2023版高考物理步步高大二輪復習講義第一篇 專題七 第17講　電學實驗【解析版】

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考點一 以測電阻為核心的實驗
例1 (2022·湖北省新高考聯(lián)考協(xié)作體高三期末)音箱線用于連接功放與音箱，用單晶銅作音箱線，音響的音質(zhì)會更清晰，因為單晶銅電阻率比普通銅低，下面是測量單晶銅電阻率的實驗方案．
(1)用螺旋測微器測量一單晶銅絲的直徑，示數(shù)如圖(a)所示，可讀得單晶銅絲的直徑為________ mm；
(2)圖(b)為實驗電路，為了保證兩個電表的示數(shù)從零開始變化，請畫線將滑動變阻器正確接入電路；
(3)電路接好后，閉合開關S，滑動變阻器觸頭從左移到右，發(fā)現(xiàn)電壓表示數(shù)變化很大，電流表示數(shù)總為零，這可能是線夾P處發(fā)生______(選填“短路”或“斷路”)；
(4)線夾P的問題解決后，閉合開關S，滑動變阻器觸頭移到合適位置不動，再把線夾P從a向b移動，發(fā)現(xiàn)電壓表示數(shù)很小且變化不大，這時應該把連接電壓表負接線柱的導線改接在________，再重新把線夾P從a向b移動，讀出多組電壓表和電流表示數(shù)，計算電阻，把多組電阻值與接入電路長度值畫成如圖(c)的R－x關系圖線，根據(jù)圖線可知R0＝______ Ω，單晶銅的電阻率為________ Ω·m(π取3，計算結果保留兩位有效數(shù)字)．
答案 (1)0.084(0.083～0.085均可)
(2)見解析圖
(3)斷路
(4)R0左端的接線柱上 20 1.7×10－8
解析 (1)單晶銅絲的直徑為d＝0＋8.4×0.01 mm＝0.084 mm.
(2)為了保證兩個電表的示數(shù)從零開始變化，滑動變阻器必須采用分壓接法，實驗電路如圖所示．
(3)線夾P處發(fā)生斷路，銅絲沒有接入電路中，使得電流表示數(shù)總為零
(4)因為單晶銅絲的電阻很小，所以電壓表的讀數(shù)很小且變化不大，這時應該把連接電壓表負接線柱的導線改接在R0左端的接線柱上，電壓表的測量值等于R0和銅絲的總電壓；
根據(jù)電阻定律R＝ρeq \f(x,S)＋R0
S＝eq \f(1,4)πd2
聯(lián)立解得R＝eq \f(4ρ,πd2)x＋R0
根據(jù)圖像知R0＝20 Ω
eq \f(4ρ,πd2)＝eq \f(25－20,1.6) Ω·m－1
解得ρ＝1.7×10－8 Ω·m.
考點二 以閉合電路歐姆定律為核心的實驗
例2 (2022·廣東肇慶市二模)某同學用以下器材組裝一簡易歐姆表．
毫安表A(量程0～50 mA)
電阻箱R(阻值0～999.9 Ω)
學生電源(輸出電壓0～16 V)
紅、黑表筆各一只
導線若干
實驗步驟如下：
(1)用導線將毫安表A、電阻箱R、學生電源串聯(lián)起來，兩只表筆一只接毫安表的負極，一只接學生電源負極，為使電流從黑色表筆流出，和毫安表相連的表筆應為________(選填“紅”或“黑”)表筆；
(2)將學生電源的電壓調(diào)至2 V，電阻箱調(diào)到100.0 Ω，將兩表筆短接，發(fā)現(xiàn)毫安表指針向右偏轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)電阻箱阻值，當阻值為35.0 Ω時，發(fā)現(xiàn)毫安表恰好滿偏，此時電路中的總電阻為________ Ω；(結果保留一位小數(shù))
(3)斷開兩表筆，他在毫安表0刻度處標記“∞”，“50 mA”刻度處標記“0”，并在其他刻度處標上正確阻值成為一個簡易歐姆表，則25 mA處應標記________ Ω；(結果保留一位小數(shù))
(4)將學生電源的電壓調(diào)至6 V，將兩表筆短接，調(diào)節(jié)電阻箱直到毫安表滿偏，此時該歐姆表的倍率為________(選填“×2”“×3”或“×10”)，將一未知電阻接入兩表筆之間，發(fā)現(xiàn)毫安表指在25 mA處，該電阻的阻值為________ Ω(結果保留一位小數(shù))．
答案 (1)黑 (2)40.0 (3)40.0 (4)×3 120.0
解析 (1)根據(jù)電流流向，可以判斷與毫安表相連的應為黑表筆．
(2)毫安表滿偏，根據(jù)R總＝eq \f(E,Ig)，解得R總＝40.0 Ω.
(3)毫安表指向25 mA時，毫安表半偏，待測電阻等于內(nèi)阻，此處標記40.0 Ω.
(4)學生電源的電壓調(diào)至6 V，歐姆表的內(nèi)阻為120.0 Ω，故歐姆表的倍率為×3，毫安表指在25 mA處，該電阻的阻值為40.0×3 Ω＝120.0 Ω.
例3 (2022·山東濟南市一模)某實驗小組利用電流表和電壓表測定一節(jié)干電池的電動勢和內(nèi)電阻，實驗器材如下：
干電池一節(jié)(電動勢約為1.5 V，內(nèi)阻約為0.5 Ω)；
電壓表V(量程為0～3 V，內(nèi)阻約為3 kΩ)；
電流表A(量程為0～0.6 A，內(nèi)阻約為0.2 Ω)；
滑動變阻器(最大阻值為20 Ω)；
開關、導線若干．
(1)實驗電路圖選擇______(選填“甲”或“乙”)．
(2)用筆畫線代替導線，將圖中的器材連成實驗電路．
(3)完成實驗后，某同學利用圖像分析由電表內(nèi)阻引起的實驗誤差．在下列選項中，實線是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)描點作圖得到的U－I圖像；虛線是該電源真實的路端電壓U隨真實的干路電流I變化的U－I圖像．本次實驗分析誤差的U－I圖像是________．
(4)為減小電表內(nèi)阻引起的實驗誤差，在電表量程不變的情況下，可以采取的措施是________．
A．換用內(nèi)阻更小的電流表
B．換用內(nèi)阻更大的電流表
C．換用內(nèi)阻更小的電壓表
D．換用內(nèi)阻更大的電壓表
答案 (1)甲 (2)見解析圖 (3)A (4)D
解析 (1)因為電源內(nèi)阻較小，接近電流表內(nèi)阻，為了減小誤差所以電流表采用相對電源外接，選擇題圖甲；
(2)根據(jù)電路圖得實物連接圖如圖所示；
(3)由于電壓表的分流作用，相同的路端電壓下，電流表測量的電流值小于流過電源的電流，內(nèi)電阻的測量值為電源和電壓表并聯(lián)后的總電阻，比實際電源的內(nèi)阻小，所以對應實線斜率的絕對值比虛線的小，但當電壓為零時，電壓表的內(nèi)阻對測量沒有影響，實線和虛線重合，故A正確，B、C、D錯誤；
(4)因為電壓表的分流作用產(chǎn)生的誤差，為減小電表內(nèi)阻引起的實驗誤差，在電表量程不變的情況下，可以采取的措施是增大電壓表的內(nèi)阻，故D正確，A、B、C錯誤．
例4 (2022·黑龍江省哈師大附中高三期末)某探究小組采用如圖甲所示的電路測定一節(jié)干電池的電動勢和內(nèi)阻時，發(fā)現(xiàn)量程為0～3 V的電壓表出現(xiàn)故障不能正常使用，實驗臺上有一個量程為0～500 μA、內(nèi)阻Rg＝200 Ω的靈敏電流計和一個電阻箱R(0～9 999 Ω)．
(1)為了把靈敏電流計改裝成量程為0～3 V的電壓表繼續(xù)實驗，電阻箱R應調(diào)至______ Ω.
(2)請用筆畫線代替導線完成圖乙的實物電路連接．
(3)探究小組中一個同學用靈敏電流計和電阻箱設計了如圖丙所示的實驗電路，同樣測出了干電池的電動勢和內(nèi)阻．
①多次調(diào)節(jié)電阻箱，記錄靈敏電流計的示數(shù)I和電阻箱的阻值R，干電池的電動勢和內(nèi)阻分別用E和r表示，則eq \f(1,I)和R的關系式為________________．
②然后以eq \f(1,I)為縱坐標，以R為橫坐標，作出了eq \f(1,I)－R圖線為一直線，如圖丁所示，測得直線在縱軸上的截距b＝144，直線的斜率k＝eq \f(5,7)，則該干電池的電動勢E＝________ V，內(nèi)阻r＝________ Ω.
答案 (1)5 800 (2)見解析圖 (3)①eq \f(1,I)＝eq \f(Rg＋r,E)＋eq \f(R,E) ②1.4 1.6
解析 (1)為了把靈敏電流計改裝成量程為0～3 V的電壓表繼續(xù)實驗，電阻箱R應調(diào)至R＝eq \f(U,Ig)－Rg＝5 800 Ω
(2)如圖所示．
(3)①根據(jù)閉合電路歐姆定律有
E＝I(R＋Rg＋r)
整理得eq \f(1,I)＝eq \f(Rg＋r,E)＋eq \f(R,E)
②由題意可得b＝eq \f(Rg＋r,E)＝144 A－1
k＝eq \f(1,E)＝eq \f(5,7) V－1
解得E＝1.4 V
r＝1.6 Ω
考點三 創(chuàng)新型實驗
1．測量電阻創(chuàng)新方案對比
2．傳感器的應用


例5 (2022·江蘇連云港市高三期末)某同學用如圖甲所示的電路測量未知電阻Rx的阻值．已知電源電動勢約為4.5 V，內(nèi)阻約為1.5 Ω，電壓表滿偏電壓為3 V，定值電阻R0＝3.5 Ω，電阻箱R最大阻值為99.9 Ω.
(1)將S2接1，閉合開關S1前，該同學首先將電阻箱的阻值調(diào)到最大，這樣操作是________(選填“正確”或“錯誤”)的；
(2)多次改變電阻箱R的阻值，得到對應電壓表的示數(shù)U如表格所示，請根據(jù)實驗數(shù)據(jù)在圖乙中作出U－R關系圖像；
(3)斷開S1，將S2接2，再閉合S1，電壓表示數(shù)為1.60 V，利用(2)中測繪的U－R圖像可得Rx＝________ Ω，考慮到電壓表為非理想電表，則Rx測量值________真實值(選填“大于”“小于”或“等于”)．
答案 (1)錯誤 (2)見解析圖 (3)2.8(2.7～2.9均可) 等于
解析 (1)當電阻箱電阻調(diào)到最大時，閉合開關S1時，電壓表兩端電壓為
U＝eq \f(ERm,r＋R0＋Rm)＝eq \f(4.5×99.9,1.5＋3.5＋99.9) V≈4.28 V
超過了電壓表的量程，則該操作錯誤；
(2)作出U－R圖像如圖；
(3)電壓表示數(shù)為1.60 V，利用(2)中測繪的U－R圖像可得Rx＝2.8 Ω，該方法為等效替代法，電壓表內(nèi)阻對Rx的測量無影響，則Rx測量值等于真實值．
例6 (2022·山東卷·14)某同學利用實驗室現(xiàn)有器材，設計了一個測量電阻阻值的實驗．實驗器材：
干電池E(電動勢1.5 V，內(nèi)阻未知)；
電流表A1(量程10 mA，內(nèi)阻為90 Ω)；
電流表A2(量程30 mA，內(nèi)阻為30 Ω)；
定值電阻R0(阻值為150 Ω)；
滑動變阻器R(最大阻值為100 Ω)；
待測電阻Rx；
開關S，導線若干．
測量電路如圖所示．
(1)斷開開關，連接電路，將滑動變阻器R的滑片調(diào)到阻值最大一端．將定值電阻R0接入電路；閉合開關，調(diào)節(jié)滑片位置．使電流表指針指在滿刻度的eq \f(1,2)處．該同學選用的電流表為________(選填“A1”或“A2”)；若不考慮電池內(nèi)阻．此時滑動變阻器接入電路的電阻值應為________ Ω.
(2)斷開開關，保持滑片的位置不變．用Rx替換R0，閉合開關后，電流表指針指在滿刻度的eq \f(3,5)處，則Rx的測量值為________ Ω.
(3)本實驗中未考慮電池內(nèi)阻，對Rx的測量值________(選填“有”或“無”)影響．
答案 (1)A1 60 (2)100 (3)無
解析 (1)若不考慮電池內(nèi)阻，且在電池兩端只接R0時，電路中的電流約為
I＝eq \f(E,R0)＝eq \f(1.5,150) A＝10 mA，
由題知，閉合開關，調(diào)節(jié)滑片位置，要使電流表指針指在滿刻度的eq \f(1,2)處，則該同學選到的電流表應為A1；
當不考慮電池內(nèi)阻，根據(jù)閉合電路的歐姆定律有E＝eq \f(Im,2)(R＋R0＋RA1)，計算出R＝60 Ω.
(2)斷開開關，保持滑片的位置不變，用Rx替換R0，閉合開關后，有E＝eq \f(3Im,5)(R＋Rx＋RA1)
代入數(shù)據(jù)有Rx＝100 Ω.
(3)若考慮電池內(nèi)阻，根據(jù)閉合電路的歐姆定律有E＝eq \f(Im,2)[(R＋r)＋R0＋RA1]
E＝eq \f(3Im,5)[(R＋r)＋Rx＋RA1]
聯(lián)立計算出的Rx不受電池內(nèi)阻r的影響.
1．(2022·甘肅張掖市高三期末)已知電流計G的量程約為幾毫安，內(nèi)阻很小，現(xiàn)要將其量程擴大為原來的3倍，某同學設計如圖所示的電路圖， 實驗室提供了以下器材：
A．電源(E1＝3 V)
B．電源(E2＝15 V)
C．滑動變阻器R1(阻值為0～1 kΩ)
D．滑動變阻器R2(阻值為0～15 kΩ)
E．電阻箱
F．開關、導線．
(1)電源應選________，滑動變阻器應選________．(均填器材前所對應的字母)
(2)改裝步驟如下，請將步驟補充完整：
①按電路圖連接各器材，把滑動變阻器的滑片調(diào)至最________(選填“左”或“右”)端；
②將開關S2斷開，S1閉合；
③調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片，使電流計G滿偏；
④保持________不變，再閉合開關S2，把電阻箱調(diào)到適當值，使電流計________；
⑤不再改變電阻箱的阻值，保持電流計G和電阻箱并聯(lián)，撤去其他電路，即可將電流計G的量程擴大為原來的3倍．
答案 (1)B D (2)①右 ④滑動變阻器滑片的位置 讀數(shù)為滿偏電流的三分之一
解析 (1)這個實驗要求在閉合開關S2后，干路電流幾乎不變，所以滑動變阻器接入電阻越大越好，所以在電流計滿偏時，電動勢越大，滑動變阻器接入電阻才越大，所以電源應選B，電流計G滿偏電流約為幾毫安，所以干路總電阻約為幾千歐姆，所以滑動變阻器的最大阻值選15 kΩ的合適，故選D；
(2)①為了保證電流表的安全，則把滑動變阻器的滑片調(diào)至最右端，使得接入電路的阻值最大，電流最??；
④要想保持干路電流不變，要求滑動變阻器的阻值不能再改變；使電流計讀數(shù)為滿偏電流的三分之一，此時電阻箱的分流為三分之二的干路電流，其阻值為電流計的二分之一，改裝后的總電阻為之前的三分之一，則量程變?yōu)樵瓉淼?倍．
2．(2022·福建龍巖市三模)為了節(jié)能環(huán)保，一些公共場所使用光控開關控制照明系統(tǒng)．光控開關可采用光敏電阻來控制，光敏電阻是阻值R隨光的照度I的變化而發(fā)生變化的元件(照度可以反映光的強弱，光越強，照度越大，照度單位為lx)．
(1)某光敏電阻在不同照度下的阻值R如下表所示，根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，請在圖甲的坐標系中描繪出阻值隨照度變化的曲線，并判斷光敏電阻的阻值R與照度I是否成反比關系．答________(填“是”或“否”)．
(2)圖乙為街道路燈自動控制電路，利用直流電源E為電磁鐵供電，利用照明電源為路燈供電．為達到天亮燈熄、天暗燈亮的效果，路燈應接在________(填“AB”或“CD”)之間．
(3)已知線圈的電阻為140 Ω，直流電源E的電動勢E＝36 V，內(nèi)阻忽略不計．當線圈中的電流大于10 mA時，繼電器的銜鐵將被吸合，滑動變阻器R′的阻值應調(diào)為________ Ω，才能使天色漸暗、照度低于1.0 lx時點亮路燈．
(4)使用一段時間后發(fā)現(xiàn)，路燈在天色更亮時就已點亮了，為了使路燈能按設計要求點亮和熄滅，變阻器R′的阻值應適當調(diào)________(選填“大”或“小”)些．
答案 (1)見解析圖 否 (2)AB (3)1 460 (4)小
解析 (1)如圖所示
若光敏電阻的阻值R與照度I成反比關系，則有RI為定值，由圖像中點的數(shù)據(jù)可得
5.8×0.2