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设计创新实验　
高考真题体验·对方向
1.(2019全国Ⅱ·23)某小组利用图(a)所示的电路,研究硅二极管在恒定电流条件下的正向电压U与温度t的关系,图中V1和V2为理想电压表;R为滑动变阻器,R0为定值电阻(阻值100 Ω);S为开关,E为电源.实验中二极管置于控温炉内,控温炉内的温度t由温度计(图中未画出)测出.图(b)是该小组在恒定电流为50.0 μA时得到的某硅二极管U-t关系曲线.回答下列问题:
图(a)
图(b)
(1)实验中,为保证流过二极管的电流为50.0 μA,应调节滑动变阻器R,使电压表V1的示数为U1=　　　　　 mV;根据图(b)可知,当控温炉内的温度t升高时,硅二极管正向电阻　　　　　(填“变大”或“变小”),电压表V1示数　　　　　(填“增大”或“减小”),此时应将R的滑片向　　　　　(填“A”或“B”)端移动,以使V1示数仍为U1.?
(2)由图(b)可以看出U与t成线性关系.硅二极管可以作为测温传感器,该硅二极管的测温灵敏度为ΔUΔt=　　　×10-3 V/℃(保留2位有效数字).?
答案(1)5.00　变小　增大　B　(2)2.8
解析(1)U1=IR0=50.0×10-3×100 mV=5.00 mV.
从U-t关系曲线可以得出,温度升高时,二极管两端电压变小,二极管正向电阻变小,回路电流变大,电压表V1示数增大,为了保证电流不变,滑动变阻器R的滑片应向B端移动.
(2)由题图知,ΔUΔt=0.44-0.3080-30 V/℃=2.8×10-3 V/℃.
2.(2018全国Ⅰ·23)某实验小组利用如图(a)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V(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.
图(a)
实验时,先按图(a)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,逐渐降低温控室的温度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(a)中R1的滑片应移动到　　　　　(填“a”或“b”)端;?
(2)在图(b)的坐标纸上补齐数据表中所给数据点,并做出R2-t曲线;
图(b)
图(c)
(3)由图(b)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(c)所示,该读数为　　　　　Ω,则手心温度为　　　　　℃.?
答案(1)b
(2)将(60.0,320.0)和(70.0,270.0)两个点画进图中并连出圆滑的R2-t曲线
(3)450.0　(4)620.0　33.0
解析(1)滑片在b端可以使R1的阻值全部接进电路,保证安全.
(2)描点后注意与已有曲线连接成一个完整的圆滑曲线.
(3)从R2-t曲线中可读出t=44.0 ℃时R2=450.0 Ω,所以RT=R2=450.0 Ω
(4)从R2-t曲线中找到纵坐标为620.0的点,其横坐标为33.0 ℃.
3.(2018全国Ⅲ·23)一课外实验小组用如图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);V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(a)
图(b)
(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V的示数U1;然后将S2掷于2端,记下此时电压表V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
U2U1
3.44
3.43
3.39
3.40
3.39
(6)利用上述5次测量所得U2U1的平均值,求得Rx=　　　　 Ω.(保留1位小数)?
答案(1)实物连线如图
(4)U2U1-1R0　(6)48.2
解析(4)开关S2置于1端时,电压表测量的是R0两端的电压,此时电路中的电流为I=U1R0;开关S2置于2端时,电压表的读数为R0和Rx串联后的总电压,因此待测电阻两端的电压为Ux=U2-U1,前后电流大小不变,所以待测电阻的阻值为Rx=U2-U1I=U2U1-1R0.
(6)Rx=U2U1-1R0,由表格中5次U2U1的数据可得,U2U1的平均值为3.41,代入上式得Rx=(3.41-1)×20.0 Ω=48.2 Ω.
4.(2017全国Ⅱ·23)某同学利用如图(a)所示的电路测量一微安表(量程为100 μA,内阻大约为2 500 Ω)的内阻.可使用的器材有:两个滑动变阻器R1、R2(其中一个阻值为20 Ω,另一个阻值为2 000 Ω);电阻箱Rz(最大阻值为99 999.9 Ω);电源E(电动势约为1.5 V);单刀开关S1和S2.C、D分别为两个滑动变阻器的滑片.
图(a)
图(b)
(1)按原理图(a)将图(b)中的实物连线.
(2)完成下列填空:
①R1的阻值为　　　　 Ω(选填“20”或“2 000”).?
②为了保护微安表,开始时将R1的滑片C滑到接近图(a)中滑动变阻器的　　　端(选填“左”或“右”)对应的位置;将R2的滑片D置于中间位置附近.?
③将电阻箱Rz的阻值置于2 500.0 Ω,接通S1.将R1的滑片置于适当位置,再反复调节R2的滑片D的位置,最终使得接通S2前后,微安表的示数保持不变,这说明S2接通前B与D所在位置的电势　　　　(选填“相等”或“不相等”).?
④将电阻箱Rz和微安表位置对调,其他条件保持
不变,发现将Rz的阻值置于2 601.0 Ω 时,在接通S2前后,微安表的示数也保持不变.待测微安表的内阻为　　　　 Ω(结果保留到个位).?
(3)写出一条提高测量微安表内阻精度的建议:?
　.?
答案(1)连线如图
(2)①20　②左　③相等　④2 550
(3)调节R1上的分压,尽可能使微安表接近满量程
解析(1)略
(2)①R1在电路中具有分压作用,应选阻值为20 Ω的小电阻.②为了保护微安表,开始时让微安表两端的电压为零,所以开始时将R1的滑片滑到左端.③由题可知,S2接通前后微安表的示数保持不变,故电路中BD导线在S2接通前后通过的电流均为零,所以B、D点在S2接通前后的电势相等.④由于BD间导线也没有电流通过,在③有2 500ΩRμA=R2左R2右,在④有R2左R2右=RμA2 601Ω,联立解得,RμA=2 550 Ω.
(3)本实验需要观察微安表的示数是否变化,微安表的示数越大,观察误差越小,所以实验时调节R1让微安表接近满量程,能提高测量微安表内阻精度.
创新探究实验的分析思路
创新探究实验试题的“创新”点主要体现在:改变实验探究的条件、改变实验探究的结论、改变实验探究的思路、改变实验考查的方法、体现实验探究结果的开放性、评估实验探究的过程与结果等方面.
类型一　实验方法的迁移
基本的实验方法包括:实验原理的设计方法、实验误差的控制方法和实验数据的处理方法,将基本的实验方法和物理原理合理迁移,可设计出测量不同的物理量、可探究不同问题的实验方案.教材中所学过的物理规律、物理公式中只要含有某一物理量,则该规律、公式就可作为研究或测定该物理量的原理基础而进行相应的实验方法设计.如用伏安法测电阻,R=UI,也可迁移到测电压表内阻和电流表内阻问题中.
类型二　实验数据的迁移
数据探究性实验的主要功能是通过实验提供的数据信息,分析各数据中的内在联系,找出数据中所包含的物理规律,常用的数据处理方法(如平均值法、图象法、逐差法、比较法等)和误差分析方法应该掌握.
解决设计性实验问题的关键在于选择实验原理.
实验原理的确定:一是根据问题的要求,二是根据问题的条件.
如果问题中没有给定(或给足)实验器材,实验设计的基本思路是:
1.根据问题的条件和要求,构思相关的物理情境;
2.确定实验原理;
3.确定需要测量的物理量;
4.制订实验方案.
有时对同一个问题,可以构思出不同的物理情境,导出物理量的不同表达式,以这些表达式作为实验设计的依据,会有不同的实验原理和实验方案.
如果问题中已经给出实验器材,则设计实验时只能按所给的器材来构思物理情境,相对而言,实验原理和实验方案都会受到较大的限制.
典题演练提能·刷高分
1.(2019江西南昌调研)二极管是一种半导体元件,它的符号为,其特点是具有单向导电性,即电流从正极流入时电阻比较小,而从负极流入时电阻比较大.
(1)某课外兴趣小组想要描绘某种晶体二极管的伏安特性曲线,因二极管外壳所印的标识模糊,为判断该二极管的正、负极,他们用多用电表电阻挡测二极管的正、反向电阻;其步骤是:将选择开关旋至合适倍率,进行欧姆调零,将黑表笔接触二极管的左端,红表笔接触右端时,指针偏角比较小;然后将红、黑表笔位置对调后再进行测量,指针偏角比较大,由此判断　　　　　(选填“左”或“右”)端为二极管的正极;?
(2)厂家提供的伏安特性曲线如图所示,为了验证厂家提供的数据,该小组对加反向电压时的伏安特性曲线进行了描绘,可选用的器材有:
A.直流电源E:电动势5 V,内阻忽略不计;
B.直流电源E:电动势50 V,内阻忽略不计;
C.滑动变阻器R:0~20 Ω;
D.电压表V1:量程45 V,内阻约500 kΩ;
E.电压表V2:量程3 V,内阻约20 kΩ;
F.电流表μA:量程300 μA,内阻约400 Ω;
G.电流表mA:量程50 mA,内阻约5 Ω;
H.待测二极管D;
I.单刀单掷开关S,导线若干.
①为了提高测量结果的准确度,选用的器材　　　　　(填字母序号).?
②为了达到测量目的,请在虚线框内画出正确的实验电路原理图.
③为了保护二极管,反向电压不要达到40 V,请你对本实验的设计或操作提出一条合理的建议:?
　.?
答案(1)右　(2)①BCDFHI　②电路图见解析　③a.在二极管支路串入一阻值合适的分压电阻起保护作用;b.闭合开关前滑动触头停在最左端,向右移动滑动触头时应缓慢进行,同时仔细观察电压表示数变化,以防止电压达到40 V.(任选一条即可)
解析(1)欧姆表内部有电源,电源正极接在负接线柱上,当红表笔接触右端时,说明红表笔接入电源的负极;此时指针偏角较小,说明电阻较大,故说明接入了反向电压,故二极管右端应为正极.
(2)①电源电压应选择50 V的电源,因为要测量反向电压,故电压表应选45 V量程进行测量;而由伏安特性曲线可知,电路中电流较小,故电流表应选量程300 μA的即可,故选BCDFHI.
②为了得出完整的图象,应采用分压式接法,同时因反向电阻较大,故可以采用电流表内接法,电路如图.
③a.在二极管支路串入一阻值合适的分压电阻起保护作用;b.闭合开关前滑动触头停在最左端,向右移动滑动触头时应缓慢进行,同时仔细观察电压表示数变化,以防止电压达到40 V.
2.某个同学设计了一个电路,既能测量电池组的电动势E和内阻r,又能同时测量未知电阻Rx的阻值.器材如下:
A.电池组(四节干电池)
B.待测电阻Rx(约10 Ω)
C.电压表V1(量程3 V、内阻很大)
D.电压表V2(量程6 V、内阻很大)
E.电阻箱R(最大阻值99.9 Ω)
F.开关一只,导线若干
实验步骤如下:
(1)将实验器材连接成如图甲所示的电路,闭合开关,调节电阻箱的阻值,先让电压表V1接近满偏,逐渐增加电阻箱的阻值,并分别读出两只电压表的读数.
(2)根据记录的电压表V1的读数U1和电压表V2的读数U2,以U1U2为纵坐标,以对应的电阻箱的阻值R为横坐标,得到的实验结果如图乙所示.由图可求得待测电阻Rx=　　　 Ω(保留两位有效数字).?
(3)图丙分别是以两电压表的读数为纵坐标,以两电压表读数之差与电阻箱阻值的比值U2-U1R为横坐标得到结果.由图可求得电池组的电动势E=　　　 V,内阻r=　　　 Ω;两图线的交点的横坐标为　　　 A,纵坐标为　　　 V.(结果均保留两位有效数字)?
答案(2)8.0　(3)6.0　4.0　0.50　4.0
解析(2)由欧姆定律可知U2=U1+U1RxR,即U2U1=1+1RxR;由图象可知图象与纵轴的截距等于1,则斜率1Rx=3-116=18,即Rx=8.0 Ω.
(3)由电路图可知U2-U1R=I,则过原点的直线表示电阻Rx的伏安曲线,函数关系为U=8I;倾斜的直线表示电源的U-I图线,则由图象可知E=6.0 V;r=ΔUΔI=6.01.5 Ω=4.0 Ω;U-I关系为U=6-4I,解方程组可得,两图象的交点为I=0.50 A,U=4.0 V.
3.某实验小组设计如图甲所示电路图来测量电源的电动势及内阻,其中待测电源电动势约为2 V、内阻较小.所用电压表量程为3 V,内阻非常大,可看作理想电压表.
(1)按实验电路图在图乙中补充完成实物连线.
(2)先将电阻箱电阻调至如图丙所示,其读数为　　　　 Ω.闭合开关S,将S1拨到b端,读出电压表的读数为1.10 V,然后将S1拨到a端,此时电压表读数如图丁所示,其读数为　　　　 V.根据以上测量数据可得电阻R0=　　　　 Ω.?
(3)将S1拨到b端,不断调节电阻箱电阻,得到多组电阻箱读数R值与相应的电压表读数U值,作出1U?1R图如图戊所示,则通过图象可以得到该电源的电动势E=　　　 V,内阻r=　　　 Ω.(计算结果保留两位有效数字)?
答案(1)见解析　(2)11.0　1.50　4.0　(3)2.0　0.60
解析(1)按实验电路图在图中连接实物图;
(2)电阻箱电阻读数为(1×10+1×1) Ω=11.0 Ω.闭合开关S,将S1拨到b端,读出电压表的读数为1.10 V;电流I=1.111 A=0.1 A,然后将S1拨到a端,此时电压表读数如题图丁所示,则其读数为1.50 V,根据以上测量数据可得电阻R0=1.50.1 Ω-11 Ω=4.0 Ω;
(3)在闭合电路中,电源电动势E=U+I(r+R0)=U+UR(r+R0),1U=1E+r+R0E·1R,由题图戊所示图象可知b=1E=0.5 V-1,得E=2.0 V,图象斜率k=r+R0E=2.3,电源内阻r=kE-R0=0.60 Ω.
4.某同学为测定金属丝的电阻率ρ,设计了如图甲所示的电路,电路中ab是一段电阻率较大、粗细均匀的电阻丝,保护电阻R0=4.0 Ω,电源电动势E=3.0 V,电流表内阻忽略不计,滑片P与电阻丝始终接触良好.
(1)实验中用螺旋测微器测得电阻丝的直径如图乙所示,其示数为d=　　　　 mm;?
(2)实验时闭合开关,调节滑片P的位置,分别测量出每次实验中aP长度x及对应的电流值I,实验数据如下表所示.
x/m
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
I/A
0.49
0.43
0.38
0.33
0.31
0.28
1I/A-1
2.04
2.33
2.63
3.03
3.23
3.57
①将表中数据描在1I-x坐标纸中,如图丙所示,该图象的斜率的表达式k=　　　　(用题中字母表示),由图线求得电阻丝的电阻率ρ=　　　 Ω·m(保留两位有效数字).?
②根据图丙中1I-x关系图线纵轴截距的物理意义,可求得电源的内阻为r=　　　　 Ω(保留两位有效数字).?
答案(1)0.400　(2)①4ρπEd2　1.1×10-6　②1.4
解析(1)螺旋测微器固定刻度上的半毫米刻线没有露出,可动刻度上的格数要估读一位,读数应为0.01 mm×40.0=0.400 mm;
(2)由闭合电路的欧姆定律得,I=Er+R0+Rx,变化为1I=r+R0E+RxE,由电阻定律知Rx=ρxS,S=πd24,代入上式得1I=r+R0E+4ρπEd2x,可看出1I与x是一次函数关系,函数图线的斜率k=4ρπEd2;由图象中的数据算出直线的斜率k=3.6-1.80.6 A-1·m-1=3 A-1·m-1,联立解得电阻率ρ=kπEd24,代入数据得ρ≈1.1×10-6 Ω·m.根据题图丙中1I-x关系图线纵轴截距为1.8 A-1,此时待测电阻丝电阻为零,即r+R0E=1.8 A-1,解得r=1.4 Ω.
5.某同学要把电压表改装成可直接测量压力的仪表,设计的电路如图甲所示.实验器材如下:待改装电压表(量程0~3 V,可视为理想电压表),定值电阻R0,压敏电阻Rx,电源(4 V,内阻不计),开关S,导线.选用的压敏电阻阻值Rx随压力F变化的规律如图乙.
(1)实验中随着压力F的增大,电压表的示数　　　.(选填“变大”“不变”或“变小”)?
(2)为使改装后仪表的量程为0~160 N,且压力160 N对应电压表3 V刻度,则定值电阻阻值R0=　　　　 Ω,压力为0时对应电压表　　　　 V刻度.?
(3)他发现这样改装后的仪表压力刻度分布不均匀,想进一步把(2)中的压力刻度改成均匀分布,应选用另一压敏电阻,其阻值Rx随压力F变化的关系式为　　　　　　　　　　　　　.?
答案(1)变大　(2)240　1.5　(3)Rx=102 400F+160-240 Ω
解析(1)根据闭合电路欧姆定律可知,电压表的示数U=R0R0+RxE,由题图乙可知,压力越大Rx越小,U越大,故电压表的示数变大.(2)由题图乙可知,当F1=160 N时,Rx1=80 Ω,此时电压表的示数U1=3 V,由U1=R0R0+Rx1E,得R0=U1E-U1Rx1=3×804-3 Ω=240 Ω;由题图乙可知,当F2=0时,Rx2=400 Ω,此时电压表的示数为U2=R0R0+Rx2E=4×240240+400 V=1.5 V,可见压力为0时对应电压表1.5 V刻度.(3)若选用题图乙的压敏电阻,则Rx与压力F的关系式为Rx=400-2F,代入U=R0R0+RxE,可得U与F的关系式为U=960640-2F,这样改装后的仪表压力刻度分布是不均匀的.为了使压力刻度分布均匀,应另选用压敏电阻,且仍要满足量程为0~160 N,F=0标在1.5 V刻度,F=160 N标在3 V刻度.由于电压表的电压刻度是均匀分布的,所以电压和压力一定要满足线性关系,设U=kF+b,由F1=0时、U1=1.5 V,F2=160 N时、U2=3 V,可得b=1.5 V,k=3320 V/N,又U=R0R0+RxE=960240+Rx,解得Rx=102 400F+160-240 Ω.
6.某同学想通过实验测量某定值电阻的阻值.
(1)用欧姆表测该电阻阻值.选择×10挡,短接调零,测量时指针如图甲所示,则该电阻的阻值为　　　　 Ω.?
(2)为准确测量电阻的阻值,该同学选用了下列器材:
A.电压表V(3 V)
B.电流表A1(10 mA)
C.电流表A2(20 mA)
D.滑动变阻器R1(0~10 Ω,额定电流1 A)
E.电阻箱R2(500 Ω,额定电流1 A)
F.直流电源E(3 V)
G.开关两个、导线若干
为避免电表内阻对测量结果的影响,设计了如图乙所示的电路,其中R为待测电阻.操作过程如下:
a.按电路图连接好电路;
b.S2断开,将R1的滑片滑至　　　　(选填“左端”“中间”或“右端”),将R2调至　　　　　　　(选填“最大阻值”或“最小阻值”),闭合S1;?
c.调节R1、R2,使电流表A1的示数恰好是A2示数的一半;
d.闭合S2并保持R2不变,读取V、A1、A2示数,分别记作U、I1、I2.则待测电阻的准确阻值为　　　;该同学要将电阻箱阻值由300 Ω调至280 Ω,应如何操作:　　　　　　　　　　　　　　　　　.?
答案(1)290　(2)左端　最大阻值　UI1　先将电阻箱的×10挡位调至数字8处,再将×100挡位调至数字2处
解析(1)该电阻的阻值为29×10 Ω=290 Ω.
(2)b.S2断开,将R1的滑片滑至左端,将R2调至最大阻值,闭合S1;d.因电流表A1的示数恰好是A2示数的一半,则电阻箱R2的阻值等于待测电阻R的阻值,大小为R=UI1;要将电阻箱阻值由300 Ω调至280 Ω,操作方法:先将电阻箱的×10挡位调至数字8处,再将×100挡位调至数字2处即可.

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