2020高考物理新创新大一轮复习新课改省份专用讲义：第九章第52课时　长度的测量及电学实验基本能力集释（实验增分课）

第52课时　长度的测量及电学实验基本能力集释(实验增分课)(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)[规律方法](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(一)两种接法的比较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＝＝Rx＋RA>Rx，测量值大于真实值R测＝＝<Rx，测量值小于真实值(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①Rx< 时，用电流表外接法。②Rx> 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[规律方法]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)分压电路和限流电路1．两种接法的比较 限流接法分压接法两种接法电路图负载R上电压调节范围≤U≤E0≤U≤E负载R上电流调节范围≤I≤0≤I≤闭合S前触头位置b端a端2.两种接法的选择①要求待测电阻两端的电压从零开始变化，或精确性要求较高时采用分压接法②滑动变阻器的最大阻值远小于待测电阻或串联的其他电阻的阻值时③题设条件中所提供的电表量程或电阻的最大允许电流不够时①待测电阻接近或略小于滑动变阻器的最大阻值时采用限流接法②电源的放电电流或滑动变阻器的额定电流太小，不能满足分压接法的要求时③没有很高的精确性要求，考虑安装简捷和节能因素时[例3]　(2017·全国卷Ⅰ)某同学研究小灯泡的伏安特性。所使用的器材有：小灯泡L(额定电压3.8 V，额定电流0.32 A)；电压表(量程3 V，内阻3 kΩ)；电流表(量程0.5 A，内阻0.5 Ω)；固定电阻R0(阻值1 000 Ω)；滑动变阻器R(阻值0～9.0 Ω)；电源E(电动势5 V，内阻不计)；开关S；导线若干。(1)实验要求能够实现在0～3.8 V的范围内对小灯泡的电压进行测量，画出实验电路原理图。(2)实验测得该小灯泡伏安特性曲线如图(a)所示。由实验曲线可知，随着电流的增加小灯泡的电阻______(填“增大”“不变”或“减小”)，灯丝的电阻率________(填“增大”“不变”或“减小”)。(3)用另一电源E0(电动势4 V，内阻1.00 Ω)和题给器材连接成图(b)所示的电路，调节滑动变阻器R的阻值，可以改变小灯泡的实际功率。闭合开关S，在R的变化范围内，小灯泡的最小功率为________W，最大功率为________W。(结果均保留2位小数)[解析]　(1)要实现在0～3.8 V的范围内对小灯泡的电压进行测量，则滑动变阻器需要设计成分压接法；电压表应与固定电阻R0串联，将量程改为4 V。由于小灯泡正常发光时电阻约为12 Ω，所以需将电流表外接。电路图如图所示。(2)I­U图像中随着电流的增大，图线的斜率变小，小灯泡的电阻增大。根据电阻定律R＝ρ，得灯丝的电阻率增大。(3)当滑动变阻器接入电路中的阻值最大为9.0 Ω时，流过小灯泡的电流最小，小灯泡的实际功率最小，把滑动变阻器视为等效电源内阻的一部分，在题图(a)中画出等效电源E0′(电动势4 V，内阻1.00 Ω＋9.0 Ω＝10 Ω)的伏安特性曲线，函数表达式为U＝4－10I(V)，图线如图中Ⅰ所示，故小灯泡的最小功率为Pmin＝U1I1＝1.75×0.225 W≈0.39 W。当滑动变阻器接入电路中的阻值最小为零时，流过小灯泡的电流最大，小灯泡的实际功率最大，在题图(a)中画出电源E0(电动势4 V，内阻1.00 Ω)的伏安特性曲线，函数表达式为U＝4－I(V)，图线如图中Ⅱ所示，故小灯泡的最大功率为Pmax＝U2I2＝3.68×0.318 W≈1.17 W。[答案]　(1)见解析图　(2)增大　增大　(3)0.39　1.17  [规律方法]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 改装成电压表改装成电流表内部电路改装原理串联大电阻分压并联小电阻分流改装后的量程U＝Ig(Rg＋R)I＝Ig量程扩大的倍数n＝1＋n＝1＋接入电阻的阻值R＝(n－1)RgR＝改装后的总内阻RV＝nRgRA＝校准电路 　　[例4]　(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[规律方法](1)本题要先将表头与R1并联改装成电流表，再将改装好的电流表与R2串联改装成电压表。(2)无论改装成电流表还是电压表，达到量程时通过表头的最大电流Ig是相同的。