.00 mm。(2)用螺旋测微器测量其厚度是1.5 mm+0.01 mm×35.0=1.850 mm。
核心归纳命题角度1 测量金属的电阻率(1)实验原理:ρ=R 。(2)关键步骤:①测量:分别测量S、l和U、I;②求R:作U-I图像,求斜率k,则R=k;③计算ρ。
命题角度2 测电阻的方法(1)最直接的——用多用电表的欧姆挡测量;(2)最常用的——伏安法;(3)最灵活的——伏伏法或安安法;(4)最精确的——等效替代法;(5)最专一的——半偏法(测量电压表或电流表的内阻);(6)最独特的——电桥法。
深化拓展 1.明确三个“选择”(1)实验器材的选择要遵循安全性原则和准确性原则(尽量减小误差)①电源的选择:一般根据待测电阻的额定电流或额定电压选择符合要求的直流电源。②电表的选择:一般根据电源的电动势或待测用电器的额定电压选择电压表;根据待测电流的最大值选择电流表;读数时电表的指针摆动的幅度应较大,一般应使指针能达到半偏。
(2)电流表内接法与外接法的选择 大内小外
(3)分压电路与限流电路的选择①从节能的角度考虑,优先选用限流式。②以下三种情况必须用分压式:a.要求待测特例:有时根据题目中给的测量数据进行选择电路的U、I从0变化;b.R滑≪Rx;c.选用限流式时,Ux、Ix过大(超过电流表量程,烧坏电表、电源或用电器等)。
2.数据处理和误差分析(1)线性图像处理实验数据的一般方法和步骤:先根据物理规律写出物理方程,再把物理方程转换成线性方程的数学函数式,最后把数学函数式与线性图像相结合,在图中提取斜率、截距、面积等信息。(2)判断实验误差导致测量值偏大或偏小,要从实验原理和方法上去寻找根源,所以要弄清实验原理和方法,然后依据物理规律做适当推理,最后写出测量值的表达式。
典例剖析例2(命题角度2)(2021浙江卷)小李在实验室测量一电阻Rx的阻值。(1)因电表内阻未知,用如图甲所示的电路来判定电流表应内接还是外接。正确连线后,合上开关S1,将滑动变阻器的滑片P移至合适位置。单刀双掷开关S2掷到1,电压表的读数U1=1.65 V,电流表的示数如图乙所示,其读数I1= A;将S2掷到2,电压表和电流表的读数分别为U2=1.75 V, I1=0.33 A。由此可知应采用电流表 (选填“内”或“外”)接法。
(2)完成上述实验后,小李进一步尝试用其他方法进行实验。①器材间连线如图丙所示,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,再将单刀双掷开关掷到右边,调节电阻箱的阻值,使电流表的读数与前一次尽量相同,电阻箱的示数如图丙所示。则待测电阻Rx= Ω。此方法 (选填“有”或“无”)明显的实验误差,其理由是 。
阻箱的最小分度与待测电阻阻值比较接近
对点训练2.(命题角度1)(2022河北唐山高三一模)实验小组利用如图甲所示电路测量某金属丝的电阻率。
(1)使用螺旋测微器测量金属丝的直径,如图乙所示,金属丝的直径为 mm。 (2)关于电流表和滑动变阻器,有以下器材可供选择:A.电流表量程0~0.6 A,内阻RA=1.0 ΩB.电流表量程0~0.6 A,内阻未知C.滑动变阻器,最大阻值10 ΩD.滑动变阻器,最大阻值50 Ω实验中电流表应选择 ,滑动变阻器应选择 。(均选填器材前的字母序号) (3)闭合开关之前,滑动变阻器的滑片应滑到 (按照电路图填“最左端”“正中间”或“最右端”)。
(4)闭合开关,调节滑动变阻器和电阻箱,使电压表有一较大读数U,记下此时电阻箱的读数R1和电流表的读数I1。(5)改变电阻箱的阻值,同时调节滑动变阻器,使电压表的读数仍为U,记下此时电阻箱的读数R2和电流表的读数I2。(6)重复步骤(5),得到多组电阻箱和电流表的读数,以电阻箱电阻R为横坐标,以电流表电流的倒数 为纵坐标建立坐标系,描点连线,获得图线的纵轴截距为b,可知电阻丝电阻为 (用题中给定的符号表示)。 (7)将电阻值代入电阻定律公式计算电阻丝的电阻率。
解析 (1)螺旋测微器读数为0.5 mm+36.9×0.01 mm=0.869 mm。(2)选用内阻已知的电流表可以通过计算消去电流表分压引起的系统误差,故电流表选择A。滑动变阻器采用分压接法,故选用总电阻较小的C。(3)为保护电路,闭合开关之前,滑动变阻器的滑片应滑到最左端。
3.(命题角度2)(2022黑龙江哈尔滨六中一模)某物理课外实验小组为了测量某未知电阻R0的阻值,制订了四种测量方案。(1)方案一:用欧姆表测电阻a.在进行正确机械调零后,将欧姆挡的选择开关拨至“×1”挡,先将红、黑表笔短接,让指针指在 (选填“左侧”或“右侧”)零刻度线上。 b.欧姆表指针如图甲所示,可得未知电阻R0的阻值为 Ω。
(2)方案二:用伏安法测电阻如图乙所示的实验电路,电压表的示数为2.80 V,电流表的示数为87.5 mA,则由此可得未知电阻R0的阻值为 (结果保留两位有效数字),此测量值 (选填“大于”或“小于”)真实值。
(3)方案三:用等效替代法测电阻a.如图丙所示,将电阻箱R的阻值调到最大,闭合开关S1和S2,调节电阻箱R,使电流表示数为I0,此时电阻箱的示数R1=102 Ω;b.断开开关S2,闭合开关S1,调节电阻箱R,使电流表示数仍为I0,此时电阻箱的示数R2=68 Ω;c.根据以上测量数据可知未知电阻R0的阻值为 Ω(结果保留两位有效数字)。
(4)方案四:用惠斯通电桥法测电阻如图丁所示的实验电路,AB为一段粗细均匀的直电阻丝。a.闭合开关S,调整触头D的位置,使按下触头D时,电流表G的示数为零。已知定值电阻R的阻值,用刻度尺测量出l1、l2,则电阻R0= (用R、l1、l2表示)。 b.为消除因电阻丝的粗细不均匀而带来的误差,将图丁中的定值电阻R换成电阻箱,并且按照a中操作时,电阻箱的读数记为R3;然后将电阻箱与R0交换位置,保持触头D的位置不变,调节电阻箱,重新使电流表G的示数为零,此时电阻箱的读数记为R4,则电阻R0= (用R3、R4表示)。
4.(命题角度2)(2022山东卷)某同学利用实验室现有器材,设计了一个测量电阻阻值的实验,实验器材:干电池E(电动势1.5 V,内阻未知);电流表A1(量程10 mA,内阻为90 Ω);电流表A2(量程30 mA,内阻为30 Ω);定值电阻R0(阻值为150 Ω);滑动变阻器R(最大阻值为100 Ω);待测电阻Rx;开关S,导线若干。测量电路如图所示。
(1)断开开关,连接电路,将滑动变阻器R的滑片调到阻值最大一端。将定值电阻R0接入电路;闭合开关,调节滑片位置,使电流表指针指在满刻度的 处。该同学选择的电流表为 (选填“A1”或“A2”);若不考虑电池内阻,此时滑动变阻器接入电路的电阻值应为 Ω。 (2)断开开关,保持滑片的位置不变,用Rx替换R0,闭合开关后,电流表指针指在满刻度的 处,则Rx的测量值为 Ω。 (3)本实验中未考虑电池内阻,对Rx的测量值 (选填“有”或“无”)影响。
(3)如果电源有内阻,根据闭合电路欧姆定律,可以让滑动变阻器和电源内阻的总阻值等于60 Ω,最终对Rx的测量结果无影响。
核心归纳命题角度1 电表改装(1)把电流表改装为电压表;(2)扩大电流表量程;(3)把电流表改装为欧姆表。命题角度2 多用电表的原理与使用(1)原理:清楚多用电表内部结构,会用串、并联规律和闭合电路欧姆定律进行分析。(2)使用:熟悉多用电表外部功能区域,掌握使用方法及注意事项。
深化拓展 1.三种电表改装方法
2.欧姆表使用“六点注意”(1)电流的流向:使用欧姆挡时,多用电表内部电池的正极接黑表笔、负极接红表笔,从电源外部看,电流从红表笔流入、从黑表笔流出。(2)区分“机械调零”和“欧姆调零”:“机械调零”调节指针至表盘刻度左侧“0”位置,调节表盘下边的指针定位螺丝;“欧姆调零”调节指针至表盘刻度的右侧电阻刻度“0”位置,调节欧姆调零旋钮。(3)倍率选择:使用欧姆挡测电阻时,表头指针偏转过大或过小均有较大误差,指针落在刻度盘的中间区域时读数较准确。(4)换挡需重新进行欧姆调零。(5)读数之后要乘以倍率得阻值。(6)电池用久了,电动势变小,内阻变大,使测量结果偏大。
典例剖析例3(命题角度1)(2022江苏南京、盐城高三一模)某同学要将一量程为3 V的电压表V1改装成量程为15 V的电压表V2。(1)先将V1直接接到内阻很小的电源两端,读数为2.0 V;再将V1与阻值为3 000 Ω的电阻串联后,接到该电源两端,读数为0.8 V,则V1的内阻为 Ω; (2)要改装成量程为15 V的电压表V2,需要将V1表与合适的电阻R (选填“串联”或“并联”);
(3)将改装后的电压表V2与一标准电压表校对,完成下面的实物连接;(4)在闭合开关之前,滑动变阻器的滑片P置于最 (选填“左”或“右”)端; (5)闭合开关,移动滑片P,标准电压表示数为10.5 V时,V1表示数为2.5 V。要达到预期目的,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= (保留三位有效数字)。
解析 (1)先将V1直接接到内阻很小的电源两端,读数为2.0 V,可知电源电动势E=2 V;再将V1与阻值为3 000 Ω的电阻串联后,接到该电源两端,读数为0.8 V,则0.8 V= ,解得V1的内阻为RV=2 000 Ω。(2)要改装成量程为15 V的电压表V2,需要将V1表与合适的电阻R串联。(3)校准电路如图所示。
对点训练5.(命题角度1、2)(2022湖南卷)小梦同学自制了一个两挡位(“×1”“×10”)的欧姆表,其内部结构如图所示,R0为调零电阻(最大阻值为R0m),Rs、Rm、Rn为定值电阻(Rs+R0m
解析 (1)由RmIn。(2)S与n接通时,欧姆表内阻大,欧姆表的挡位倍率大,即为“×10”挡。(3)从“×1”挡位换为“×10”挡位,即开关S从m拨向n,电路总电阻增大,干路电流减小,①②短接时,为了使电流表满偏,则需要增大通过电流表所在支路的电流,所以需要将R0的滑片向上调节。
(4)设“×10”挡位时欧姆表内阻为R内,电流表满偏电流为Ig,电路简化结构如图
核心归纳命题角度1 伏安法测电动势和内阻(1)闭合电路方程为E=U+Ir,利用两组数据,联立方程求解E和r;(2)作出U-I图像,图线的纵截距表示电源的电动势,斜率的绝对值表示电源的内阻。命题角度2 安阻法测电动势和内阻(1)闭合电路方程为E=I(R+r),利用两组数据联立方程求解;
深化拓展 等效电源法测电源内阻当电源内阻r过小时,如果直接测量,测出电源的内阻误差较大,可以用等效电源法来测量。如图所示,用一个适当的定值电阻R0与电源串联,并把它们看成一个等效电源,这个等效电源的内阻r0=R0+r,其中r是被测电源的内阻。测出这个等效电源的内阻r0,则被测电源的内阻r=r0-R0。
典例剖析例4(命题角度3)(2022黑龙江大庆三模)某课外小组想测两节干电池组成的电源的电动势和内阻,同学们用电压表、电阻箱、开关、若干导线和待测电池组连成电路,电路中用到的器材均完好无损。(1)如图甲所示为该小组同学正准备接入最后一根导线(图中虚线)时的实验电路,下列关于实验操作的论述正确的是 ; A.将电压表直接接在电源两端,实验时读数正常,所以实验中这样接是可以的B.开关处于闭合状态时,接入虚线导线,此操作违反实验操作规则C.电阻箱接入电路中时不允许阻值为零,所以应该调到任意一个不为零的阻值D.只要小心操作,接入虚线导线后,电路是安全的
(2)改正错误后,按照标准实验操作流程操作,该小组同学顺利完成实验,并根据测得的数据画出如图乙所示的 图线,其中U为电压表示数,R为电阻箱连入电路的阻值。由图乙可知,电池组的电动势E= ,内阻r= 。(用a1、a2、b1表示)
(3)利用图像分析电表内阻引起的实验误差。如图丙所示,两条图线分别是根据电压表读数和电流I 描点作图得到的U-I图线和没有电表内阻影响的理想情况下该电源的路端电压U随电流I变化的U-I图线,则由测量值得到的图线是 (选填“P”或“M”)图线,图丙中b-a的含义是 。
通过电压表的电流IV
解析 (1)若将电压表直接接在电源两端,则开关无法控制电压表,会导致电路一直处于接通状态,A错误;由于要在电路断开状态才能进行接线,开关处于闭合状态时,接入虚线导线,此操作违反实验操作规则,B正确;为了保护电路,电阻箱应该调到最大阻值,C错误;接入虚线导线后,电压表还是不受开关的控制,电路还存在一定的风险,D错误。
综上可知|k'|<|k|、b' < b,即电动势和内阻的测量值均偏小,则由测量值得到的图线是P图线;图丙中b-a表示的含义为在相同的电压情况下,流过内阻的电流差,该电流差即流过电压表的电流IV。
方法点拨1.掌握测量电源电动势和内阻的三种常用方法:任何一种实验方法都要紧扣闭合电路欧姆定律E=U+Ir,而最关键的是看电路中如何测量出路端电压U和电路中的总电流I,这也是命题专家命题时的入手点。
2.在数据处理问题中,利用图像得出电动势和内阻是常见的方法——注意“化曲为直”。
对点训练6.(命题角度2)(2021湖南卷)某实验小组需测定电池的电动势和内阻,器材有一节待测电池、一个单刀双掷开关、一个定值电阻(阻值为R0)、一个电流表(内阻为RA)、一根均匀电阻丝(电阻丝总阻值大于R0,并配有可在电阻丝上移动的金属夹)、导线若干。由于缺少刻度尺,无法测量电阻丝长度,但发现桌上有一个圆形时钟表盘。某同学提出将电阻丝绕在该表盘上,利用圆心角来表示接入电路的电阻丝长度。主要实验步骤如下。(1)连接电路,如图甲所示。
(2)开关闭合前,金属夹应夹在电阻丝的 (选填“a”或“b”)端。 (3)改变金属夹的位置,闭合开关,记录每次接入电路的电阻丝对应的圆心角θ和电流表示数I,得到多组数据。(4)整理数据并在坐标纸上描点绘图,所得图像如图乙所示,图线斜率为k,与纵轴截距为d,设单位角度对应电阻丝的阻值为r0,该电池电动势和内阻可表示为E= ,r= 。(用R0、RA、k、d、r0表示)
(5)为进一步确定结果,还需要测量单位角度对应电阻丝的阻值r0。利用现有器材设计实验,在图丙方框中画出实验电路图(电阻丝用滑动变阻器符号表示)。 丙(6)利用测出的r0,可得该电池的电动势和内阻。
7.(命题角度1)(2022山东日照高三一模)某物理探究小组的同学设计了如图甲所示的实验电路测定干电池的电动势和内阻。提供的实验器材有:电池组(两节干电池);定值电阻R0=2 Ω;毫安表(量程为50 mA,内阻Rg=4.5 Ω);电压表(量程为3 V,内阻很大);滑动变阻器R;电阻箱;开关;导线若干。
(1)将电阻箱的阻值调至0.5 Ω,则图甲中虚线框内改装后电流表的量程为 mA。 (2)实验步骤如下:①闭合开关S前,将滑动变阻器R的滑片移到 (选填“左”或“右”)端;②闭合开关S,改变滑片位置,记下电压表的示数U和毫安表的示数I,多次实验后将所测数据描绘在如图乙所示的坐标纸上,作出U-I图线。(3)每节干电池的电动势E= V,内阻r= Ω。(结果均保留两位有效数字)
解析 (1)将电阻箱的阻值调至0.5 Ω,则图甲中虚线框内改装后电流表的量程为I=Ig+ ,代入数据解得I=500 mA。(2)为了保护电路,应使滑动变阻器接入电路的电阻最大,即滑片应移到左端。(3)根据毫安表的改装原理,当毫安表示数为I时,此时电路中的电流为10I,根据甲所示电路图,设改装后电流表内阻为RA,由欧姆定律可知,电压表的示数为U=2E-10(R0+2r+RA)I,由图乙所示图像可知,纵轴截距为b=2E,解得E=1.5 V,图像斜率的绝对值为k=10(R0+2r+RA),代入数据解得r=1.0 Ω。
核心归纳命题角度1 观察电容器的充、放电现象(1)充电过程Q、U、E均增大,放电过程Q、U、E均减小; (2)放电过程电流随时间变化图像与坐标轴围成的面积表示电容器减少的电荷量。命题角度2 探究影响感应电流方向的因素明确条形磁铁磁感线方向→判断穿过线圈的磁通量变化→观察感应电流方向→得出实验结论。命题角度3 探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
典例剖析例5(命题角度3)如图所示,在用可拆变压器探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系的实验中,下列说法正确的是( )A.本实验可以用直流电源供电,且可以用直流电压表测量原、副线圈两端的电压B.原线圈接0、4接线柱,副线圈分别接0、2或0、8接线柱时,副线圈输出电压的频率不同C.原线圈接0、2接线柱,副线圈接0、4接线柱,副线圈电压小于原线圈电压D.用可拆变压器,保持原、副线圈匝数和原线圈两端的电压不变,副线圈电压不变
解析 变压器只能改变交流电压,不能改变直流电压,A错误。变压器两端的电压不同,电流不同,功率相等,电压的频率相等,B错误。根据原、副线圈匝数之比等于输入、输出电压之比可知,原线圈接0、2接线柱,副线圈接0、4接线柱,副线圈电压大于原线圈电压,C错误。根据原、副线圈匝数之比等于输入、输出电压之比可知,用可拆变压器,保持原、副线圈匝数和原线圈两端的电压不变,副线圈电压不变,D正确。
对点训练8.(命题角度2)如图所示,线圈A通过滑动变阻器和开关连接到电源上,线圈B的两端连到电流表上,把线圈A装在线圈B的里面。实验中观察到,开关闭合瞬间,电流表指针向右偏转,则( )A.开关断开瞬间,电流表指针不偏转B.开关闭合瞬间,两个线圈中的电流方向可能同为顺时针或逆时针C.开关闭合,向右移动滑动变阻器的滑片,电流表指针向右偏转D.开关闭合,向上拔出线圈A的过程中,线圈B将对线圈A产生排斥力
解析 开关断开瞬间,线圈B中会产生感应电流阻碍穿过线圈B的磁通量减小,所以电流表指针会偏转,A错误。开关闭合瞬间,线圈B中会产生感应电流阻碍穿过线圈B的磁通量增大,所以两个线圈中的电流方向一定相反,B错误。开关闭合,向右移动滑动变阻器的滑片,滑动变阻器接入回路的阻值减小,则线圈A中的电流增大,线圈B中会产生感应电流阻碍穿过线圈B的磁通量增大,所以感应电流的方向应和开关闭合瞬间时的相同,即电流表指针向右偏转,C正确。开关闭合,向上拔出线圈A的过程中,线圈B中会产生感应电流阻碍穿过线圈B的磁通量减小,表现为线圈B对线圈A产生吸引力,D错误。
9.(命题角度1)(2022北京房山二模)电容器是一种重要的电学元件,在电工、电子技术中应用广泛。使用图甲所示电路观察电容器的充、放电过程。电路中的电流传感器与计算机相连,可以显示电路中电流随时间的变化。图甲中直流电源电动势E=8 V,实验前电容器不带电。先使S与“1”端相连给电容器充电,充电结束后,使S与“2”端相连,直至放电完毕。计算机记录的电流随时间变化的i-t曲线如图乙所示。
(1)图乙中阴影为i-t图像与对应时间轴所围成的面积,表示的物理意义是 ; (2)图乙中阴影部分的面积S1 (选填“>”“<”或“=”)S2; (3)计算机测得S1=1 203 mA·s,则该电容器的电容为 F;(保留两位有效数字) (4)由甲、乙两图可判断阻值R1 (选填“>”“<”或“=”)R2。
知识精要1.对于电学实验的创新,应注意的2个问题(1)在解决设计型实验时,要注意条件的充分利用,如对于给定确切阻值的电压表和电流表,电压表可当作电流表使用,电流表也可当作电压表使用,利用这一特点,可以拓展伏安法测电阻的方法,如伏伏法、安安法等。(2)对一些特殊电阻的测量,如电流表或电压表内阻的测量,电路设计有其特殊性,即首先要注意到其自身量程对电路的影响,其次要充分利用其“自报电流或自报电压”的功能,因此在测电压表内阻时无需另并联电压表测电压,测电流表内阻时无需再串联电流表测电流。
2.解决电学设计型实验常用的3种方法(1)转换法:将不易测量的物理量转换成可以(或易于)测量的物理量进行测量,然后再反求待测物理量的值,这种方法叫转换测量法(简称转换法)。如在测量金属丝电阻率的实验中,虽然无法直接测量电阻率,但可通过测量金属丝的长度和直径,并将金属丝接入电路测出其电阻,进而计算出它的电阻率。(2)替代法:用一个标准的已知量替代被测量,通过调整标准量,使整个测量系统恢复到替代前的状态,则被测量等于标准量。(3)控制变量法:研究一个物理量与其他几个物理量的关系时,每次只改变其中的一个物理量,而控制其余几个物理量不变,从而研究被改变的这个物理量与要研究的那个物理量的关系,分别加以研究后再归纳总结,如探究电阻的决定因素实验。
考向分析同力学实验一样,高考对电学实验的考查,大都是创新类电学实验题。这类问题,要通过审题,弄清属于什么类型的创新,然后再结合已有的电学知识(如串并联关系、闭合电路欧姆定律等)和实验方法进行推理,找到突破方向。
案例探究例题(2022四川绵阳三模)某兴趣小组用金属铂电阻制作量程0~500 ℃的电阻温度计。已知金属铂电阻Rt与温度t的关系是:Rt=R0(1+θt),其中R0=40 Ω,温度系数θ=0.004 ℃-1。(1)设计电路该小组设计的电阻温度计测量电路如图所示,他们准备了如下实验器材:干电池1节(E=1.5 V,内阻r=1 Ω),毫安表(0~30 mA, Rg=1 Ω),滑动变阻器R1(0~5 Ω),滑动变阻器R2(0~50 Ω),开关S一只,导线若干。滑动变阻器应选 (选填“R1”或“R2”)。
(2)在毫安表刻度盘上标注温度刻度值①温度调零(即确定0 ℃刻度)断开开关S,为保证电路安全,应先将滑动变阻器的滑片拨至如图所示的b端,根据电路图连接好实物。将金属铂电阻放入0 ℃冰水混合物中,稳定后闭合开关S,调节滑动变阻器阻值使毫安表满偏,则30 mA刻度即对应0 ℃刻度,并保持滑动变阻器滑片位置不动。②确定刻度通过理论计算出每一电流刻度所对应的温度值,并标注在刻度盘上。毫安表半偏位置对应的温度是 ℃。该温度计刻度线是 (选填“均匀”或“不均匀”)的。
③实际检验将金属铂电阻放入其他已知温度的物体中,待指针稳定后,检验指针所指温度与实际温度在误差允许范围内是否一致。(3)实际测量测量前完成(2)中①的温度调零操作,将金属铂电阻放入某未知温度的物体中,待指针稳定后读数,测出该物体的温度。(4)误差分析若干电池使用时间较长,其电动势会减小,内阻变大。用该温度计按照(3)中的测量方法进行测量(能够完成温度调零),则测量结果 (选填“偏大”“不变”或“偏小”)。
(4)若干电池使用时间较长,其电动势会减小,内阻变大,设电动势变为E',内阻变为r',能够完成温度调零时,根据闭合电路欧姆定律可得E'=Im(R0+r'+Rg+R'),当进行测量时,假设毫安表电流为I2,此时对应温度刻
角度拓展1 (2022广东广州一模)利用输出电压为3 V的恒压电源、量程为0~0.6 A的电流表(内阻不计)、定值电阻、阻值随长度均匀变化的电阻丝(长度为0.05 m,总阻值为25 Ω)、弹簧(电阻不计)、开关、导线,改装成如图甲所示的测力计。
(1)图甲的电路中,定值电阻的作用是 ,阻值至少为 Ω; (2)弹簧所受拉力F与其伸长量ΔL的关系如图乙所示。若定值电阻为10 Ω,则电流表的示数I与弹簧所受拉力F的关系式I= (A),可知由电流表改装的测力计刻度 (选填“均匀”或“不均匀”),当电流表的示数为0.3 A时,对应标示的力为 N。
解析 (1)电路中接入定值电阻的目的是对电流表起保护作用,防止当P移动到电阻丝的最右端时电流表被烧坏;当电路中电流达到最大0.6 A时,电路中的总电阻最小值为R= Ω=5 Ω,所以定值电阻至少为5 Ω。
角度拓展2 (2022四川遂宁模拟)现用如图甲所示的电路来测量恒流源(输出电流大小恒定)的输出电流I0和并联电阻的阻值R0。调节电阻箱R的阻值,电流表测得多组I值,并计算出 数值。
(1)根据测量数据,作出 -R函数关系曲线如图乙所示,图中直线纵截距为a,斜率为k,若不考虑电流表内阻,则I0= ,R0= 。(用a和k表示) (2)若考虑电流表内阻带来的系统误差,则I0测量值 (选填“>”“=”或“<”)真实值; (3)把一小灯泡接在恒流源和定值电阻两端,如图丙所示,小灯泡伏安特性曲线如图丁所示,若测得I0=0.26 A,R0=11.0 Ω,则小灯泡实际功率为 W。(计算结果保留两位有效数字)
核心归纳命题角度1 游标卡尺(1)弄清精确度:10分度——0.1 mm,20分度——0.05 mm,50分度——0.02 mm。(2)读出测量结果:测量值=主尺刻度整毫米数+n×精确度(mm)。 游标尺上第n条线与主尺上的某刻度线对齐命题角度2 螺旋测微器测量值=固定刻度整毫米数+半毫米数+可动刻度读数(含估读值)×0.01 mm
命题角度3 电压表、电流表(1)为减小测量误差,一般使电流表、电压表的示数超过满偏刻度的 。(2)若最小分度为1、0.1、0.01等,需要估读到最小分度的下一位;如果最小分度不是1、0.1、0.01等,只需要读到最小分度位即可。
深化拓展 关于游标卡尺和螺旋测微器读数的几个要点(1)10分度的游标卡尺,若以mm为单位,小数点后只有1位。20分度和50分度的游标卡尺若以mm为单位,小数点后有2位。(2)游标卡尺在读数前要确定游标尺的分度,在读数时先读主尺数据,再读游标尺数据,最后两数相加。游标卡尺读数不估读。(3)不要把游标尺的边缘当成零刻度,而把主尺的刻度读错。(4)螺旋测微器读数时,要注意固定刻度上表示半毫米的刻度线是否已经露出;要准确读数到0.01 mm,估读到0.001 mm,即结果若用mm作单位,则小数点后必须保留三位数字。
典例剖析例1(命题角度1、2、3)(1)一同学用一游标尺上标有20等分刻度的游标卡尺测一物体的长度,测得的结果如图甲所示,则该物体的长度为 mm。 (2)用螺旋测微器测量金属丝的直径,从图乙中读出金属丝的直径为 mm。
(3)如图丙所示,一电压表接0~15 V量程,读数为 V。 (4)如图丁所示,一电流表接0~0.6 A量程,读数为 A。
解析 (1)20分度的游标卡尺精确度为0.05 mm,则物体的长度为l=20 mm+6×0.05 mm=20.30 mm。(2)金属丝的直径为d=0.5 mm+2.0×0.01 mm=0.520 mm。(3)接0~15 V量程时,每小格表示0.5 V,读数为10.8 V。(4)接0~0.6 A量程时,每小格表示0.02 A,读数为0.16 A。
对点训练1.(命题角度1、2)在练习使用游标卡尺和螺旋测微器的实验中,测量一枚1元硬币的直径和厚度。(1)用游标卡尺测量其直径,如图乙所示,直径是 mm。 (2)用螺旋测微器测量其厚度,如图丙所示,厚度是 mm。
解析 (1)用游标卡尺测量其直径是25 mm+0.05 mm×0=25.00 mm。(2)用螺旋测微器测量其厚度是1.5 mm+0.01 mm×35.0=1.850 mm。
核心归纳命题角度1 测量金属的电阻率(1)实验原理:ρ=R 。(2)关键步骤:①测量:分别测量S、l和U、I;②求R:作U-I图像,求斜率k,则R=k;③计算ρ。
命题角度2 测电阻的方法(1)最直接的——用多用电表的欧姆挡测量;(2)最常用的——伏安法;(3)最灵活的——伏伏法或安安法;(4)最精确的——等效替代法;(5)最专一的——半偏法(测量电压表或电流表的内阻);(6)最独特的——电桥法。
深化拓展 1.明确三个“选择”(1)实验器材的选择要遵循安全性原则和准确性原则(尽量减小误差)①电源的选择:一般根据待测电阻的额定电流或额定电压选择符合要求的直流电源。②电表的选择:一般根据电源的电动势或待测用电器的额定电压选择电压表;根据待测电流的最大值选择电流表;读数时电表的指针摆动的幅度应较大,一般应使指针能达到半偏。
(2)电流表内接法与外接法的选择 大内小外
(3)分压电路与限流电路的选择①从节能的角度考虑,优先选用限流式。②以下三种情况必须用分压式:a.要求待测特例:有时根据题目中给的测量数据进行选择电路的U、I从0变化;b.R滑≪Rx;c.选用限流式时,Ux、Ix过大(超过电流表量程,烧坏电表、电源或用电器等)。
2.数据处理和误差分析(1)线性图像处理实验数据的一般方法和步骤:先根据物理规律写出物理方程,再把物理方程转换成线性方程的数学函数式,最后把数学函数式与线性图像相结合,在图中提取斜率、截距、面积等信息。(2)判断实验误差导致测量值偏大或偏小,要从实验原理和方法上去寻找根源,所以要弄清实验原理和方法,然后依据物理规律做适当推理,最后写出测量值的表达式。
典例剖析例2(命题角度2)(2021浙江卷)小李在实验室测量一电阻Rx的阻值。(1)因电表内阻未知,用如图甲所示的电路来判定电流表应内接还是外接。正确连线后,合上开关S1,将滑动变阻器的滑片P移至合适位置。单刀双掷开关S2掷到1,电压表的读数U1=1.65 V,电流表的示数如图乙所示,其读数I1= A;将S2掷到2,电压表和电流表的读数分别为U2=1.75 V, I1=0.33 A。由此可知应采用电流表 (选填“内”或“外”)接法。
(2)完成上述实验后,小李进一步尝试用其他方法进行实验。①器材间连线如图丙所示,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,再将单刀双掷开关掷到右边,调节电阻箱的阻值,使电流表的读数与前一次尽量相同,电阻箱的示数如图丙所示。则待测电阻Rx= Ω。此方法 (选填“有”或“无”)明显的实验误差,其理由是 。
阻箱的最小分度与待测电阻阻值比较接近
对点训练2.(命题角度1)(2022河北唐山高三一模)实验小组利用如图甲所示电路测量某金属丝的电阻率。
(1)使用螺旋测微器测量金属丝的直径,如图乙所示,金属丝的直径为 mm。 (2)关于电流表和滑动变阻器,有以下器材可供选择:A.电流表量程0~0.6 A,内阻RA=1.0 ΩB.电流表量程0~0.6 A,内阻未知C.滑动变阻器,最大阻值10 ΩD.滑动变阻器,最大阻值50 Ω实验中电流表应选择 ,滑动变阻器应选择 。(均选填器材前的字母序号) (3)闭合开关之前,滑动变阻器的滑片应滑到 (按照电路图填“最左端”“正中间”或“最右端”)。
(4)闭合开关,调节滑动变阻器和电阻箱,使电压表有一较大读数U,记下此时电阻箱的读数R1和电流表的读数I1。(5)改变电阻箱的阻值,同时调节滑动变阻器,使电压表的读数仍为U,记下此时电阻箱的读数R2和电流表的读数I2。(6)重复步骤(5),得到多组电阻箱和电流表的读数,以电阻箱电阻R为横坐标,以电流表电流的倒数 为纵坐标建立坐标系,描点连线,获得图线的纵轴截距为b,可知电阻丝电阻为 (用题中给定的符号表示)。 (7)将电阻值代入电阻定律公式计算电阻丝的电阻率。
解析 (1)螺旋测微器读数为0.5 mm+36.9×0.01 mm=0.869 mm。(2)选用内阻已知的电流表可以通过计算消去电流表分压引起的系统误差,故电流表选择A。滑动变阻器采用分压接法,故选用总电阻较小的C。(3)为保护电路,闭合开关之前,滑动变阻器的滑片应滑到最左端。
3.(命题角度2)(2022黑龙江哈尔滨六中一模)某物理课外实验小组为了测量某未知电阻R0的阻值,制订了四种测量方案。(1)方案一:用欧姆表测电阻a.在进行正确机械调零后,将欧姆挡的选择开关拨至“×1”挡,先将红、黑表笔短接,让指针指在 (选填“左侧”或“右侧”)零刻度线上。 b.欧姆表指针如图甲所示,可得未知电阻R0的阻值为 Ω。
(2)方案二:用伏安法测电阻如图乙所示的实验电路,电压表的示数为2.80 V,电流表的示数为87.5 mA,则由此可得未知电阻R0的阻值为 (结果保留两位有效数字),此测量值 (选填“大于”或“小于”)真实值。
(3)方案三:用等效替代法测电阻a.如图丙所示,将电阻箱R的阻值调到最大,闭合开关S1和S2,调节电阻箱R,使电流表示数为I0,此时电阻箱的示数R1=102 Ω;b.断开开关S2,闭合开关S1,调节电阻箱R,使电流表示数仍为I0,此时电阻箱的示数R2=68 Ω;c.根据以上测量数据可知未知电阻R0的阻值为 Ω(结果保留两位有效数字)。
(4)方案四:用惠斯通电桥法测电阻如图丁所示的实验电路,AB为一段粗细均匀的直电阻丝。a.闭合开关S,调整触头D的位置,使按下触头D时,电流表G的示数为零。已知定值电阻R的阻值,用刻度尺测量出l1、l2,则电阻R0= (用R、l1、l2表示)。 b.为消除因电阻丝的粗细不均匀而带来的误差,将图丁中的定值电阻R换成电阻箱,并且按照a中操作时,电阻箱的读数记为R3;然后将电阻箱与R0交换位置,保持触头D的位置不变,调节电阻箱,重新使电流表G的示数为零,此时电阻箱的读数记为R4,则电阻R0= (用R3、R4表示)。
4.(命题角度2)(2022山东卷)某同学利用实验室现有器材,设计了一个测量电阻阻值的实验,实验器材:干电池E(电动势1.5 V,内阻未知);电流表A1(量程10 mA,内阻为90 Ω);电流表A2(量程30 mA,内阻为30 Ω);定值电阻R0(阻值为150 Ω);滑动变阻器R(最大阻值为100 Ω);待测电阻Rx;开关S,导线若干。测量电路如图所示。
(1)断开开关,连接电路,将滑动变阻器R的滑片调到阻值最大一端。将定值电阻R0接入电路;闭合开关,调节滑片位置,使电流表指针指在满刻度的 处。该同学选择的电流表为 (选填“A1”或“A2”);若不考虑电池内阻,此时滑动变阻器接入电路的电阻值应为 Ω。 (2)断开开关,保持滑片的位置不变,用Rx替换R0,闭合开关后,电流表指针指在满刻度的 处,则Rx的测量值为 Ω。 (3)本实验中未考虑电池内阻,对Rx的测量值 (选填“有”或“无”)影响。
(3)如果电源有内阻,根据闭合电路欧姆定律,可以让滑动变阻器和电源内阻的总阻值等于60 Ω,最终对Rx的测量结果无影响。
核心归纳命题角度1 电表改装(1)把电流表改装为电压表;(2)扩大电流表量程;(3)把电流表改装为欧姆表。命题角度2 多用电表的原理与使用(1)原理:清楚多用电表内部结构,会用串、并联规律和闭合电路欧姆定律进行分析。(2)使用:熟悉多用电表外部功能区域,掌握使用方法及注意事项。
深化拓展 1.三种电表改装方法
2.欧姆表使用“六点注意”(1)电流的流向:使用欧姆挡时,多用电表内部电池的正极接黑表笔、负极接红表笔,从电源外部看,电流从红表笔流入、从黑表笔流出。(2)区分“机械调零”和“欧姆调零”:“机械调零”调节指针至表盘刻度左侧“0”位置,调节表盘下边的指针定位螺丝;“欧姆调零”调节指针至表盘刻度的右侧电阻刻度“0”位置,调节欧姆调零旋钮。(3)倍率选择:使用欧姆挡测电阻时,表头指针偏转过大或过小均有较大误差,指针落在刻度盘的中间区域时读数较准确。(4)换挡需重新进行欧姆调零。(5)读数之后要乘以倍率得阻值。(6)电池用久了,电动势变小,内阻变大,使测量结果偏大。
典例剖析例3(命题角度1)(2022江苏南京、盐城高三一模)某同学要将一量程为3 V的电压表V1改装成量程为15 V的电压表V2。(1)先将V1直接接到内阻很小的电源两端,读数为2.0 V;再将V1与阻值为3 000 Ω的电阻串联后,接到该电源两端,读数为0.8 V,则V1的内阻为 Ω; (2)要改装成量程为15 V的电压表V2,需要将V1表与合适的电阻R (选填“串联”或“并联”);
(3)将改装后的电压表V2与一标准电压表校对,完成下面的实物连接;(4)在闭合开关之前,滑动变阻器的滑片P置于最 (选填“左”或“右”)端; (5)闭合开关,移动滑片P,标准电压表示数为10.5 V时,V1表示数为2.5 V。要达到预期目的,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= (保留三位有效数字)。
解析 (1)先将V1直接接到内阻很小的电源两端,读数为2.0 V,可知电源电动势E=2 V;再将V1与阻值为3 000 Ω的电阻串联后,接到该电源两端,读数为0.8 V,则0.8 V= ,解得V1的内阻为RV=2 000 Ω。(2)要改装成量程为15 V的电压表V2,需要将V1表与合适的电阻R串联。(3)校准电路如图所示。
对点训练5.(命题角度1、2)(2022湖南卷)小梦同学自制了一个两挡位(“×1”“×10”)的欧姆表,其内部结构如图所示,R0为调零电阻(最大阻值为R0m),Rs、Rm、Rn为定值电阻(Rs+R0m
解析 (1)由Rm
(4)设“×10”挡位时欧姆表内阻为R内,电流表满偏电流为Ig,电路简化结构如图
核心归纳命题角度1 伏安法测电动势和内阻(1)闭合电路方程为E=U+Ir,利用两组数据,联立方程求解E和r;(2)作出U-I图像,图线的纵截距表示电源的电动势,斜率的绝对值表示电源的内阻。命题角度2 安阻法测电动势和内阻(1)闭合电路方程为E=I(R+r),利用两组数据联立方程求解;
深化拓展 等效电源法测电源内阻当电源内阻r过小时,如果直接测量,测出电源的内阻误差较大,可以用等效电源法来测量。如图所示,用一个适当的定值电阻R0与电源串联,并把它们看成一个等效电源,这个等效电源的内阻r0=R0+r,其中r是被测电源的内阻。测出这个等效电源的内阻r0,则被测电源的内阻r=r0-R0。
典例剖析例4(命题角度3)(2022黑龙江大庆三模)某课外小组想测两节干电池组成的电源的电动势和内阻,同学们用电压表、电阻箱、开关、若干导线和待测电池组连成电路,电路中用到的器材均完好无损。(1)如图甲所示为该小组同学正准备接入最后一根导线(图中虚线)时的实验电路,下列关于实验操作的论述正确的是 ; A.将电压表直接接在电源两端,实验时读数正常,所以实验中这样接是可以的B.开关处于闭合状态时,接入虚线导线,此操作违反实验操作规则C.电阻箱接入电路中时不允许阻值为零,所以应该调到任意一个不为零的阻值D.只要小心操作,接入虚线导线后,电路是安全的
(2)改正错误后,按照标准实验操作流程操作,该小组同学顺利完成实验,并根据测得的数据画出如图乙所示的 图线,其中U为电压表示数,R为电阻箱连入电路的阻值。由图乙可知,电池组的电动势E= ,内阻r= 。(用a1、a2、b1表示)
(3)利用图像分析电表内阻引起的实验误差。如图丙所示,两条图线分别是根据电压表读数和电流I 描点作图得到的U-I图线和没有电表内阻影响的理想情况下该电源的路端电压U随电流I变化的U-I图线,则由测量值得到的图线是 (选填“P”或“M”)图线,图丙中b-a的含义是 。
通过电压表的电流IV
解析 (1)若将电压表直接接在电源两端,则开关无法控制电压表,会导致电路一直处于接通状态,A错误;由于要在电路断开状态才能进行接线,开关处于闭合状态时,接入虚线导线,此操作违反实验操作规则,B正确;为了保护电路,电阻箱应该调到最大阻值,C错误;接入虚线导线后,电压表还是不受开关的控制,电路还存在一定的风险,D错误。
综上可知|k'|<|k|、b' < b,即电动势和内阻的测量值均偏小,则由测量值得到的图线是P图线;图丙中b-a表示的含义为在相同的电压情况下,流过内阻的电流差,该电流差即流过电压表的电流IV。
方法点拨1.掌握测量电源电动势和内阻的三种常用方法:任何一种实验方法都要紧扣闭合电路欧姆定律E=U+Ir,而最关键的是看电路中如何测量出路端电压U和电路中的总电流I,这也是命题专家命题时的入手点。
2.在数据处理问题中,利用图像得出电动势和内阻是常见的方法——注意“化曲为直”。
对点训练6.(命题角度2)(2021湖南卷)某实验小组需测定电池的电动势和内阻,器材有一节待测电池、一个单刀双掷开关、一个定值电阻(阻值为R0)、一个电流表(内阻为RA)、一根均匀电阻丝(电阻丝总阻值大于R0,并配有可在电阻丝上移动的金属夹)、导线若干。由于缺少刻度尺,无法测量电阻丝长度,但发现桌上有一个圆形时钟表盘。某同学提出将电阻丝绕在该表盘上,利用圆心角来表示接入电路的电阻丝长度。主要实验步骤如下。(1)连接电路,如图甲所示。
(2)开关闭合前,金属夹应夹在电阻丝的 (选填“a”或“b”)端。 (3)改变金属夹的位置,闭合开关,记录每次接入电路的电阻丝对应的圆心角θ和电流表示数I,得到多组数据。(4)整理数据并在坐标纸上描点绘图,所得图像如图乙所示,图线斜率为k,与纵轴截距为d,设单位角度对应电阻丝的阻值为r0,该电池电动势和内阻可表示为E= ,r= 。(用R0、RA、k、d、r0表示)
(5)为进一步确定结果,还需要测量单位角度对应电阻丝的阻值r0。利用现有器材设计实验,在图丙方框中画出实验电路图(电阻丝用滑动变阻器符号表示)。 丙(6)利用测出的r0,可得该电池的电动势和内阻。
7.(命题角度1)(2022山东日照高三一模)某物理探究小组的同学设计了如图甲所示的实验电路测定干电池的电动势和内阻。提供的实验器材有:电池组(两节干电池);定值电阻R0=2 Ω;毫安表(量程为50 mA,内阻Rg=4.5 Ω);电压表(量程为3 V,内阻很大);滑动变阻器R;电阻箱;开关;导线若干。
(1)将电阻箱的阻值调至0.5 Ω,则图甲中虚线框内改装后电流表的量程为 mA。 (2)实验步骤如下:①闭合开关S前,将滑动变阻器R的滑片移到 (选填“左”或“右”)端;②闭合开关S,改变滑片位置,记下电压表的示数U和毫安表的示数I,多次实验后将所测数据描绘在如图乙所示的坐标纸上,作出U-I图线。(3)每节干电池的电动势E= V,内阻r= Ω。(结果均保留两位有效数字)
解析 (1)将电阻箱的阻值调至0.5 Ω,则图甲中虚线框内改装后电流表的量程为I=Ig+ ,代入数据解得I=500 mA。(2)为了保护电路,应使滑动变阻器接入电路的电阻最大,即滑片应移到左端。(3)根据毫安表的改装原理,当毫安表示数为I时,此时电路中的电流为10I,根据甲所示电路图,设改装后电流表内阻为RA,由欧姆定律可知,电压表的示数为U=2E-10(R0+2r+RA)I,由图乙所示图像可知,纵轴截距为b=2E,解得E=1.5 V,图像斜率的绝对值为k=10(R0+2r+RA),代入数据解得r=1.0 Ω。
核心归纳命题角度1 观察电容器的充、放电现象(1)充电过程Q、U、E均增大,放电过程Q、U、E均减小; (2)放电过程电流随时间变化图像与坐标轴围成的面积表示电容器减少的电荷量。命题角度2 探究影响感应电流方向的因素明确条形磁铁磁感线方向→判断穿过线圈的磁通量变化→观察感应电流方向→得出实验结论。命题角度3 探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系
典例剖析例5(命题角度3)如图所示,在用可拆变压器探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系的实验中,下列说法正确的是( )A.本实验可以用直流电源供电,且可以用直流电压表测量原、副线圈两端的电压B.原线圈接0、4接线柱,副线圈分别接0、2或0、8接线柱时,副线圈输出电压的频率不同C.原线圈接0、2接线柱,副线圈接0、4接线柱,副线圈电压小于原线圈电压D.用可拆变压器,保持原、副线圈匝数和原线圈两端的电压不变,副线圈电压不变
解析 变压器只能改变交流电压,不能改变直流电压,A错误。变压器两端的电压不同,电流不同,功率相等,电压的频率相等,B错误。根据原、副线圈匝数之比等于输入、输出电压之比可知,原线圈接0、2接线柱,副线圈接0、4接线柱,副线圈电压大于原线圈电压,C错误。根据原、副线圈匝数之比等于输入、输出电压之比可知,用可拆变压器,保持原、副线圈匝数和原线圈两端的电压不变,副线圈电压不变,D正确。
对点训练8.(命题角度2)如图所示,线圈A通过滑动变阻器和开关连接到电源上,线圈B的两端连到电流表上,把线圈A装在线圈B的里面。实验中观察到,开关闭合瞬间,电流表指针向右偏转,则( )A.开关断开瞬间,电流表指针不偏转B.开关闭合瞬间,两个线圈中的电流方向可能同为顺时针或逆时针C.开关闭合,向右移动滑动变阻器的滑片,电流表指针向右偏转D.开关闭合,向上拔出线圈A的过程中,线圈B将对线圈A产生排斥力
解析 开关断开瞬间,线圈B中会产生感应电流阻碍穿过线圈B的磁通量减小,所以电流表指针会偏转,A错误。开关闭合瞬间,线圈B中会产生感应电流阻碍穿过线圈B的磁通量增大,所以两个线圈中的电流方向一定相反,B错误。开关闭合,向右移动滑动变阻器的滑片,滑动变阻器接入回路的阻值减小,则线圈A中的电流增大,线圈B中会产生感应电流阻碍穿过线圈B的磁通量增大,所以感应电流的方向应和开关闭合瞬间时的相同,即电流表指针向右偏转,C正确。开关闭合,向上拔出线圈A的过程中,线圈B中会产生感应电流阻碍穿过线圈B的磁通量减小,表现为线圈B对线圈A产生吸引力,D错误。
9.(命题角度1)(2022北京房山二模)电容器是一种重要的电学元件,在电工、电子技术中应用广泛。使用图甲所示电路观察电容器的充、放电过程。电路中的电流传感器与计算机相连,可以显示电路中电流随时间的变化。图甲中直流电源电动势E=8 V,实验前电容器不带电。先使S与“1”端相连给电容器充电,充电结束后,使S与“2”端相连,直至放电完毕。计算机记录的电流随时间变化的i-t曲线如图乙所示。
(1)图乙中阴影为i-t图像与对应时间轴所围成的面积,表示的物理意义是 ; (2)图乙中阴影部分的面积S1 (选填“>”“<”或“=”)S2; (3)计算机测得S1=1 203 mA·s,则该电容器的电容为 F;(保留两位有效数字) (4)由甲、乙两图可判断阻值R1 (选填“>”“<”或“=”)R2。
知识精要1.对于电学实验的创新,应注意的2个问题(1)在解决设计型实验时,要注意条件的充分利用,如对于给定确切阻值的电压表和电流表,电压表可当作电流表使用,电流表也可当作电压表使用,利用这一特点,可以拓展伏安法测电阻的方法,如伏伏法、安安法等。(2)对一些特殊电阻的测量,如电流表或电压表内阻的测量,电路设计有其特殊性,即首先要注意到其自身量程对电路的影响,其次要充分利用其“自报电流或自报电压”的功能,因此在测电压表内阻时无需另并联电压表测电压,测电流表内阻时无需再串联电流表测电流。
2.解决电学设计型实验常用的3种方法(1)转换法:将不易测量的物理量转换成可以(或易于)测量的物理量进行测量,然后再反求待测物理量的值,这种方法叫转换测量法(简称转换法)。如在测量金属丝电阻率的实验中,虽然无法直接测量电阻率,但可通过测量金属丝的长度和直径,并将金属丝接入电路测出其电阻,进而计算出它的电阻率。(2)替代法:用一个标准的已知量替代被测量,通过调整标准量,使整个测量系统恢复到替代前的状态,则被测量等于标准量。(3)控制变量法:研究一个物理量与其他几个物理量的关系时,每次只改变其中的一个物理量,而控制其余几个物理量不变,从而研究被改变的这个物理量与要研究的那个物理量的关系,分别加以研究后再归纳总结,如探究电阻的决定因素实验。
考向分析同力学实验一样,高考对电学实验的考查,大都是创新类电学实验题。这类问题,要通过审题,弄清属于什么类型的创新,然后再结合已有的电学知识(如串并联关系、闭合电路欧姆定律等)和实验方法进行推理,找到突破方向。
案例探究例题(2022四川绵阳三模)某兴趣小组用金属铂电阻制作量程0~500 ℃的电阻温度计。已知金属铂电阻Rt与温度t的关系是:Rt=R0(1+θt),其中R0=40 Ω,温度系数θ=0.004 ℃-1。(1)设计电路该小组设计的电阻温度计测量电路如图所示,他们准备了如下实验器材:干电池1节(E=1.5 V,内阻r=1 Ω),毫安表(0~30 mA, Rg=1 Ω),滑动变阻器R1(0~5 Ω),滑动变阻器R2(0~50 Ω),开关S一只,导线若干。滑动变阻器应选 (选填“R1”或“R2”)。
(2)在毫安表刻度盘上标注温度刻度值①温度调零(即确定0 ℃刻度)断开开关S,为保证电路安全,应先将滑动变阻器的滑片拨至如图所示的b端,根据电路图连接好实物。将金属铂电阻放入0 ℃冰水混合物中,稳定后闭合开关S,调节滑动变阻器阻值使毫安表满偏,则30 mA刻度即对应0 ℃刻度,并保持滑动变阻器滑片位置不动。②确定刻度通过理论计算出每一电流刻度所对应的温度值,并标注在刻度盘上。毫安表半偏位置对应的温度是 ℃。该温度计刻度线是 (选填“均匀”或“不均匀”)的。
③实际检验将金属铂电阻放入其他已知温度的物体中,待指针稳定后,检验指针所指温度与实际温度在误差允许范围内是否一致。(3)实际测量测量前完成(2)中①的温度调零操作,将金属铂电阻放入某未知温度的物体中,待指针稳定后读数,测出该物体的温度。(4)误差分析若干电池使用时间较长,其电动势会减小,内阻变大。用该温度计按照(3)中的测量方法进行测量(能够完成温度调零),则测量结果 (选填“偏大”“不变”或“偏小”)。
(4)若干电池使用时间较长,其电动势会减小,内阻变大,设电动势变为E',内阻变为r',能够完成温度调零时,根据闭合电路欧姆定律可得E'=Im(R0+r'+Rg+R'),当进行测量时,假设毫安表电流为I2,此时对应温度刻
角度拓展1 (2022广东广州一模)利用输出电压为3 V的恒压电源、量程为0~0.6 A的电流表(内阻不计)、定值电阻、阻值随长度均匀变化的电阻丝(长度为0.05 m,总阻值为25 Ω)、弹簧(电阻不计)、开关、导线,改装成如图甲所示的测力计。
(1)图甲的电路中,定值电阻的作用是 ,阻值至少为 Ω; (2)弹簧所受拉力F与其伸长量ΔL的关系如图乙所示。若定值电阻为10 Ω,则电流表的示数I与弹簧所受拉力F的关系式I= (A),可知由电流表改装的测力计刻度 (选填“均匀”或“不均匀”),当电流表的示数为0.3 A时,对应标示的力为 N。
解析 (1)电路中接入定值电阻的目的是对电流表起保护作用,防止当P移动到电阻丝的最右端时电流表被烧坏;当电路中电流达到最大0.6 A时,电路中的总电阻最小值为R= Ω=5 Ω,所以定值电阻至少为5 Ω。
角度拓展2 (2022四川遂宁模拟)现用如图甲所示的电路来测量恒流源(输出电流大小恒定)的输出电流I0和并联电阻的阻值R0。调节电阻箱R的阻值,电流表测得多组I值,并计算出 数值。
(1)根据测量数据,作出 -R函数关系曲线如图乙所示,图中直线纵截距为a,斜率为k,若不考虑电流表内阻,则I0= ,R0= 。(用a和k表示) (2)若考虑电流表内阻带来的系统误差,则I0测量值 (选填“>”“=”或“<”)真实值; (3)把一小灯泡接在恒流源和定值电阻两端,如图丙所示,小灯泡伏安特性曲线如图丁所示,若测得I0=0.26 A,R0=11.0 Ω,则小灯泡实际功率为 W。(计算结果保留两位有效数字)
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