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第2讲　电学实验
网络构建
备考策略
明确三个“选择”
(1)实验器材的选择
①电源的选择
②电表的选择
(2)电流表内接法与外接法的选择
(3)控制电路的选择
①从节能的角度考虑，优先选用限流式。
②以下三种情况必须用分压式：
a.要求待测电路的U、I从0变化；
b.R滑≤Rx；
c.选用限流式，Ux、Ix过大(超过电流表量程，烧坏电表、电源或用电器等)。
　基本仪器的使用及读数
【典例】 (2019·浙江省温州九校高三联考)小明同学用伏安法测定额定电压为
2.5 V的小灯泡的伏安特性曲线。
(1)图甲是连接好的实物电路图，在开关闭合前，小明同学又再次仔细检查了电路的连接，发现电路有误。请你帮他纠正错误_______________________________(任意写出两处即可)。
(2)为使测量尽量准确，滑动变阻器应选用图乙中的________(填“R1”或“R2”)。
(3)在纠正错误后，小明同学进行了多次的实验，某次得到电压表的示数如图丙所示，则电压表的读数为________ V。
(4)若小明在实验过程中，不知道应该采用电流表内接还是外接，于是他两种接法各做了一次，根据数据，分别得到了伏安特性曲线“1”和“2”。则实验中误差较小的操作应选择曲线　________(填“1”或“2”)。
解析　(1)电流应从电流表、电压表的正接柱流入，所以应将电源的正负两极对换，本实验中灯泡两端电压从零开始变化，所以滑动变阻器应改为分压式接法。
(2)滑动变阻器分压式接法中，滑动变阻器的总阻值应选较小的，故应选R2。
(3)由图可知，电压表的精确度为0.1 V，所以读数为2.40 V。
(4)由于灯泡电阻较小，为了减小误差，实验中应选用电流表外接，在电压表示数相同，电流表外接时，电流表的示数较大，故应选1。
答案　(1)电源的正负两极对换　滑动变阻器应该选择分压式接法　
(2)R2　(3)2.40(2.39～2.41)　(4)1
(2019·浙江省湖州一中高三模拟)某同学从市场上买了一只额定电压为3.2 V的LED灯，为了研究它的特点，进行了一下实验：
(1)用多用电表测LED灯的电阻，在LED灯接入电路前，使用多用电表直接测量其电阻，先对多用电表进行机械调零，再将选择开关拨到“×1 k”挡，进行欧姆调零。当将红、黑表笔分别接触LED灯的两接线端，表的指针如图所示，其读数为________ kΩ。
(2)测绘LED灯的伏安特性曲线
①实验所用的仪器：电压表(内阻约为5 000 Ω)，电流表(内阻约为5 Ω)，滑动变阻器(0～20 Ω)，电池组(4.5 V)，开关和导线若干，请在图中用笔画线代替导线完成实验电路的连接。
②实验时电压表和电流表的读数如表所示，请在坐标纸中画出LED灯的伏安特性曲线。
U/V
0
1.00
1.50
2.00
2.50
2.70
2.80
2.90
3.00
3.10
3.20
I/mA
0
0
0.10
0.20
1.00
4.20
8.50
16.30
24.00
36.00
55.80
③说出LED灯伏安特性曲线的主要特点：________________________________。
解析　(1)由图可知，指针示数为40，故读数为40×1 kΩ＝40 kΩ。
(2)①测伏安特性曲线，电压与电流应从零开始变化，滑动变阻器应采用分压接法，LED灯电阻较大，电流表应采用内接法，根据原理可画出对应的实物图，如图所示。
②根据表中数据得出对应的I－U图象，如图所示。
③由图可知，当LED灯的电压较小时，电阻很大，电流基本为零，当超过某个电压时电流急剧增大，电阻急剧变小。
答案　(1)40　(2)①连线见解析　②图象见解析
③当LED灯的电压较小时，电阻很大，电流基本为零，当超过某个电压时电流急剧增大，电阻急剧变小
电表的读数方法
(1)读数时应使视线垂直刻度盘表面。
(2)估读问题：最小分度为“1”的仪器，测量误差出现在最小分度值的下一位，在下一位按十分之一估读；最小分度值为“2”“5”的仪器，测量误差出现在最小分度的同一位，在同一位按二分之一、五分之一估读。　　　　
　以测电阻为核心的实验
【典例1】 (2019·浙江嘉兴第一中学高三模拟)某兴趣小组对市场中电线进行
调查，
(1)如图1所示，采用绕线法测得该电线直径为______ mm。
(2)取长度为100 m的电线，欲测其电阻：
①先用多用电表进行粗略测量，将多用电表选择开关置于“×10”欧姆挡并调零后，两表笔接触待测电阻的两端进行测量，表盘指针如图2所示。为了使测量值更准确，“选择开关”应置于________(填“×1”“×100”或“×1 k”)，并两表笔短接，调节图3中________(“A”或“B”)重新调零后进行测量。
②再用伏安法测量其电阻，并设计图4电路，则电压表的另一端应接________(填“a”或“b”)，测量得电压表示数为4.50 V，而电流表读数如图5所示(量程为3 A)，则所测的电阻为________ Ω。
解析　(1)由图可知，10匝线圈的直径的总长度为12.5 mm，则导线的直径为
 mm＝1.25 mm。
(2)①欧姆表偏转角度过大，说明待测电阻的阻值较小，应用小倍率挡；换挡后，需要重新进行欧姆调零，方法是将两表笔短接，调节图3中的B旋钮，使指针指到电流满刻度。
②因待测电阻的阻值较小，故应采用电流表外接法，故电压表的另一端应接a；电流表量程为3 A，则最小分度为0.1 A，则读数为2.50 A，则电阻R＝ Ω＝1.80 Ω。
答案　(1)1.25　(2)①×1　B　②a　1.80
【典例2】 (2018·全国卷Ⅲ，23)一课外实验小组用如图6所示的电路测量某待测电阻Rx的阻值，图中R0为标准定值电阻(R0＝20.0 Ω)；可视为理想电压表；S1为单刀开关，S2为单刀双掷开关；E为电源；R为滑动变阻器。采用如下步骤完成实验：
(1)按照实验原理线路图(a)，将图(b)中实物连线；
图6
(2)将滑动变阻器滑动端置于适当的位置，闭合S1；
(3)将开关S2掷于1端，改变滑动变阻器滑动端的位置，记下此时电压表的示数U1；然后将S2掷于2端，记下此时电压表的示数U2；
(4)待测电阻阻值的表达式Rx＝________(用R0、U1、U2表示)；
(5)重复步骤(3)，得到如下数据：
1
2
3
4
5
U1/V
0.25
0.30
0.36
0.40
0.44
U2/V
0.86
1.03
1.22
1.36
1.49

3.44
3.43
3.39
3.40
3.39
(6)利用上述5次测量所得的平均值，求得Rx＝________ Ω。(保留1位小数)
解析　开关S2掷于1端，由欧姆定律可得通过Rx的电流I＝，将开关S2掷于2端，R0和Rx两端电压为U2，Rx两端电压为U＝U2－U1，由欧姆定律可得待测电阻阻值Rx＝＝R0＝R0。5次测量所得的平均值为(3.44＋3.43＋3.39＋3.40＋3.39)＝3.41，代入得Rx＝(3.41－1)×20.0 Ω＝48.2 Ω。
答案　(1)实物连线如图　(4)R0　(6)48.2
连接实物图四点注意
(1)各导线都应接在接线柱上。
(2)不应在导线中间出现分叉，且导线不能跨过仪器。
(3)连接电表应注意量程选用正确，正、负接线柱不要接错。
(4)开关要控制整个电路。　　　　
1.(2019·湖南五校联考)为了精确测量一电阻的阻值Rx，现有以下器材：蓄电池组E，电流表A，电压表V，滑动变阻器R，电阻箱RP，开关S1、S2，导线若干。某实验小组设计了如图7甲所示的电路，实验的主要步骤如下：
a.闭合S1，断开S2，调节R和RP，使电流表和电压表的示数适当，记下两表示数分别为I1、U1；
b.保持S1闭合、RP阻值不变，闭合S2，记下电流表和电压表示数分别为I2、U2。
(1)按图甲所示的电路图将如图乙所示的实物连成电路。
(2)被测电阻的阻值Rx＝________(用两电表的示数表示)。
(3)由于电流表、电压表都不是理想电表，则被测电阻的阻值Rx的测量值________真实值(选填“大于”“小于”或“等于”)。
图7
解析　(1)如图所示。
(2)由题意易知RP＝，又RP、Rx并联的阻值为R并＝，又＋＝，联立解得Rx＝。
(3)若考虑电流表和电压表不是理想电表，则在分析时应考虑电压表的内阻，即在第(2)问的分析中表示的就是RP和RV并联时的总电阻，结合后面的分析可知此时Rx的测量值仍等于真实值。
答案　(1)见解析图　(2)　(3)等于
2.(2019·浙江台州选考模拟)实验室有一完好的PTC热敏电阻，某同学根据其型号查阅得到该热敏电阻在常温下的伏安特性曲线如图8甲所示。
图8
(1)用多用电表欧姆“×10”挡，按正确操作测量该热敏电阻的阻值，结果指针指在图乙中的虚线位置，为了使测量结果更准确，多用电表的选择开关应打向欧姆“×________”挡，若调挡后指针指在图乙中的实线位置，电阻测量结果为________ Ω。
(2)若将热敏电阻与一电动势E0＝15 V、内阻r＝15 kΩ的直流信号源串联成一闭合电路，则通过热敏电阻的电流为________ mA，此时热敏电阻的阻值为________ Ω。
(3)该同学欲用伏安法验证热敏电阻伏安特性曲线是否与资料中的一致，实验室提供的器材如下：
A.热敏电阻R1
B.电压表V(量程0～15 V，内阻约15 kΩ)
C.电流表A1(量程0～30 mA，内阻约30 Ω)
D.电流表A2(量程0～5 mA，内阻约100 Ω)
E.滑动变阻器R(0～40 Ω，额定电流2 A)
F.电源E(电动势20 V，内阻不计)
请完成丙图中的实物电路图。
解析　(1)由题图乙知多用电表的欧姆挡指针指在虚线位置时偏角过小，由于指针指在表盘中央附近时测量电阻的阻值较准确，应换用欧姆“×100”挡；若指针指在题图乙中的实线位置，电阻的测量结果为22×100 Ω＝2 200 Ω。
(2)根据U＝E0－Ir＝15－1.5×103I(V)，作其图线如图所示，则两图线的交点即为热敏电阻两端的实际电压和电流，由图知，通过热敏电阻的电流为4 mA，电压为9 V，热敏电阻的阻值为＝2 250 Ω。
(3)为描绘热敏电阻的伏安特性曲线，要求电压从零开始变化，所以滑动变阻器应采用分压式接法；由题图甲知，测量的最大电流为4.5 mA，所以应选用电流表A2；由于＝6.8<＝22，所以电流表应采用内接法。实物电路图见答案。
答案　(1)100　2 200　(2)4　2 250　(3)如图所示
　以测电源的电动势和内阻为核心的实验
【典例】 (2019·浙江金丽衢十二校联考)在“测定电池的电动势和内电阻”的实验中，备有如下器材：
A.干电池
B.电流表(0～0.6 A，内阻约为0.1 Ω)
C.灵敏电流计G(满偏电流Ig＝200 μA，内阻rg＝500 Ω)
D.滑动变阻器(0～20 Ω，2.0 A)
E.电阻箱R
F.开关、导线若干
图9
(1)由于没有电压表，需要把灵敏电流计G改装成量程为2 V的电压表，如图9甲电阻箱的阻值应为________ Ω。
(2)按图甲所示电路图，请在乙图上补充完成实物连线。
(3)在闭合开关S前，将滑动变阻器的滑片移动至图甲中的________端(填a、中央或b)。
(4)丙图为该实验绘出的I1－I2图线(I1为灵敏电流计G的示数，I2为电流表A的示数)，由丙图可求得被测电池的电动势E＝________ V，内电阻r＝________ Ω。
解析　(1)根据欧姆定律有U＝Ig(rg＋R)，解得R＝9 500 Ω，即需串联一个阻值为9 500 Ω的电阻。
(2)实物连线如图。
(3)闭合S前应将滑动变阻器的滑动片移到b端，以使电路中的电流最小而保护电流表。
(4)根据闭合电路欧姆定律有E＝(I1＋I2)r＋I1(rg＋R)，可得I1＝－·I2＋，根据图象求出纵轴截距为147 μA，＝147×10－6 A，图象斜率大小为k＝80×10－6，即＝80×10－6，两式联立解得r＝0.80 Ω(0.80～
0.87 Ω均可)，E＝1.47 V(1.46～1.49 V均可)。
答案　(1)9 500　(2)见解析　(3)b　(4)1.47(1.46～1.49)
0.80(0.80～0.87)
某研究性学习小组想测量某电源的电动势E及内阻r，实验室提供的器材有：
A.待测电源E，电动势约为9 V，内阻约为2 Ω，允许通过的最大电流为2.5 A
B.量程为3 V、内阻为3 kΩ的电压表
C.定值电阻R1＝3.0 kΩ
D.定值电阻R2＝6.0 kΩ
E.定值电阻R3＝9.0 kΩ
F.一电阻箱R，阻值范围为0～9 999.9 Ω
G.一只开关S、若干导线
(1)在虚线框内画出测量电源电动势及内阻的实验原理电路图，图中标明相关器材的字母符号。
Ｋ
(2)某同学根据记录的电压表和电阻箱的多组数据，以为纵轴，以为横轴作出了－图象，并得到该图象的斜率为k，纵轴截距为b，则该电源电动势E＝________，内阻r＝________(用k、b表示)。
(3)因为电压表的分流作用，则电源电动势的测量值________(选填“大于”“等于”或“小于”)真实值，电源内阻的测量值________(选填“大于”“等于”或“小于”)真实值。
解析　(1)因为提供的器材中没有电流表，故要采用电压表和电阻箱测量电源的电动势和内阻，但所给电压表量程太小，所以将电压表与定值电阻R2串联，扩大成量程为9 V的电压表。
(2)根据闭合电路欧姆定律可得E＝3U＋r，变形得＝＋·，所以以为纵轴，为横轴作出的－图象的纵截距为b＝，斜率k＝，解得E＝，r＝。
(3)因为电压表的分流作用，所以有E＝3U＋(＋)r，整理得＝＋＋·，对比＝＋·，可知测量得到的电源电动势和内阻均偏小。
答案　(1)如图所示
(2)　　(3)小于　小于
用好一个“电阻”
在高考电学设计性实验中，常以定值电阻的合理使用为背景来命题。求解这类问题的关键是必须弄清定值电阻在设计电路中的主要作用，一般来说，定值电阻有三种作用：
　电学创新类实验
高考电学创新类实验试题有两个显著的特点
(1)基于教材中的电学实验，着重考查实验原理的改进、实验步骤过程的设置、误差分析。
(2)重视电学实验的实验方法，问题设置结合科技、生产、生活的实际；因此，理解实验原理，掌握实验方法，是解决电学创新类实验的关键。
【典例】 (2018·全国卷Ⅰ，23)某实验小组利用如图10所示的电路探究在25 ℃～80 ℃范围内某热敏电阻的温度特性。所用器材有：置于温控室(图中虚线区域)中的热敏电阻RT，其标称值(25 ℃时的阻值)为900.0 Ω；电源E(6 V，内阻可忽略)；电压表(量程150 mV)；定值电阻R0(阻值20.0 Ω)，滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 Ω)；电阻箱R2(阻值范围0～999.9 Ω)；单刀开关S1，单刀双掷开关S2。
实验时，先按图10连接好电路，再将温控室的温度t升至80.0 ℃。将S2与1端接通，闭合S1，调节R1的滑片位置，使电压表读数为某一值U0；保持R1的滑片位置不变，将R2置于最大值，将S2与2端接通，调节R2，使电压表读数仍为U0；断开S1，记下此时R2的读数。逐步降低温控室的温度t，得到相应温度下R2的阻值，直至温度降到25.0 ℃。实验得到的R2－t数据见下表。
t/℃
25.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
R2/Ω
900.0
680.0
500.0
390.0
320.0
270.0
240.0
回答下列问题：
(1)在闭合S1前，图10中R1的滑片应移动到________(填“a”或“b ”)端；
(2)在图11的坐标纸上补齐数据表中所给数据点，并做出R2－t曲线；
(3)由图11可得到RT在25 ℃～80 ℃范围内的温度特性。当t＝44.0 ℃时，可得RT＝________ Ω；
(4)将RT握于手心，手心温度下R2的相应读数如图12所示，该读数为________ Ω，则手心温度为________ ℃。
解析　(1)题图10的电路滑动变阻器采用限流接法，在闭合S1前，R1应该调节到接入电路部分的阻值最大，使电路中电流最小，即题图10中R1的滑片应移到b端。
(2)将t＝60 ℃和t＝70 ℃对应的两组数据画在坐标图上，然后用平滑曲线过尽可能多的数据点画出R2－t曲线，如图所示。
(3)根据题述实验过程可知，测量的R2的数据等于对应的热敏电阻RT的阻值。由画出的R2－t曲线可知，当t＝44.0 ℃ 时，对应的RT＝450 Ω。
(4)由图12知R2＝620.0 Ω，由画出的R2－t曲线可知，当R2＝620.0 Ω时，手心温度t＝33.0 ℃。
答案　(1)b　(2)如解析图所示　(3)450　(4)620.0　33.0
(2019·浙江宁波重点中学高三模拟)为了测量一节新干电池的电动势和内阻：
(1)甲同学使用多用电表粗测了电池的电动势，实验结束后，图13甲中的电表旋钮状态符合实验操作规范的是________(填“①”或“②”)。
图13
(2)乙同学采用图乙的实验电路图，实验时发现，当滑动变阻器在阻值较大的范围内调节，电压表示数变化不明显，其原因是电池内阻________(填“较大”或“较小”)。
(3)丙同学改进了乙同学的电路图，准备用以下给定的器材和一些导线来完成实验，器材如下：
A.量程3 V的电压表V
B.量程0.6 A的电流表A
C.定值电阻R0(R0＝1.5 Ω)
D.滑动变阻器R1(0～10 Ω)
E.开关S
①请用笔画线代替导线在图14甲中完成实物连接图。
图14
②实验中，改变滑动变阻器的阻值，得到了六组实验数据，已在U－I图中描点，请做出U－I图象，并根据图象得出该电池的内阻r＝________ Ω(结果保留2位有效数字)。
解析　(1)甲同学使用多用电表粗测了电池的电动势，实验结束后，电表旋钮要将选择开关旋转到OFF挡或交流电压最高挡，所以图甲中的电表旋钮状态符合实验操作规范的是②。
(2)当滑动变阻器在阻值较大的范围内调节，电压表示数U＝R＝变化不明显，其原因是电池内阻r较小。
(3)①丙同学改进了乙同学的电路图，用笔画线代替导线在图甲中完成实物连接图如图a所示。
a
②实验中，改变滑动变阻器的阻值，得到了六组实验数据，已在U－I图中描点，做出U－I图象如图b所示。
b
根据闭合电路欧姆定律可得U＝E－I(R0＋r)，斜率的绝对值代表定值电阻与电源的内阻之和，则内阻r＝－R0＝ Ω－1.50 Ω≈0.35 Ω。
答案　(1)②　(2)较小　(3)①电路实物连线图见解析图a　
②U－I图象见解析图b　0.35(0.35±0.03)
高考实验题答题策略②——“3步”攻克电学设计实验
电学设计实验的难点是电路的设计思路，其突破方法为
第1步―→明确实验目的
第2步―→通过实验目的与实验器材的结合，选择合适的实验原理
第3步―→画出可能实验原理图，结合题设条件确定最优的电路原理图
【典例】 (2019·湖北武汉模拟)现要测量电压表的内阻和电源的电动势，提供的器材有：电源(电动势约为6 V，内阻不计)，电压表V1(量程0～2.5 V，内阻约为
2.5 kΩ)，电压表V2(量程0～3 V，内阻约为10 kΩ)，电阻箱R0(最大阻值为
9 999.9 Ω)，滑动变阻器R1(最大阻值为3 kΩ)，滑动变阻器R2(最大阻值为500 Ω)，单刀双掷开关一个，导线若干。
图15
(1)在图15 a中完成实验电路原理图的连线；
(2)电路中应选用滑动变阻器________(选填“R1”或“R2”)；
(3)按照下列步骤进行实验：
①闭合开关前，将滑动变阻器和电阻箱连入电路的阻值调至最大；
②闭合开关，将电阻箱调到6 kΩ，调节滑动变阻器至适当的位置，此时电压表V1的示数为1.60 V，电压表V2的示数为2.40 V；
③保持滑动变阻器连入电路的阻值不变，再将电阻箱调到2 kΩ，此时电压表V1的示数如图b所示，其示数为________ V，电压表V2的示数为1.40 V。
(4)根据实验数据，计算得到电源的电动势为________ V，电压表V1的内阻为________ kΩ，电压表V2的内阻为________ kΩ。
[设计思路]
第1步：明确实验目的
―→可知本题的实验目的是测电压表的内阻和电源的电动势
第2步：选择合适的实验原理
―→根据题目的实验仪器可知本题可用电压表和电阻箱测电源的电动势
第3步：画原理图
解析　(1)由于两个电压表的量程都小于电源的电动势，两个电压表串联后的总电压仍然小于电源的电动势，故应该用滑动变阻器作为保护电阻。如果只是测量电动势，可以采用如图甲所示的电路，但是要想计算电压表V1、电压表V2各自的内阻，需要将电路改进，设计的电路有图乙、图丙所示的两种；而通过电压表V1的最大电流约为1 mA，通过电压表V2的最大电流约为0.3 mA，故设计的电路应该选择图乙。
(2)根据(1)中电路图的连接，因为电压表的内阻较大，故滑动变阻器的最大阻值应该大于电压表V1的内阻，故滑动变阻器应该选择R1。
(3)题图b所示的电压表的最小刻度为0.1 V，故估读到0.01 V，其读数为2.10 V。
(4)对图乙，设电压表V1和电压表V2的内阻分别为r1、r2，示数分别为U1、U2，滑动变阻器的电阻调到r，由闭合电路的欧姆定律，得E＝U1＋U2＋(＋)r，E＝U1′＋U2′＋(＋)r，其中R01＝6 kΩ，R02＝2 kΩ，对电压表V1和电压表V2所在的电路，由串并联规律得＝＋，＝＋，代入数据，联立解得E＝5.60 V，r1＝2.5 kΩ，r2＝10 kΩ。
答案　(1)见解析图乙所示　(2)R1　(3)2.10　(4)5.60　2.5　10

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