2027届高考物理 人教版（2019）一轮复习学案 专题22 电学实验

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掌握观察电容器的充、放电现象实验内容；
掌握导体电阻的测量实验内容；
掌握导体电阻率的测量实验内容；
掌握测量电源的电动势和内阻实验内容；
掌握练习使用多用电表实验内容；
掌握描绘小灯泡的伏安特性曲线实验内容；
掌握探究影响感应电流方向的因素实验内容；
掌握探究电磁感应的产生条件实验内容；
掌握探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系实验内容；
掌握电学实验创新的分析方法和解题思路。
核心考点01 电学基本实验
一、观察电容器的充、放电现象
1、实验原理
①电容器的充电过程：如下图所示，当开关S接1时，电容器接通电源，在静电力的作用下自由电子从正极板经过电源向负极板移动，正极板因失去电子而带正电，负极板因获得电子而带负电。正、负极板带等量的正、负电荷。电荷在移动的过程中形成电流，在充电开始时电流比较大，随着极板上电荷的增多，电流逐渐减小，当电容器两极板间电压等于电源电压时电荷停止定向移动，电流为零。
②电容器的放电过程：如下图所示，当开关S接2时，相当于将电容器的两极板直接用导线连接起来，电容器正、负极板上电荷发生中和。在电子移动过程中形成电流，放电开始电流较大，随着两极板上的电荷量逐渐减小，电路中的电流逐渐减小，两极板间的电压也逐渐减小到零。
3、实验装置图
4、实验步骤
①按实验装置图连接好电路。
②把单刀双掷开关S打在上面，使触点1和触点2连通，观察电容器的充电现象，并将结果记录在表格中。
③将单刀双掷开关S打在下面，使触点3和触点2连通，观察电容器的放电现象，并将结果记录在表格中。
④记录好实验结果，关闭电源。
5、注意事项
①要选择大容量的电容器。
②实验要在干燥的环境中进行。
③电流表要选用小量程的灵敏电流计。
电容储能已经在电动汽车，风、光发电、脉冲电源等方面得到广泛应用。某同学设计图甲所示电路，探究不同电压下电容器的充、放电过程，器材如下：

电容器C(额定电压10V，电容标识不清)；
电源E(电动势12V，内阻不计)；
电阻箱R1(阻值0∼99999.9Ω)；
滑动变阻器R2(最大阻值20Ω，额定电流2A)；
电压表V(量程15V，内阻很大)；
发光二极管D1、D2，开关S1、S2，电流传感器，计算机，导线若干。

回答以下问题：
(1)按照图甲连接电路，闭合开关S1，若要升高电容器充电电压，滑动变阻器滑片应向___________端滑动(填“a”或“b”)。
(2)调节滑动变阻器滑片位置，电压表表盘如图乙所示，示数为___________V(保留1位小数)。
(3)继续调节滑动变阻器滑片位置，电压表示数为8．0V时，开关S2掷向1，得到电容器充电过程的I−t图像，如图丙所示。借鉴“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中估算油膜面积的方法，根据图像可估算出充电结束后，电容器存储的电荷量为___________C(结果保留2位有效数字)。
(4)本电路中所使用电容器的电容约为___________F(结果保留2位有效数字)。
(5)电容器充电后，将开关S2掷向2，发光二极管___________(填“D1”或“D2”)闪光。
二、导体电阻的测量（五种方法）
1、双安法
利用两个电流表的组合测量电流表的内阻或其他电阻的方法。
原理：
①电路图如下，电流表A1、A2的读数分别为I1、I2 ，电流表A1的内阻为r1，定值电阻R0的电流I0＝I2－I1，电流表A1的电压U1＝(I2－I1)R0。若r1为已知量，可求得R0＝eq \f(I1r1,I2－I1)。若R0为已知量，可求得电流表A1的内阻r1＝eq \f(I2－I1R0,I1)。
②电路图如下，电流表A1、A2的读数分别为I1、I2 ，电流表A1的内阻为r1。则有I1(r1＋R0)＝(I2－I1)Rx，则如果r1、R0已知，可求出Rx的阻值；如果R0、Rx已知，可以求出电流表A1的内阻r1。
③电路图如下，电流表A1、A2的读数分别为I1、I2 ，电流表A1的内阻为r1。则有I1(r1＋Rx)＝(I2－I1)R0，则如果r1、R0已知，可求出Rx的阻值；如果R0、Rx已知，可以求出电流表A1的内阻r1。
【注意】已知内阻值的电流表可当作电压表使用。在缺少合适的电压表的情况下，常用电流表代替电压表使用，这是设计电路中的常用技巧，也是高考的热点之一。
学校物理兴趣小组设计如图甲所示电路来测量一电阻Rx的阻值。其中R0是定值电阻，R是电阻箱。
（1）完善下列实验步骤：
①按照电路图用导线把实验器材连接起来；
②为安全起见，闭合开关前，电阻箱R的阻值应调至________(填写“最大值”或“最小值”)；
③闭合开关，调节电阻箱，当阻值为R时记录电流表A1、A2的示数I1、I2；
④多次改变电阻箱阻值，并记录相应的电流表的示数；
⑤把记录的数据填在表格中，计算出eq \f(I2,I1)的值；
⑥以eq \f(I2,I1)为纵轴，电阻箱阻值R为横轴，描点作图，得到如图乙所示图像；
⑦根据图像计算待测电阻的阻值。
(2)用RA1、RA2表示电流表的内阻，待测电阻Rx的表达式为________(用题目中所给或所测物理量表示)。
(3)根据如图乙所示的eq \f(I2,I1)－R图像，求得Rx＝________Ω。
(4)考虑到电流表的内阻，由图乙求得的电阻值________(填写“偏大”“偏小”或“没有系统误差”)。
2、双伏法
利用两个电压表的组合测量电压表的内阻或其他电阻的方法。
原理：
①电路图如下，电压表V1、V2的读数分别为U1、U2 ，，电压表V1的内阻r1，电压表U1的电流I1＝eq \f(U2－U1,R0)，若r1为已知量，可求得R0＝eq \f(U2－U1,U1)r1。若R0为已知量，可求得电压表V1的内阻r1＝eq \f(U1,U2－U1)R0。
②电路图如下，如果电压表V1的内阻r1、电阻R0已知，电压表V1、V2的读数分别为U1、U2 ，根据电路知识可知流过被测电阻Rx的电流为I＝eq \f(U1,r1)＋eq \f(U1,R0)＝eq \f(U1R0＋r1,R0r1)，则被测电阻为Rx＝eq \f(U2－U1,I)＝eq \f(U2－U1R0r1,U1R0＋r1)。同理，如果R0、Rx为已知，可以由上面的关系求出电压表V1的内阻r1。

用以下器材可测量电阻Rx的阻值。
待测电阻Rx：阻值约为600 Ω；电源E：电动势约为6.0 V，内阻可忽略不计；
电压表V1：量程500 mV，内阻r1＝1 000 Ω；电压表V2：量程6 V，内阻r2约为10 kΩ；
电流表A：量程0.6 A，内阻r3约为1 Ω；定值电阻R0：R0＝60 Ω；
滑动变阻器R：最大阻值为150 Ω；单刀单掷开关S一个，导线若干。
(1)测量中要求两只电表的读数都不小于其量程的eq \f(1,3)，并能测量多组数据，请在实线框中画出测量电阻Rx的实验电路图。
(2)若选择测量数据中的一组来计算Rx，则由已知量和测量物理量计算Rx的表达式为Rx＝______，式中各符号的意义是________________________________________。
3、等效替代法
测量某电阻(或电表的内阻)时，用电阻箱替换待测电阻，若二者对电路所起的作用相同(如电流或电压相等)，则电阻箱与待测电阻是等效的。故电阻箱的读数即为待测电阻的阻值。
原理：
电流等效替代，电路图如下，实验步骤为：①按如图电路图连接好电路，并将电阻箱R0的阻值调至最大，滑动变阻器的滑片P置于a端；②)闭合S1、S2，调节滑片P，使电流表指针指在适当的位置，记下此时电流表的示数为I；③断开S2，再闭合S3，保持滑动变阻器滑片P位置不变，调节电阻箱，使电流表的示数仍为I；④此时电阻箱接入电路的阻值R0与未知电阻Rx的阻值等效，即Rx＝R0。
电压等效替代，电路图如下，实验步骤为：①按如图电路图连接好电路，并将电阻箱R0的阻值调至最大，滑动变阻器的滑片P置于a端；②) 闭合S1、S2，调节滑片P，使电压表指针指在适当的位置，记下此时电压表的示数为U；③断开S2，再闭合S3，保持滑动变阻器滑片P位置不变，调节电阻箱使电压表的示数仍为U；④此时电阻箱接入电路的阻值R0与未知电阻Rx的阻值等效，即Rx＝R0。
电流表A1的量程为0～200 μA、内阻约为500 Ω，现要测量其内阻，除若干开关、导线之外还有器材如下：电流表A2：与A1规格相同；滑动变阻器R1：阻值0～20 Ω；电阻箱R2：阻值0～9 999 Ω；
保护电阻R3：阻值约为3 kΩ；电源：电动势E约为1.5 V、内阻r约为2 Ω。
(1)如图所示，某同学想用等效替代法测量电流表内阻，设计了部分测量电路，在此基础上请将滑动变阻器接入电路中，使实验可以完成。
(2)电路补充完整后，请完善以下测量电流表A1内阻的实验步骤。
a．先将滑动变阻器R1的滑片移到使电路安全的位置，再把电阻箱R2的阻值调到________(选填“最大”或“最小”)。
b．闭合开关S1、S，调节滑动变阻器R1，使两电流表的指针在满偏附近，记录电流表A2的示数I。
c．断开S1，保持S闭合、R1不变，再闭合S2，调节R2，使电流表A2的示数________，读出此时电阻箱的阻值R0，则电流表A1的内阻r＝________。
4、电桥法
电桥法是测量电阻的一种特殊方法。
原理：如下左图所示，实验中调节电阻箱R3，使灵敏电流计G的示数为0；当IG＝0时，有UAB＝0，则UR1＝UR3，UR2＝URx，电路可以等效为如下右图所示；根据欧姆定律有eq \f(UR1,R1)＝eq \f(UR2,R2)，eq \f(UR1,R3)＝eq \f(UR2,Rx)，由以上两式解得R1Rx＝R2R3或eq \f(R1,R2)＝eq \f(R3,Rx)，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。

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：
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
根据表中数据在图(c)上描点，绘制U-m关系图线；
(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(重力加速度取9.8 m/s2，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______F0(填“>”“＝”或“RV，从而造成RV的测量值偏大．显然电压表半偏法适用于测量内阻较大的电压表的电阻。减少误差的方法：选电动势较大的电源E，滑动变阻器R1满足条件为R1≪RV。
某同学从多用电表内部拆出一个量程为200μA的灵敏电流表，现要测量该表头的内阻（大于2000Ω），实验室所提供的器材有：
A．待测灵敏电流表；B．电阻箱（0∼99999.9Ω）；
C．滑动变阻器（最大阻值为5Ω，允许通过的最大电流为0.5A）；
D．滑动变阻器（最大阻值为50Ω，允许通过的最大电流为0.1A）；
E．干电池一节（电动势约为1.5V，内阻约为1Ω）；F．导线若干、开关两个。
该同学设计了如图甲所示的电路图，正确连接电路后进行了如下操作：
①把滑动变阻器的滑片滑到a端，闭合开关，并将电阻箱的阻值调到较大；
②闭合开关，调节滑动变阻器的滑片，使灵敏电流表满偏；
③保持开关闭合、滑动变阻器滑片的位置不变，断开开关，调整电阻箱的阻值，当灵敏电流表半偏时，电阻箱旋钮位置如图丙所示。
请回答下列问题：
(1)滑动变阻器应选用 （填“”或“”）；(2)用笔画线代替导线将实物图乙补充完整 ；
(3)该灵敏电流表的内阻为 Ω；
(4)在操作无误的情况下，灵敏电流表内阻的测量值 （填“大于”“小于”或“等于”）真实值。
三、导体电阻率的测量
1、实验原理
设计实验电路，如实验电路图，取一段金属电阻丝连接到电路中，测出电阻丝的电阻R、长度l和直径d（S＝eq \f(πd2,4)），由R＝ρeq \f(l,S)得：ρ＝eq \f(RS,l)（用R、S、l表示）＝eq \f(πd2R,4l)（用R、d、l表示），从而计算出该电阻丝所用材料的电阻率。
2、实验电路图
3、实验器材
被测金属丝，直流电源，电流表，电压表，滑动变阻器，开关，导线若干，螺旋测微器，刻度尺。
4、实验步骤
用螺旋测微器在被测金属丝上的三个不同位置各测一次直径d，求出其平均值。
用毫米刻度尺测量接入电路中的被测金属丝的有效长度l，反复测量三次，求出平均值。
连接好用伏安法测电阻的实验电路。
把滑动变阻器的滑片调节到使接入电路中的电阻值最大的位置。
闭合开关，改变滑动变阻器滑片的位置，读出几组相应的电流表、电压表的示数I和U的值，记录在表格内。
5、实验数据处理
求Rx的平均值的方法：①用Rx＝eq \f(U,I)分别算出各次的数值，再取平均值；②用U－I图线的斜率求出。
金属丝电阻率的计算：ρ＝Rxeq \f(S,l)＝eq \f(πd2U,4lI)。
6、实验误差分析
偶然误差：金属导线的直径测量、长度测量、电流表和电压表的读数等会带来偶然误差。
统误差：(1)采用伏安法测量金属导线的电阻时，由于采用的是电流表外接法，测量值小于真实值，使电阻率的测量值偏小。
由于金属导线通电后会发热升温，使金属导线的电阻率变大，造成测量误差。
7、实验注意事项
①先测直径，再连电路。为了准确，应测量拉直悬空的连入电路的导线的有效长度（测量待测金属丝接入电路的两个端点之间的长度，亦即电压表两端点间的待测金属丝长度），且各测量三次，取平均值。
②实验连线时，应先从电源的正极出发，依次将电源、开关、电流表、待测金属丝、滑动变阻器连成主干线路（闭合电路），然后再把电压表并联在待测金属丝的两端。
③本实验中被测金属丝的阻值较小，故采用电流表外接法。
④实验过程中电流不宜过大，通电时间不宜太长，以免金属丝温度过高，导致电阻率在实验过程中变大。
⑤闭合开关S之前，一定要使滑动变阻器的滑片处在阻值最大的位置。
⑥为准确求出R的平均值，应多测几组U、I数值，若采用图像法求R的平均值时，在描点时，要尽量使各点间的距离拉大一些，连线时要尽可能地让各点均匀分布在直线的两侧，个别明显偏离较远的点可以不予考虑。
某同学想要测量一段合金丝的电阻率：需要先测量这段合金丝的的阻值（约50Ω）。
实验器材有：电源E（电动势3V，内阻不计）；电流表（量程0~60mA，内阻约5Ω）；
电流表（量程0~0.6mA、内阻为100Ω）；滑动变阻器R；开关一个、导线若干。
主要操作步骤如下：
(1)首先将电流表与阻值为 Ω的定值电阻进行 （填写“串”或“并”）联改装成量程为0~3V的电压表；
(2)设计、连接电路，该电路要尽可能精确地测定合金丝的阻值。请在下方虚线框内画出符合要求的电路图（电路图中的各个器材元件用、、、R、等字母标明） 。
(3)根据步骤（2）中的正确电路进行实验，若电流表的读数为（单位为A），电流表的读数为（单位为A），则的精确测量值可以表达为 。（用字母、和数字表示）
四、测量电源的电动势和内阻（3种方法）
1、伏安法
实验原理：闭合电路欧姆定律，即U＝E−Ir。
实验电路图
实验器材：电源、电压表、电流表、滑动变阻器、开关、导线、坐标纸和刻度尺。
实验步骤：①根据电路图连接好电路，电流表用0.6 A的量程，电压表用3 V的量程；②把滑动变阻器的滑片调节到使接入电路中的电阻值最大的位置；③闭合开关，调节滑动变阻器，使电流表有明显示数并记录一组数据(I1，U1)。用同样的方法再测量几组I、U值，填入表格中；④断开开关，拆除电路，整理好器材。
实验数据处理：①列方程组进行求解，将两组数据(I1，U1)和(I2，U2)代入到方程U＝E－Ir得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(U1＝E－I1r,U2＝E－I2r))，解得E、r。②用作图法处理数据，如下图所示，由图像可得：图线与纵轴交点为E；图线与横轴交点为I短＝eq \f(E,r)；图线的斜率的绝对值表示r＝|eq \f(ΔU,ΔI)|。
实验注意事项：①应使用内阻大些(用过一段时间)的干电池；在实验中不要将I调得过大；每次读完I和U的数据后应立即断开电源，以免干电池在大电流放电时E和r明显变化。②合理选择电压表、电流表量程。测一节干电池的电动势和内阻时，电压表选3 V量程，电流表选0.6 A量程，滑动变阻器选0～10 Ω。③在作U－I图线时，要使较多的点落在这条直线上，不在直线上的点应均匀分布在直线的两侧，忽略个别偏离直线较远的点，以减小偶然误差。
实验误差分析：偶然误差：主要来源于电压表和电流表的读数以及作U－I图像时描点不准确。
系统误差：①电流表内接法：电压表的分流作用造成误差，电压值越大，电压表分流越多，对应的I真与I测的差越大，IV＝eq \f(U,RV)。其中U－I图像如下图所示。
结论：I真＝I测＋eq \f(U,RV)，E测