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2025届高考物理二轮复习讲义：第16讲 电学实验
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【关键能力】 掌握基础电学实验,电学实验大都是以闭合或部分电路欧姆定律等基本电学理论为核心,主要掌握电表改装、多用电表、各种方式测电阻值、伏安法测电动势和内阻等基于教材的实验.高考对电学基本实验的考查侧重于电路设计、数据处理、误差分析等,并且向着拓展实验、创新实验的方向发展.新高考下的电学实验可能会涉及磁场、电磁感应等方面的知识,也会和传感器等知识相结合,考查形式灵活多变.
题型1　电学基本器材的使用与读数
　　　　　 　　　　　 　　　　　
1.电压表、电流表、多用电表的读数技巧
对电表读数问题,要先弄清楚电表的分度值,即每小格的数值,再确定是、还是估读,明确读数的小数位数.
2.多用电表的使用问题
在弄清其基本原理的基础上,会选择测量项目及量程、挡位,能区分机械调零和欧姆调零,掌握测量电阻的步骤.
3.电表的“三用”
如果知道电表的内阻,电流表、电压表就既可以测电流,也可以测电压,还可以作为定值电阻来用,即“一表三用”.
4.多用电表欧姆挡使用六注意
(1)选挡后接着欧姆调零;(2)换挡重新欧姆调零;(3)待测电阻与电路、电源要断开;(4)尽量使指针指在表盘中间位置附近;(5)读数之后要乘倍率得阻值;(6)用完后,选择开关要置于“OFF”挡或交流电压最高挡.
【题组演练】
1.仪器的读数
(1)如图甲所示,电压表选0~3 V量程时的读数为　　　　V,电压表选0~15 V量程时的读数为　　　　V.
(2)如图乙所示,电流表选0~0.6 A量程时的读数为　　　　A,电流表选0~3 A量程时的读数为　　　　A.
(3)如图丙所示,电阻箱的读数为　　　　　.
2.[2018·浙江4月选考] 小明用多用电表测量一小段2B铅笔芯的电阻Rx,正确的操作顺序是　　　　(填字母);
A.把选择开关旋转到交流电压最高挡
B.调节欧姆调零旋钮使指针指到欧姆零点
C.把红、黑表笔分别接在Rx两端,然后读数
D.把选择开关旋转到合适的挡位,将红、黑表笔接触
E.把红、黑表笔分别插入多用电表“+”“-”插孔,用螺丝刀调节指针定位螺丝,使指针指0
3.某同学在“用多用电表测电阻”的实验中:
(1)测量某电阻时,用“×10 Ω”挡时发现指针偏转角度过大,他应该换用　　　　(选填“×1 Ω”或“×100 Ω”)挡,换挡后,在测量前先要进行　　　　　　　.
(2)某次使用多用电表的实验中,多用电表指针的位置如图所示,请你读数:
①如果使用的是直流“2.5 V”的电压挡,则读数为　　　　V.
②如果使用的是“×100 Ω”的电阻挡,则读数为　　　　　　　 Ω.
③如果使用的是直流“10 mA”的电流挡,则读数为　　　　 mA.
题型2　以测电阻为核心的电学实验
　　　　　 　　　　　 　　　　　
1.测定电阻的常用方法:
名称 电路 测量原理
伏安法 Rx=,小外偏小,大内偏大
伏安法 消除系 统误差 Rx=-
Rx=
活用电表法 伏伏法 V2内阻已知时,Rx=RV2
安安法 A1内阻已知时,Rx=RA1
等效替 代法 电源输出电压不变,将S合到2,调节R1,使电流表的示数与S合到1时的示数相等,则Rx=R1
电源输出电压不变,将S合到b,调节R1,使电压表的示数与S合到a时的示数相等,则Rx=R1
半偏法 闭合S1,断开S2,调节R1使G表满偏;闭合S2,只调节R2使G表半偏(R1 RG),则R2=RG测< RG真
使R2=0,闭合S,调节R1使V表满偏;只调节R2使V表半偏(RV R1),则R2=RV测>RV真
欧姆表法 电路略,注意:①要在指针靠近中央时读数;②换挡要进行欧姆调零;③欧姆表刻度左密右疏
2.选择实验器材的三大原则
(1)安全性原则:要能够根据实验要求和客观条件选用合适的器材,使实验切实可行,能达到预期目标.另外还要注意测量器材的量程,电阻类器件的电流不能超过允许通过的最大电流等.
(2)精确性原则:根据实验的需要,选用精度合适的测量工具,但对某个实验来讲,精确程度达到要求即可,并不是精度越高越好.
(3)方便性原则:在不违反前两个原则的前提下,尽量使测量电路简单易接,测量中的调节控制操作方便.
3.实物图连线的基本原则
对限流式电路,一般是从电源的正极开始,把电源、开关、滑动变阻器以及测量电路顺次连接起来即可.对分压式电路,应先将电源、开关和滑动变阻器的全部电阻用导线连接起来,然后在滑动变阻器上金属杆两端的接线柱中任选一个,依据电路中电流的流向将测量电路部分连接起来即可.
4.器材的选择方法
(1)电流表和电压表的选择
①根据电路中的最大电流(或最大电压)进行选择.
②根据用电器的额定电流(或额定电压)进行选择.
③根据电源的参数进行选择.
(2)滑动变阻器的选择
①当采用分压式接法时,一般应选用最大阻值较小而额定电流较大的滑动变阻器.
②当采用限流式接法时,一般应选用最大阻值比待测电阻稍大或差不多的滑动变阻器.
【题组演练】
1.某学习小组用伏安法测一个待测电阻Rx的阻值,实验室提供器材如下:
A.待测电阻Rx:阻值约为2 kΩ
B.干电池组:电动势E=6 V,内阻可忽略
C.电流表A:满偏电流Ig=900 μA,内阻约为50 Ω
D.电压表V:量程0~1 V,内阻约为10 kΩ
E.电阻箱RP:最大阻值为999.9 Ω
F.滑动变阻器R:阻值范围为0~200 Ω
G.开关、导线若干
(1)该学习小组同学首先采用伏安法测量待测电阻的阻值,根据上述实验器材,小组讨论后设计了一个最佳测量电路,下列电路方案　　　　(选填“甲”“乙”“丙”或“丁”)更合理.
(2)为了更准确地测量待测电阻的阻值,该小组决定换一种测量电路,增加电阻箱来完成实验,实验电路图如图戊.
①先闭合S1、断开S2,调节R和RP,使电流表和电压表偏转适当,记下两表示数为U1=0.72 V,I1=800 μA;
②再闭合S2,保持RP不变,调节　　　　,记下此时电压表和电流表示数为U2=0.54 V,I2=900 μA;
③小组同学利用测量数据计算出的待测电阻Rx=　　　　kΩ(结果保留两位有效数字);
④请你判断该小组此测量方案　　　　(选填“能”或“不能”)消除电表内阻造成的误差.
2.某实验小组要测量一段金属丝的电阻率.
(1)某同学先用多用电表的欧姆挡粗测金属丝电阻,把选择开关调到“×1”挡,应先　　　　　　,再进行测量,测量时多用电表的示数如图甲所示,则该元件电阻为Rx=　　　　Ω;再用螺旋测微器测量金属丝的直径d,其示数如图乙所示,则d=　　　　mm;
(2)为了精确测量金属丝电阻,实验室提供以下器材:滑动变阻器(阻值为0~15 Ω)、电流表(阻值约为10 Ω)、电压表(阻值约为3 kΩ)、电源,要求尽可能多测量几组数据,请补充完整图丙的电路连线.
(3)连接好图丙的电路,闭合开关前,滑动变阻器的滑片应置于　　　　(填“a”或“b”)端.某次实验时,电压表的示数为U,电流表的示数为I,测得金属丝的长为L,则金属丝电阻率ρ=　　　　　　　　.(用题中的物理量符号表示)
(4)小组成员同学设计了如图丁所示电路测量该金属丝电阻率,稳压源的输出电压恒为U0,定值电阻的阻值为R,根据多次实验测出aP长度x和对应的电压表的示数U作出U-x图线,图线的斜率为k,则金属丝的电阻率ρ=　　　　.(用题中的符号k、R、d、U0、L表示)
题型3　以测电源电动势为核心的电学实验
测量电源电动势和内阻的三个常用方案
方案 伏安法 伏阻法 安阻法
原理 E=U+Ir E=U+r E=IR+Ir
电路图
关系式 U=E-Ir =+ =+
图像 纵轴截距:E 斜率绝对值:r 纵轴截距: 斜率: 纵轴截距: 斜率:
误差 分析 E测r真 E测r真
　　　　　 　　　　　 　　　　　
【题组演练】
1.某学习小组在实验室测量一块电池的电动势E和内阻r.为了能较准确地测量,该小组利用图甲所示电路进行实验,单刀双掷开关S2先后与1、2连接,调节R的阻值,得到多组电压和电流的数据,根据实验记录的数据绘制了两条U-I图线,如图乙所示.纵、横截距分别为U1、I1的图像为单刀双掷开关打到1上时的图像,纵、横截距分别为U2、I2的图像为单刀双掷开关打到2上时的图像.
(1)本实验中,单刀双掷开关打到1或者2上时均会出现系统误差,S2打到2上时产生系统误差的主要原因是　　　　　　　　.
(2)小组同学在图乙中绘制出了两条图线(虚线)用来表示电源的真实U-I图像,电源的真实U-I图像应该为图乙中　　　　(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)图像,电源的电动势E=　　　　(填“U1”或“U2”).
(3)小组内一同学进一步分析发现,如果实验数据测量无误,根据图像可以计算得电流表和电压表的内阻,其中电流表内阻的表达式为RA=　　　　(用“U1”“U2”“I1”或“I2”中的符号表示).
2.某同学把铜片和锌片相隔约1 cm插入一个苹果中,就制成了一个水果电池.为了测量其电动势E和内阻r,他用到的实验器材有电阻箱(最大阻值为9999 Ω)、多用电表2 V电压挡(内阻远大于普通电压表)、开关、导线若干.实验步骤如下:
①将该水果电池与其余实验器材按图甲所示电路连接;
②调节电阻箱阻值,闭合开关,待示数稳定后,记录电阻箱的阻值R和多用电表的示数U后立即断开开关;
③每次将电阻箱的阻值增大1000 Ω,重复实验,计算出相应的和,数据记录如下表所示:
R/Ω U/V /kΩ-1 /V-1
2000 0.206 0.500 4.854
3000 0.275 0.333 3.636
4000 0.335 0.250 2.985
5000 0.380 0.200 2.632
6000 0.425 0.167 2.353
④根据表中数据,绘制出-关系图线如图乙中的直线b所示.
请回答下列问题:
(1)步骤②中立即断开开关的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;
(2)根据闭合电路欧姆定律,可以得到与的关系表达式为=　　　　(用E、r和R表示);
(3)根据实验数据绘制的图线b可得该水果电池的电动势为　　　　V,内阻为　　　　kΩ(结果均保留2位有效数字);
(4)若用普通的电压表代替多用电表进行实验,得到的图线可能是图乙中的　　　　(选填“a”“b”“c”或“d”).
题型4　电学创新实验和交流电实验
　　　　　 　　　　　 　　　　　
1.创新性实验的基本思路
明确目的→选择方案→选定器材→实验操作→数据处理→得出结论
2.解决电学创新性实验常用的方法
(1)转换法:将不易测量的物理量转换成易于测量的物理量进行测量,然后再求待测物理量的值,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,然后再计算出它的电阻率.
(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,要使其中的一个或几个物理量不变,分别研究这个物理量与其他各物理量的关系,然后再归纳总结,如探究电阻的决定因素实验.
【题组演练】
1.某同学在“研究电磁感应现象”实验中,实物电路连接如图.
(1)实物图中有一个元件的位置接错了回路,请指出该元件的名称:　　　　　　　　.
(2)在实验过程中,除了需要查清流入电流表的电流方向与指针偏转方向之间的关系外,还应查清　　　　　(选填“A”“B”或“A和B”)中导线的绕制方向.
回答下面的(3)(4)(5)三个问题,需从下列选项中选出一个,在填空横线上,填上序号:
A.原磁场方向
B.B线圈中磁通量的变化情况
C.感应电流的磁场方向
D.B线圈中磁通量的变化快慢
(3)为了探究感应电流方向的规律,实验应研究原磁场方向、磁通量的变化情况、　　　　三者的关系.
(4)实验中发现滑动变阻器滑片向左与向右移动时,电流表指针偏转方向不同,说明感应电流的方向与　　　　　有关.
(5)实验中发现滑动变阻器滑片向左与向右移动快慢不同时,电流表指针偏转幅度不同,说明感应电流的大小与　　　　　有关.
2.小理同学利用如图甲所示电路观察电容器的充、放电现象,图乙是毫安表表头.
(1)小理先将单刀双掷开关打到1位置,发现毫安表指针向左偏转,电容器开始充电,充电电流逐渐变　　　　,此时电容器的上极板带　　　　电;再将开关打到2位置,发现毫安表指针向　　　　偏转,电容器开始放电,放电电流逐渐变小.以上三空,判断正确的是　　　　.
A.大、正、左 B.小、正、右
C.大、负、左 D.小、负、右
(2)小理同学将放电过程所获得的数据绘制成图丙中的a图线(图中实线).再通过调节电阻箱,增大R,重复电容器的充、放电过程,再收集放电电流的数据,将得到图丙中的　　　　曲线(选填“b”或“c”).小理同学通过观察图像中的　　　　(选填“截距”“斜率”或“面积”),认为在误差允许的范围内,控制充电电压不变,改变电路中的电阻,不会影响电容器放电的电荷量.
(3)在“观察电容器的充、放电现象”实验中,以下观点错误的是　　　　.
A.在e、f之间增加一个微型直流风扇,可以展示电容器是储能元件
B.更换电容C更小的电容器,在电源电压不变的情况下,电容器放电时释放的电荷量仍不变
C.将电源电压增大,且不超过电容器的耐压值,可以增大电容器放电时释放的电荷量
D.将电阻箱转移到m、n之间,可以减少电容器的充电时间
参考答案与详细解析
题型1
【题组演练】
1.(1)1.20　6.0　(2)0.50　2.50　(3)530.0 Ω
2.EDBCA　[解析] 用多用电表测电阻,应先机械调零,接着欧姆调零,再测量,最后复位,所以顺序为EDBCA.
3.(1)×1 Ω　欧姆调零　(2)①0.80　②3.0×103　③3.2
[解析] (1)根据欧姆表的工作原理可知,指针的偏角过大,说明电阻较小,即所选的倍率过大,应选择“×1 Ω”挡,换挡后在测量前要重新进行欧姆调零.
(2)①若使用的是直流“2.5 V”的电压挡,则每小格代表0.05 V,读数为16×0.05 V=0.80 V;②若使用的是“×100 Ω”的电阻挡,则读数为30×100 Ω=3.0×103 Ω;③若使用的是直流“10 mA”的电流挡,则每小格代表0.2 mA,读数为16×0.2 mA=3.2 mA.
题型2
【题组演练】
1.(1)丁　(2)②R　③1.8　④能
[解析] (1)电压表的量程为0~1 V,其内阻具体值不知道,电流表内阻具体值也不知道,所以无法对这两块表进行改装,电源电动势E=6 V,所以需要使用滑动变阻器的分压式连接,由于待测电阻约为2 kΩ,所以采用电流表内接法,综合以上分析,丁方案比较合理.
(2)调节滑动变阻器R,由欧姆定律得R'===900 Ω,R″===600 Ω,解得Rx=1800 Ω,根据以上计算可知,该方案可以消除电表内阻造成的误差.
2.(1)欧姆调零　11.0　0.900　(2)如图所示　(3)a　
(4)
[解析] (1)用欧姆表测电阻时,选择开关调到“×1”挡,然后进行欧姆调零,再测量.根据欧姆表读数原理可知该元件电阻为R=11.0 Ω,根据螺旋测微器的读数原理可知d=0.5 mm+40.0×0.01 mm=0.900 mm.
(2)由于电压表的内阻远大于金属丝的电阻,所以采用电流表外接法,为了尽可能多测几组数据,滑动变阻器采用分压式接法,实物图如图所示.
(3)为了使分压式接法中的电压从零开始变化,滑动变阻器的滑片应置于a端.根据欧姆定律得R=,又R=ρ,S=π,所以该金属丝的电阻率为ρ==.
(4)根据欧姆定律得(Rx+R)=U0,解得U=x,则U-x图像的斜率k=,解得Rx=,根据Rx=ρ=ρ,解得ρ=.
题型3
【题组演练】
1.(1)电压表的分流　(2)Ⅱ　U1　
(3)U1
[解析] (1)S2接2时,电流表测通过滑动变阻器的电流,不包括电压表的电流,所以出现系统误差的主要原因是电压表的分流.
(2)S2接1时,所测电动势为电流表与电源串联后整体的等效电源的电动势,即S2接1时的电动势的测量值等于真实值;另一方面由于S2接2,当电路短路时,电压表没有分流,即此时的电流的测量值与真实值相等.结合上述可知,电源的真实的U-I图线是Ⅱ,故电源的电动势为U1.
(3)S2接1时,所测内阻为电源和电流表的整体的等效内阻,r+RA=,再由(2)可知电源的真实内阻r=,所以电流表的内阻RA=U1.
2.(1)防止长时间通电,导致水果电池内阻和电动势发生变化　(2)+　(3)0.91　6.9　(4)a
[解析] (1)步骤②中立即断开开关的原因是防止长时间通电,导致水果电池内阻和电动势发生变化.
(2)在闭合电路中,由闭合电路欧姆定律有E=U+Ir=U+r,解得=+.
(3)图线b的纵截距b'=,图线斜率k=,由图线b可知b'=1.1,k==7.6,所以E=0.91 V,r=6.9 kΩ.
(4)若用普通的电压表代替多用电表进行实验,由于电压表内阻不是无穷大,会导致测量结果存在误差,由闭合电路欧姆定律有E=U+Ir=U+r,得=++,可见图线斜率不变,但截距变大,所以得到的图线可能是图乙中的a.
题型4
【题组演练】
1.(1)开关　(2)A和B　(3)C　(4)B　(5)D
[解析] (1)实物图中开关接错了回路,应该接在线圈A所在回路,这样通过开关的通断,或滑片的左右移动,或线圈A从线圈B中插入与拔出,来实现穿过线圈B的磁通量的变化;
(2)在实验过程中,除了查清流入电流表电流方向与指针偏转方向之间的关系之外,还应查清线圈A和线圈B中导线的绕制方向;
(3)依据楞次定律的内容,为了方便探究感应电流方向的规律,实验应研究原磁场方向、磁通量的变化情况及感应电流的磁场方向三者的关系,故选C.
(4)依据楞次定律,实验中发现滑动变阻器滑片向左与向右移动时,电流表指针偏转方向不同,说明感应电流的方向与B线圈中磁通量的变化情况有关,故选B.
(5)依据法拉第电磁感应定律可知,实验中发现滑动变阻器滑片向左与向右移动快慢不同时,电流表指针偏转幅度不同,说明感应电流的大小与B线圈中磁通量的变化快慢有关,故选D.
2.(1)B　(2)c　面积　(3)B
[解析] (1)小理先将单刀双掷开关打到1位置,发现毫安表指针向左偏转,电容器开始充电,充电电流逐渐变小,此时电容器的上极板与电源正极相连,带正电;再将开关打到2位置,电容器放电,通过电容器的电流方向相反,毫安表指针向右偏转,放电电流逐渐变小.故选B.
(2)增大电阻R,电容器放电时间延长,对应图中的c曲线;图中电流—时间图像与坐标轴围成的面积表示电容器的放电量,所以小理同学通过观察图像中的面积,认为在误差允许的范围内,控制充电电压不变,改变电路中的电阻,不会影响电容器放电的电荷量.
(3)在e、f之间增加一个微型直流风扇,电容器放电时,风扇工作,可以展示电容器是储能元件,故A正确,不符合题意;更换电容C更小的电容器,在电源电压不变的情况下,由C=,可知电容器的带电荷量减少,电容器放电时释放的电荷量减少,故B错误,符合题意;将电源电压增大,且不超过电容器的耐压值,由C=,可知电容器充电后,带电荷量增大,可以增大电容器放电时释放的电荷量,故C正确,不符合题意;将电阻箱转移到m、n之间,可增大电容器充电电流,可以减少电容器的充电时间,故D正确,不符合题意.

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