高考物理一轮复习第八章恒定电流实验九电学实验基础学案新人教版

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实验知识·自主回顾
SHI YAN ZHI SHI ZI ZHU HUI GU
知识点1 游标卡尺的构造、原理及读数
1．构造
(如图)主尺、游标尺(主尺和游标尺上各有一个内、外测量爪)、游标尺上还有一个深度尺，尺身上还有一个紧固螺钉。
2．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份刻度，它的刻度部分的总长度比主尺上的同样多的小等份刻度少1 mm。常见的游标卡尺的游标尺上小等份刻度有10个的、20个的、50个的，见下表：
3．读数
若用L0表示由主尺上读出的整毫米数，x表示从游标尺上读出与主尺上某一刻线对齐的游标的格数，则其读数为L＝L0＋kx，其中k为精确度。
知识点2 螺旋测微器的构造、原理及读数
1．螺旋测微器的构造
如下图所示是常用的螺旋测微器。它的测砧A和固定刻度S固定在尺架F上。旋钮K、微调旋钮K′和可动刻度H、测微螺杆P连在一起，通过精密螺纹套在S上。
2．螺旋测微器的原理
测微螺杆P与固定刻度S之间的精密螺纹的螺距为0.5 mm，即旋钮K每旋转一周，P前进或后退0.5 mm，而可动刻度H上的刻度为50等份，每转动一小格，P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。
3．读数
测量时被测物体长度的整数毫米数或半毫米数由固定刻度读出，小数部分由可动刻度读出。
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)。
核心考点·重点突破
HE XIN KAO DIAN ZHONG DIAN TU PO
考点一 测量仪器、仪表的读数
1．游标卡尺读数注意事项
(1)看清精确度
①例如(如图所示)
易错成11 mm＋5×0.1 mm＝11.50 mm
正确的应为11.5 mm，游标卡尺不需要估读，后面不能随意加零或去零；
②例如(如图所示)
易错成10 mm＋14×0.05 mm＝10.7 mm
正确的应为10.70 mm。
(2)主尺上的单位为厘米
主尺上标识的1、2、3等数字通常是指厘米，读数时应将毫米和厘米分清，游标卡尺主尺上的最小刻度是1 mm。
例如(如图所示)
易错成5 mm＋2×0.05 mm＝5.10 mm
正确的应为50 mm＋2×0.05 mm＝50.10 mm。
(3)区分零刻度与游标尺最前端
例如(如图所示)
易错成13 mm＋10×0.05 mm＝13.50 mm
正确读数为14 mm＋10×0.05 mm＝14.50 mm。
2．螺旋测微器的读数需要估读
最后一位数字为估读数字，读数和记数时估读位为有效数字的最后一位。
例如(如图所示)
固定刻度示数为2.0 mm，不足半毫米的部分从可动刻度上读得示数为15.0，最后的读数为：2.0 mm＋15.0×0.01 mm＝2.150 mm。
例1 完成下列读数
(1)电流表量程一般有两种—— 0～0.6 A,0～3 A；电压表量程一般有两种—— 0～3 V,0～15 V。如图所示：
①接0～3 V量程时读数为1.88 V。
②接0～15 V量程时读数为9.4 V。
③接0～3 A量程时读数为0.82 A。
④接0～0.6 A量程时读数为0.16 A。
(2)①某同学用游标卡尺的深度尺测得一玻璃杯的内高，如图甲所示，则其内高为10.02 cm；
②该同学用螺旋测微器测得其玻璃厚度如图乙所示，则厚度为2.760 mm；
③该同学用螺旋测微器又测得一小球直径如图丙所示，正确读数后得小球直径为1.732 mm，则a＝20，b＝0。
(3)某同学用刻度尺测量金属丝的长度l，其示数如图甲，则金属丝的长度l＝40.29 cm。
[解析] (1)①刻度盘上每一小格为0.1 V，读数为1.88 V。
②刻度盘上每一小格为0.5 V，读数为9.4 V。
③刻度盘上每一小格为0.1 A，读数为0.82 A。
④刻度盘上每一小格为0.02 A，读数为0.16 A。
(2)①测玻璃杯的内高用游标卡尺的深度尺，由图甲知，游标尺有10个刻度线，其精确度为0.1 mm，则玻璃杯的内高为10 cm＋2×0.1 mm＝10.02 cm。
②由图乙知，玻璃杯的厚度为2.5 mm＋26.0×0.01 mm＝2.760 mm。
③螺旋测微器读数时，在固定刻度处读出整毫米数或半毫米数，由于小球直径为1.732 mm，固定刻度读数为1.5 mm，可动刻度读数为(1.732 mm－1.5 mm)/0.01 mm＝23.2，故a＝20，b＝0。
(3)由图甲知，刻度尺的分度值为0.1 cm，读数时要估计一位，金属丝的长度l＝40.29 cm。
名师点拨 电流表和电压表的读数原则
(1)若刻度盘上每一小格为：1,0.1,0.01…时，需估读到最小刻度值的下一位。
(2)若刻度盘上每一小格为：0.2,0.02,0.5,0.05…时，只需估读到最小刻度值的位数。
〔变式训练1〕(2023·山东临沂蒙阴实验中学月考)新式游标卡尺的刻度线看起来“稀疏”，使读数更加清晰明了，便于使用者正确读取数据。通常游标卡尺有10分度、20分度和50分度三种规格；新式游标卡尺也有相应的三种，但刻度却是：19 mm等分成10份，39 mm等分成20分，99 mm等分成50份。对于一个“39 mm等分成20份”的新式游标卡尺， 它的分度值是0.05 mm。用它测量某物体的厚度，示数如图所示，正确的读数是3.030 cm。
[解析] 本题考查游标卡尺的读数。游标卡尺上20格对应的长度为39 mm，即每格长为1.95 mm，游标卡尺上每格比主尺上每两格小Δx＝0.05 mm，故分度值为0.05 mm；这种游标卡尺的读数方法为主尺读数＋游标对准刻度×Δx，即30 mm＋6×0.05 mm＝30.30 mm＝3.030 cm。
考点二 测量电路与控制电路的选择
1．电压表和电流表的内、外接法
(1)两种接法比较
(2)两种电路的选择
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。
②比值法：当eq \f(Rx,RA)eq \f(RV,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，则可采用电流表外接法；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，则可采用电流表内接法。
2．滑动变阻器的两种接法
例2 用内阻为3 000 Ω的电压表和内阻为10 Ω的电流表测电阻，在下图甲、乙两种情况下，电压表的示数都是60 V，电流表的示数都是0.2 A，则R1的测量值为300 Ω，真实值是290 Ω，R2的测量值为300 Ω，真实值是333.3 Ω。
[解析] 题图甲：电阻R1的测量值R1测＝eq \f(U,I)＝300 Ω，真实值R1真＝R1测－RA＝290 Ω；题图乙：电阻R2的测量值R2测＝eq \f(U,I)＝300 Ω，真实值R2真＝eq \f(U,I－\f(U,RV))≈333.3 Ω。
考点三 实验器材的选取与实物图连接
1．实验器材的选取
以“安全性”“精确性”“方便性”为前提，综合考虑。选择电学实验仪器主要是选择电表、滑动变阻器、电源等器件。
(1)选择电表以不使电表受损和尽量减少误差为原则，即加在电表上的最大电压或电流不得超过其最大量程，实验过程中指针可移动范围最好大于量程的eq \f(1,3)。
(2)选择滑动变阻器要考虑它的额定电流，然后对采用分压法的滑动变阻器选总阻值较小的，对采用限流法的滑动变阻器的总阻值选比电路中的电阻稍大些为好。对于滑动头稍有移动，使电流、电压有很大变化的，不宜采用。
(3)对器材选择的一般步骤是：①找出唯一性的器材；②草画电路图(暂不把电表接入)；③估算电流最大值和最小值；④考虑电表是否安全(该用分压法还是限流法)，以及能否使电表达到满偏的eq \f(1,3)以上。
2．实物图连接的一般思路
(1)先画电路图，后连实物图。在电路图上标明电源的正、负极，电流表和电压表的正、负接线柱等。(按实物的布局设计线路图，再根据线路图连接实物图)
(2)先串后并，注意正负。连电路实物图时，应选择一条包含电路元件最多的通路，例如：从电源的正极出发，沿着电流的方向依次把开关、用电器、电流表(先接正接线柱，后接负接线柱)、变阻器等连接起来，一直连到电源负极，然后再把其余的电路元件和电压表并联在电路的某两点之间。
(3)注意量程，接线到柱。连接多量程电流表、电压表时，应注意选择适当的接线柱(即选取合适的量程)，所有导线的连接点都应画在用电器的接线柱上或电源的正、负极上，不应在无接线柱的地方把几条导线相接。
(4)避免交叉，检查无误。所画导线不应交叉，以使连接情况清晰易辨。画好电路实物图后，应对照电路图再检查一遍，以便减小错误。
例3 某同学利用图(a)所示电路测量量程为 2.5 V 的电压表的内阻(内阻为数千欧姆)，可供选择的器材有：电阻箱R(最大阻值99 999.9 Ω)，滑动变阻器R1(最大阻值50 Ω)，滑动变阻器R2(最大阻值5 kΩ)，直流电源E(电动势3 V)，开关1个，导线若干。
实验步骤如下：
①按电路原理图(a)连接线路；
图(a)
②将电阻箱阻值调节为0，将滑动变阻器的滑片移到与图(a)中最左端所对应的位置，闭合开关S；
③调节滑动变阻器，使电压表满偏；
④保持滑动变阻器滑片的位置不变，调节电阻箱阻值，使电压表的示数为2.00 V，记下电阻箱的阻值。
回答下列问题：
(1)实验中应选择滑动变阻器R1(填“R1”或“R2”)。
(2)根据图(a)所示电路将图(b)中实物图连线。
图(b)
[答案]
(3)实验步骤④中记录的电阻箱阻值为630.0 Ω，若认为调节电阻箱时滑动变阻器上的分压不变，计算可得电压表的内阻为2 520 Ω(结果保留到个位)。
(4)如果此电压表是由一个表头和电阻串联构成的，可推断该表头的满刻度电流为D(填正确答案标号)。
A．100 μA B．250 μA
C．500 μA D．1 mA
解析：(1)滑动变阻器R1的阻值较小，在分压电路中便于调节，故实验中应选择滑动变阻器R1。
(2)实物图连线如图所示。
(3)电阻箱阻值为0时，电压表满偏电压Ug＝2.5 V，电阻箱阻值R＝630.0 Ω时，电压表的示数UV＝2.00 V，此时电阻箱两端的电压UR＝Ug－UV＝0.5 V，根据串联电路电压与电阻成正比可得eq \f(UV,UR)＝eq \f(Rg,R)，
故Rg＝eq \f(UV,UR)R＝eq \f(2.00,0.5)×630.0 Ω＝2 520 Ω。
(4)电压表的满偏电流为Ig，则IgRg＝Ug，
故Ig＝eq \f(Ug,Rg)＝eq \f(2.5,2 520)A≈1 mA，选项D正确。
2年高考·1年模拟
2 NIAN GAO KAO 1 NIAN MO NI
1．(2023·福建泉州期中)在测量金属丝电阻值的实验中，部分仪器显示如图所示。电流表读数为0.40 A，电压表读数为2.20 V，螺旋测微器的读数为2.430 mm。
[解析] 由题图所示电流表可知，电流表量程为0～0.6 A，其分度值为0.02 A，示数为0.40 A；由题图所示电压表可知，电压表量程为0～3 V，其分度值为0.1 V，示数为2.20 V；由题图所示螺旋测微器可知，固定刻度示数为2 mm，可动刻度示数为43.0×0.01 mm＝0.430 mm，螺旋测微器的读数为2 mm＋0.430 mm＝2.430 mm。
2．(2023·安徽六安月考)某同学用伏安法测定待测电阻Rx的阻值(约为10 kΩ)，除了Rx、开关S、导线外，还有下列器材供选用：
A．电压表(量程0～1 V，内阻约10 kΩ)
B．电压表(量程0～10 V，内阻约100 kΩ)
C．电流表(量程0～1 mA，内阻约30 Ω)
D．电流表(量程0～0.6 A，内阻约0.05 Ω)
E．电源(电动势1.5 V，额定电流0.5 A，内阻不计)
F．电源(电动势12 V，额定电流2 A，内阻不计)
G．滑动变阻器R0(阻值范围0～10 Ω，额定电流2 A)
(1)为使测量尽量准确，电压表选用B，电流表选用C，电源选用F。(均填器材的字母代号)
(2)在虚线框内画出测量Rx阻值的实验电路图。
(3)该同学选择器材、连接电路和操作均正确，从实验原理上看，待测电阻测量值会大于其真实值(填“大于”“小于”或“等于”)，原因是电压表的读数大于待测电阻两端的实际电压(其他表述正确也可)。
[解析] (1)若电源选用E，则通过Rx的最大电流为0.15 mA，电流表选用C还达不到半偏，故电源应选用F。电压表内阻应尽可能与被测电阻阻值相差大一些且接近电源电压，故电压表选用B。由此可知电路中的电流约为1 mA，故电流表选用C。
(2)因为待测电阻阻值较大，所以电流表应采用内接法。因为滑动变阻器的阻值很小，若采用限流接法接入电路起不到多大的限流作用，所以滑动变阻器应采用分压接法，实验电路图如图所示。
(3)因为电流表采用内接法，电压表测出的电压为Rx与电流表串联后两端电压，U测>U实，而R＝eq \f(U,I)，所以R测>R实。
3．(2010·河北模拟)实验台上备有下列器材：
A．电流表(量程500 μA，内阻约为300 Ω)；
B．电流表(量程100 μA，内阻约为1 kΩ)；
C．电压表(量程15 V，内阻约100 kΩ)；
D．电压表(量程6 V，内阻约6 kΩ)；
E．直流电源(15 V，允许最大电流1 A)；
F．滑动变阻器(最大阻值100 Ω，额定功率1 kW)
G．开关和导线若干。
某同学用供选器材设计了测一个阻值约30 kΩ电阻的实验，电路如图所示(电路还没有完全接好)。
(1)实验中所用的电流表应选A，电压表应选C。(填器材前的字母)
(2)请用笔画线代替导线将尚未连接好的电压表连入电路中。
[答案]
(3)开关闭合前，滑动变阻器的滑片P应置于b(填“a”或“b”)处。
(4)正确连接电路后，无论如何调节滑动变阻器的滑片，电压表和电流表示数均不能取到较小值，其原因可能是导线④(填图中导线代号)没有连接好。
[解析] (1)待测电阻Rx的阻值约为30 kΩ，直流电源电动势为15 V，经粗略计算电路中的最大电流约为Imax＝eq \f(E,R)＝500 μA，所以电流表选择A；由于电压表D的量程不足，所以电压表选择C。
(2)在题图所示电路中，电流表内阻为300 Ω，电压表内阻为100 kΩ，由串、并联电路规律得，电流表的分压作用小于电压表的分流作用，故电流表应采用内接法，实物连线如图所示。
(3)实验前，分压电路的电压应该是0，故滑动变阻器的滑片P应置于b端。
(4)实验中无论如何调节滑动变阻器的滑片，电压表和电流表示数均不能取到较小值，是由于滑动变阻器接成限流式，因此是导线④没有连接好。
刻度格数
(分度)
刻度总长度
每小格与
1 mm的差值
精确度
(可准确到)
10
9 mm
0.1 mm
0.1 mm
20
19 mm
0.05 mm
0.05 mm
50
49 mm
0.02 mm
0.02 mm
内接法
外接法
电路图
误差原因
电流表分压
U测＝Ux＋UA
电压表分流
I测＝Ix＋IV
电阻测量值
R测＝eq \f(U测,I测)＝Rx＋RA>Rx
测量值大于真实值
R测＝eq \f(U测,I测)＝eq \f(RxRV,Rx＋RV)