高考物理一轮复习第八章恒定电流第3课时电学实验基础学案新人教版

第3课时　电学实验基础

一、游标卡尺和螺旋测微器

(一)游标卡尺

1．原理：利用主尺的最小分度与游标尺的最小分度的差值制成。不管游标尺上有多少个小等分刻度，它的刻度部分的总长度比主尺上的同样多的小等分刻度少 1 mm。

2．精度：对应关系为10分度0.1 mm,20分度0.05 mm,50分度0.02 mm。

3．读数：若用x表示由主尺上读出的整毫米数，K表示从游标尺上读出与主尺上某一刻线对齐的游标刻线的格数，则记录结果表达为(x＋K×精度)mm。

(二)螺旋测微器

1．原理：测微螺杆与固定刻度之间的精密螺纹的螺距为0.5 mm，即旋钮每旋转一周，测微螺杆前进或后退0.5 mm，而可动刻度上的刻度为50等份，每转动一小格，测微螺杆前进或后退0.01 mm，即螺旋测微器的精确度为0.01 mm。读数时估读到毫米的千分位上，因此，螺旋测微器又叫千分尺。

2．读数：测量值(mm)＝固定刻度数(mm)(注意半毫米刻度线是否露出)＋可动刻度数(估读一位)×0.01(mm)。

[例1]　(1)如图甲、乙所示的两把游标卡尺，它们的游标尺分别为9 mm长10等分、19 mm长20等分，则读数依次为________mm、________mm。

(2)在测定一根粗细均匀合金丝电阻率的实验中，利用螺旋测微器测定合金丝直径的过程如图丙、丁所示，校零时的读数为________mm，测得合金丝的直径为________mm。

[解析]　(1)题图甲读数：主尺读数为17 mm，游标尺读数是5×0.1 mm＝0.5 mm，最后结果是17 mm＋0.5 mm＝17.5 mm。题图乙读数：主尺读数为23 mm，游标尺读数是7×0.05 mm＝0.35 mm，最后结果是23 mm＋0.35 mm＝23.35 mm。

(2)由于螺旋测微器校零时有误差，估读为0.003 mm，测量后的读数为0.645 mm，去掉校零误差，可得合金丝的直径为0.642 mm。

[答案]　(1)17.5　23.35　(2)0.003　0.642(0.640～0.644 均可)

(1)游标卡尺不需要估读，读数结果对应10分度为××.×mm一位小数，20分度和50分度为××.××mm两位小数，换算单位时只需要移动小数点，最后一位数字即使是0也不能省略。

(2)螺旋测微器需要估读，读数结果为×.×××mm三位小数，需要特别注意半毫米刻度线是否露出。

二、电流表的内接法与外接法(对应学生用书P161)

(一)两种接法的比较

(二)两种接法的选择

1．阻值比较法：先将待测电阻的估计值与电压表、电流表内阻进行比较，若Rx较小，宜采用电流表外接法；若Rx较大，宜采用电流表内接法。简单概括为“大内偏大，小外偏小”。

2．临界值计算法

(1)Rx< 时，用电流表外接法。

(2)Rx> 时，用电流表内接法。

3．实验试探法：按如图所示接好电路，让电压表一根接线柱P先后与a、b处接触一下，如果电压表的示数有较大的变化，而电流表的示数变化不大，则应采用电流表外接法；如果电流表的示数有较大的变化，而电压表的示数变化不大，则应采用电流表内接法。

[例2]　在用伏安法测电阻的实验中，待测电阻Rx约为 200 Ω，电压表的内阻约为2 kΩ，电流表的内阻约为10 Ω，测量电路中电流表的连接方式如图甲或图乙所示，结果由公式Rx＝ 计算得出，式中U与I分别为电压表和电流表的示数。若将图甲和图乙中电路测得的电阻值分别记为Rx1和Rx2，则________(填“Rx1”或“Rx2”)更接近待测电阻的真实值，且测量值Rx1________(填“大于”“等于”或“小于”)真实值，测量值Rx2________(填“大于”“等于”或“小于”)真实值。

[解析]　根据题意知 >，电压表的分流作用较显著，故采用电流表内接法得到的Rx1更接近待测电阻的真实值。题图甲的测量值是Rx与RA串联的电阻阻值，故Rx1>Rx真；题图乙的测量值是Rx与RV并联的电阻阻值，故 Rx2<Rx真。

[答案]　Rx1　大于　小于

本题无法判断待测电阻“较大”还是“较小”，故将和进行对比，实际上采用的是临界值计算法。

三、滑动变阻器的分压接法和限流接法

1．两种接法的比较

2.两种接法的选择

[例3]　某学习小组探究电学元件的伏安特性曲线。

(1)甲同学要描绘一个标有“3.6 V,1.2 W”的小灯泡的伏安特性曲线，除了导线和开关外，还有下列器材可供选择：

电压表V(量程5 V，内阻约为5 kΩ)

直流电源E(电动势4.5 V，内阻不计)

电流表A1(量程350 mA，内阻约为1 Ω)

电流表A2(量程150 mA，内阻约为2 Ω)

滑动变阻器R1(阻值0～200 Ω)

滑动变阻器R2(阻值0～10 Ω)

实验中电流表应选________，滑动变阻器应选________；(填写器材代号)

以下的四个电路中应选用________进行实验。

(2)乙同学利用甲同学的电路分别描绘了三个电学元件的伏安特性曲线，如图(a)所示。然后他用图(b)所示的电路给三个元件分别供电，并测出给元件1和元件2供电时的电流和电压值，分别标在图上，它们是A点和B点。已知R0＝9.0 Ω，则该电源的电动势E′＝________ V，内电阻r′＝________ Ω。这个电源给元件3供电时，元件3的电功率P＝________ W。

[解析]　(1)灯泡的规格为“3.6 V,1.2 W”，则灯泡的额定电流I＝ A＝333 mA，灯泡的电阻Rx＝10.8 Ω，观察所给器材的规格，电流表应该用量程为350 mA的A1，测量灯泡的伏安特性曲线，电流需要从0调起，所以滑动变阻器用分压式接法，所以用R2；据Rx2＝10.82＜RARV＝5 000，所以电流表应用外接法，所以实验电路要选择A图。

(2)根据闭合电路欧姆定律，测量元件1时有：E＝IARA＋IAr＋IAR0，据图可知IA＝0.08 A，UA＝2.2 V，则RA＝27.5 Ω，测量元件2时有：E＝IBRB＋IBr＋IBR0，据图可知IB＝0.15 A，UB＝1.5 V，则RB＝10 Ω，代入数据后可求电源电动势E＝3.0 V，电源内阻r＝1.0 Ω。在图中，过电压轴的3 V、A、B几点画一直线交于电流轴，该直线就是外电压随电流的变化图，图线与1、2、3元件的图像交点正是这几个元件接在该电源上的实际工作状态，所以可以看出元件3的电压U3＝1 V，电流I3＝0.2 A，所以元件3的功率为P＝UI＝0.2 W。

[答案]　(1)A1　R2　A　(2)3.0　1.0　0.2

研究小灯泡的伏安特性或者其他实验中，若要求元件的电压、电流从零开始变化，或者要求“多测几组数据”“测量结果尽量准确”等，一定要采用分压接法，此时应选择阻值范围较小的滑动变阻器便于调节。

四、电表的改装

考查角度1　电流计改装成电压表

　　[例4]　(2021年1月新高考8省联考·重庆卷)某同学拟将量程为Ig＝1 mA，内阻约为几十欧姆的电流表G改装成量程为1 V的电压表。

(1)他首先设计了如图所示电路来测量电流表G的内阻Rg，图中E为电源电动势。现有最大阻值分别为100 Ω和2 600 Ω的滑动变阻器，则R2应选用最大阻值为________Ω的滑动变阻器。开关S1接通，S2未接通时，调节R2使电流表G示数为1.00 mA；接通S2后，保持滑动变阻器R2的滑片位置不变，调节电阻箱R1，当其阻值为50 Ω时，电流表G的示数为0.50 mA，则电流表G的内阻Rg为________Ω。

(2)为了将电流表G改装成量程为1 V的电压表，需要______(选填“串联”或“并联”)一个大小为______Ω的电阻。

[解析]　(1)本题中采用“半偏法测电流表的内阻”，要求滑动变阻器的阻值远大于电流表的内阻，电流表内阻为几十欧，则R2应选用最大阻值为2 600 Ω的滑动变阻器。闭合S2后，电流表示数减小一半，通过电阻箱的电流等于通过电流表的电流，故电阻箱的阻值等于电流表内阻，即50 Ω。(2)改装后电压表的内阻较大，故应该串联一个电阻。改装后电压表的满偏电流为0.001 A，满偏电压为1 V，则改装后电压表内阻为RV＝ Ω＝1 000 Ω，则需要串联的电阻为R＝RV－Rg＝1 000 Ω－50 Ω＝950 Ω。

[答案]　(1)2 600　50　(2)串联　950

考查角度2　电流计改装成电流表

[例5]　(2018·全国卷Ⅱ)某同学组装一个多用电表。可选用的器材有：微安表头(量程100 μA，内阻900 Ω)；电阻箱R1(阻值范围0～999.9 Ω)；电阻箱R2(阻值范围0～99 999.9 Ω)；导线若干。

要求利用所给器材先组装一个量程为1 mA的直流电流表，在此基础上再将它改装成量程为3 V的直流电压表。组装好的多用电表有电流1 mA和电压3 V两挡。

回答下列问题：

(1)在虚线框内画出电路图并标出R1和R2，其中*为公共接线柱，a和b分别是电流挡和电压挡的接线柱。

(2)电阻箱的阻值应取R1＝________Ω，R2＝________Ω。(保留到个位)

[解析]　(1)微安表头改装成毫安电流表需要并联一个小电阻，再把电流表改装成电压表，需要串联一个大电阻，电路如图所示。

(2)接a时改装成量程为1 mA的电流表，有IgRg＝(I－Ig)R1，解得R1＝100 Ω，接b时改装成量程为3 V的电压表，有U＝IgRg＋IR2，解得R2＝2 910 Ω。

[答案]　(1)见解析图　(2)100　2 910