2010高考物理电学设计性实验

电学设计性实验

要点一 测量电阻的特殊方法

即学即用

1.测电流表和电压表的内阻,如果有可以作为标准的已知电阻的电表,都可以使用比例法.请分别画出你设计的用比例法测它们内阻的电路图,并说明需要测量的物理量,写出用测量量表示电表内阻的公式.

答案 电压表可显示电阻两端的电压值,电流表可显示电阻中通过的电流,所以测电流表内阻应把两电流表并联,测电压表内阻应把两电压表串联,电路图分别如下图甲、乙所示.

测电流表内阻时,应调节滑动变阻器R1,使两电流表的指针都有较大偏转,记录下两电流表的示数I1和I2,根据并联电路分流原理,若已知电流表A1的内阻为r1,则电流表A2的内阻r2=

I1r1. I2测电压表内阻时,应调节滑动变阻器R2,使两电压表的指针都有较大偏转,记录下两电压表的示数U1和U2,根据串联电路分压原理,若已知电压表V1的内阻r1,则电压表V2的内阻r2=

U2r1. U1要点二 设计性电学实验

即学即用

2.现有一阻值R=10.0Ω的定值电阻、一个开关、若干根导线和一个电压表,该电压表表盘上有刻度但无刻度值,要求设计一个能测定某电源内阻的实验方案（已知电压表内阻很大,电压表量程大于电源电动势,电源内阻约为几欧）.要求: （1）画出实验电路图.

（2）简要写出完成接线后的实验步骤.

（3）写出用测得的量计算电源内阻的表达式r= . 答案 （1）电路图如右图所示 （2）实验步骤为:

①断开开关,记下电压表偏转格数N1

②合上开关,记下电压表偏转格数N2 ③利用公式r（3）

N1?N2R计算电源内阻,式中R=10.0Ω. N2N1?N2R N2

题型1 仪表的选择

【例1】实验室中现有器材如右图所示有:电池E,电动势约10 V,内阻约1Ω;电流表A1,量程约10 A,内阻r1约为0.2Ω;电流表A2,量程300 mA,内阻r2约5Ω;电流表A3,量程250 mA,内阻r3约5Ω;电阻箱R1;最大阻值999.9Ω,最小阻值改变量为0.1Ω;滑动变阻器R2,最大值100Ω;开关S;导线若干.要求用下图所示的电路测量图中电流表A的内阻.

（1）在所给的三个电流表中,哪几个可以用此电路精确测出其内阻? （2）在可测的电流表中任选一个作为测量对象,在实物图上连成测量电路.

（3）你要读出的物理量是 .用这些物理量表示待测内阻的计算公式是 .

答案 该题要求根据电路图设想出实验原理.属于有一定提示的设计型实验.与我们学过的伏安法测电阻相比较,这里被测电阻是电流表的内阻,它能显示出通过自身的电流,因此只要知道其上的电压就行,但没有电压表,却有另一只电流表.根据电路图可以看出,图中表A是被测表,则其上电压就是电阻箱上电压,利用两只电流表的读数差和电阻箱上显示的阻值可以求出该电压,这样就可以求出电流表的内阻.

（1）电流表A1不能精确测出其内阻,因这时图中的电流表A′应为A2、A3中的一只,这使得电流表A1中的电流不能超过300 mA,其指针的偏转极其微小,误差很大.而A2、A3可用此电路精确测出其内阻.

（2）若测r3,实物连线如下图所示.

（3）根据前面的分析,要读出的物理量是A、A′两电流表的示数I、I′和电阻箱的阻值R1,待测内阻的计算公式是r待=

I??IR1. I题型2 实物连线题

【例2】为了测定电流表A1的内阻,采用如图所示的电路.其中:

A1是待测电流表,量程为300μA,内阻约为100Ω; A2是标准电流表,量程是200μA; R1是电阻箱,阻值范围是0～999.9Ω; R2是滑动变阻器; R3是保护电阻;

E是电池组,电动势为4 V,内阻不计; S1是单刀单掷开关,S2是单刀双掷开关.

（1）根据电路上图所示,请在下图中画出连线,将器材连接成实验电路.

（2）连接好电路,将开关S2扳到接点a处,接通开关S1;调整滑动变阻器R2,使电流表A2的读数是150μA;然后将开关S2扳到接点b处,保持R2不变,调整变阻箱R1,使电流表A2的读数仍是150μA.若此时电阻箱各旋钮的位置如下图所示,电阻箱R1的阻值是 Ω,则待测电流表A1的内阻Rg= Ω.

（3）上述实验中,无论怎样调整滑动变阻器R2的滑动位置,都要保证两只电流表的安全.在下面提供的四个电阻中,保护电阻R3应选用 A.200 kΩ C.15 kΩ

B.20 kΩ D.150 kΩ

（ ）

（4）下面提供最大阻值不同的四个滑动变阻器供选用.既要满足上述实验要求,又要调整方便,滑动变阻器

（填写阻值相应的字母）是最佳选择. A.1 kΩ

B.5 kΩ

C.10 kΩ

D.25 kΩ

答案 （1）见下图

（2）86.3 86.3 （3）B （4）C

题型3 数据处理问题

【例3】要描绘某电学元件（最大电流不超过6 mA,最大电压不超过7 V）的伏安特性曲线,设计电路如图所示.图中定值电阻R为1 kΩ,用于限流;电流表量程为10 mA,内阻约为5Ω;电压表（未画出）量程为10 V,内阻约为10 kΩ;电源电动势E为12 V,内阻不计.

（1）实验时有两个滑动变阻器可供选择:

a.阻值0～200Ω,额定电流0.3 A b.阻值0～20Ω,额定电流0.5 A

本实验应选用的滑动变阻器是 （填“a”或“b”）. （2）正确接线后,测得数据如下表:

①根据以上数据,电压表是并联在M与 之间的（填“O”或“P”）.

②根据以上数据,在下图中画出该元件的伏安特性曲线.

（3）在下图上画出待测元件两端电压UMO随MN间电压UMN变化的示意图为（无需数值）.

答案 （1）a

（2）①P ②见下图 （3）见右图

1.某同学使用了如下器材:电源E（电动势12 V）;电压表V（量程为15 V,内阻约15 kΩ）;电流表A（量程100 mA,内阻约10Ω）;滑动变阻器（最大电阻为50Ω）;单刀单掷开关;导线若干.测出了一个小灯泡的伏安特性曲线如图所示,已知小灯泡的额定电压为12 V.

（1）请在下面的虚线方框中画出此实验电路.

（2）根据设计的电路图在下图中连接实物图.

（3）由小灯泡的伏安特性曲线可知小灯泡的额定功率为P额= W,小灯泡电阻的变化特性为 .答案 （1）、（2）如下图所示

（3）1.15（1.14～1.16）

灯泡电阻随电压升高而增大（或随温度升高而增大;或电压越高时电阻增大越快）. 2.（2009·大同质检）现有一特殊电池,它的电动势E约为9 V,内阻r约为40Ω,已知该电池允许输出的最大电流为50 mA.为了测定这个电池的电动势和内阻,某同学利用如右图所示的电路进行实验,图中电流表的内阻RA已经测出,阻值为5Ω,R为电阻箱,阻值范围0～999.9Ω,R0为定值电阻,对电路起保护作用.

（1）实验室备用的定值电阻R0有以下几种规格. A.10 Ω

B.50Ω

C.150 Ω

D.500 Ω

本实验选用哪一种规格的定值电阻最好 . （2）该同学接入符合要求的R0后,闭合开关K,调整电阻箱的阻值,读取电流表的示数,记录多

组数据,作出了如下图所示的图线,则根据该同学作出的图线可求得该电池的电动势E= V,内阻r= Ω.

答案 （1）C （2）10 45

3.某实验小组在实验室中测定一节干电池的电动势和内阻,他们观察实验桌上备用的器材编号如下:

A.干电池（电动势E约为1.5 V,内电阻r约为1.0Ω） B.电流表G（满偏电流3.0 mA,内阻Rg=10Ω） C.电流表A（量程0～0.6 A,内阻约为0.5Ω） D.滑动变阻器R（0～20Ω,10 A） E.滑动变阻器R′（0～100Ω,1A） F.定值电阻R2=990Ω G.开关S和导线若干

（1）为了能准确地进行测量,同时为了操作方便,实验中应选用的滑动变阻器是 .（填写器材编号）

（2）请在虚线框内画出他们采用的实验原理图.（标注所选择的器材的符号）

（3）该小组根据实验设计的原理图测得的数据如下表,为了采用图象法分析处理数据,请你在下图所示的坐标纸上选择合理的标度,做出相应的图线.

（4）根据图线求出电源的电动势E= （保留三位有效数字）,电源的内阻r= （保 留两位有效数字）. 答案 （1）D （2）如右图所示

（3）如右图所示

（4）1.47（1.46～1.48） 0.82（0.80～0.90）

1.在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中,使用的小灯泡标有“6 V,3 W”,其他可供选择的器材有:电压表V1（量程6 V,内阻20 kΩ）;电压表V2（量程20 V,内阻60 kΩ）;电流表A1（量程3 A,内阻0.2Ω）;电流表A2（量程0.6 A,内阻1Ω）;滑动变阻器R1（0～1 000Ω,0.5 A）;滑动变阻器R2（0～20Ω,2 A）;学生电源E（6～8 V）;开关S及导线若干.实验中要求电压表在0～6 V范围内读取并记录下11组不同的电压值U和对应的电流值I,见下表.

（1）在下面方框中画出实验所用的电路图,并注明所选器材的符号.

（2）在图中,画出伏安特性曲线.如果将本题中的小灯泡接在电动势E=1.5 V,内阻r=2.0Ω的电池的两端,则小灯泡的实际功率是多少?

（3）该实验画出的伏安特性曲线在电压较高段和电压较低段相比,哪段的系统误差较大?为什么?

答案 （1）电路图如下图所示.

（2）伏安特性曲线如下图所示

0.28 W

（3）电压较高时,灯泡消耗的功率较大,灯丝温度高,其电阻大,由于是外接法,故这时电压表的分流较大,所以电流的测量值偏大,故系统误差较大.

2.学习了“欧姆定律”以及电路的知识后,李阳同学要帮妈妈制作一个自动控温孵化器,他到电子商城买了一只标称值为220Ω的半导体热敏电阻,由于不知道该电阻的温度特性,为此,他做了如下实验.

（1）在室温下（约25℃）他正确使用多用表的欧姆挡测该热敏电阻的阻值,

表的示数如右图所示,可判定李阳同学测量时选用的是 挡,表的读数是 Ω.

（2）李阳同学要通过改变热敏电阻的温度并用伏安法测热敏电阻的阻值来研究热敏电阻的温度特性,他准备了如下器材:

蓄电池（电动势为6 V,内阻不计）及电键 伏特表（量程为0～6 V,内阻很大） 安培表（量程为0～20 mA,内阻Rg=10Ω） 定值电阻R0（R0=5Ω）

下列图中给出四个电路,其中李阳应该选择的是 .

（3）李阳同学得到的实验数据如下表

请你根据这些数据在下图所示的坐标纸上画出这个热敏电阻的电阻值随温度变化的关系图象（R—t图象）.

（4）下图是李阳同学利用这个热敏电阻制成的孵化器温度控制电路,其中控制电路的输入端A、B内接电路可等效为一个电动势为2.0 V,内阻为100Ω的电源,当通过热敏电阻R的电流大于等于2.0 mA时,控制电路动作,输出端 的开关断开,加热器停止加热.孵化小鸡时,要求孵化箱恒温在39.5℃,为此,李阳将孵化箱的最高温度设定为40℃;

为使恒温箱能在40℃时控制电路动作,定值电阻R0的阻值应为 Ω.

答案 （1）×10

260

（2）D

（3）R—t图象如右图所示. （4）755

3.如果某研究性学习小组在研究某种用半导体材料做的用电器件Z的导电规律时,用电压表、电流表测得其两端电压与通过其中的电流的关系如下表所示:

所用的器材规格:

电压表（0～3～15 V,内阻30 kΩ） 电流表（0～0.6～3 A,内阻4Ω） 滑动变阻器（变化范围0～10Ω） 电源（6 V,内阻1Ω） 用电器件Z 电键;导线若干

（1）在下图乙方框中画出测量电路原理图,并将下图甲中的实物连成测量电路.

（2）若把用电器件Z接入图丙所示的电路中,电流表的读数为1.8 A,电源输出电压恒为3 V,电阻R的电功率 为 W.

（3）请分析表中的数据,探究该用电器件Z的电流随电压变化的规律是什么? 答案 （1）见下图

（2）3.24

（3）观察实验数据,猜想电流随电压变化的规律是I=kU 任选两组数据可列出0.8=k·0.8 1.25=k·1

解得n=2,k=1.25 A/V

也可代入其他组数据,在误差范围内,则I=1.25U.

4.影响材料电阻率的因素很多,一般金属材料的电阻率随温度的升高而增大.如图甲是某金属材料制成的电阻R随摄氏温度t变化的图象,图中R0表示0℃时的电阻.若用该电阻与电池（E、r）、电流表Rg、滑动变阻器R′串联起来,连接成如图乙所示的电路,用该电阻做测温探头,把电流表的电流刻度改为相应的温度刻度,就得到了一个简单的“金属电阻温度计”,使用“金属电阻温度计”前,先要把电流表的刻度值改为相应的温度刻度值,若温度t1

2

2

n

n

n

答案 右

R0?Rg?R??rE ?kⅠk5.（1）由绝缘介质隔开的两个同轴的金属圆筒构成圆柱形电容器.如图所示,试根据你学到的有关平行板电容器电容的知识,推测影响圆柱形电容器电容的因素有 .

（2）利用伏安法测量干电池的电动势和内阻,现有的器材为: 干电池:电动势约1.5 V,符号 电压表:量程1 V,内阻998.3Ω,符号 电流表:量程为1 A,符号 滑动变阻器:最大阻值10Ω,符号 电阻箱:最大阻值99 999.9Ω,符号 单刀单掷开关1个,符号 导线若干

①设计测量电源电动势和内阻的电路并将它画在指定的方框内.要求在图中标出电压表、电

流表的接线柱的正负.

②为了满足本实验要求并保证实验的精确度,电压表量程应扩大为原量程的 倍,电阻箱的阻值应为 Ω.

答案 （1）H、R1、R2、ε（正对面积、板间距离、极板间的介质） （2）①见右图

②2 998.3

6.某同学对黑箱（图所示）中的一个电学元件的伏安特性进行研究,通过正确测量,他发现 该元件两端的电压Uab（Uab=Ua-Ub）与流过它的电流I之间的变化关系有如下规律: ①当-15 V

（1）在图下中画出Uab≥0时该元件的伏安特性曲线.（可用铅笔作图）

（2）根据上述实验事实,该元件具有的特性是 . （3）若将此黑箱接入如右图电路中,并在该电路的cd两端输入如下图（甲）所示的方 波电压信号Ucd,请在图下（乙）中定性画出负载电阻RL上的电压信号Uef的波形.

答案 （1）如下图所示

（2）单向导电性 （3）如下图所示

7.甲同学设计了如图所示的电路测电源电动势E及电阻R1和R2的阻值.实验器材有:待测电源E（不计内阻）,待测电阻R1,待测电阻R2,电压表 （量程为1.5 V,内阻很大）,电阻箱R（0～99.99Ω）,单刀单掷开关S1,单刀双掷 开关S2,导线若干.

（1）先测电阻R1的阻值.请将甲同学的操作补充完整:闭合S1,将S2切换到a,调节电阻箱,读

出其示数r和对应的电压表示数U1,保持电阻箱示数不变, ,读出电压表的示数U2.则电阻R1的表达式为R1= .

（2）甲同学已经测得电阻R1=4.8Ω,继续测电源电动势E和电阻R2的阻值.该同学的做法是:闭合S1,将S2切换到a,多次调节电阻箱,读出多组电阻箱示数R和对应的电压表示数U,由测得的数据,绘出了如下图所示的Ω.

（3）利用甲同学设计的电路和测得的电阻R1,乙同学测电源电动势E和电阻R2的阻值的做法是:闭合S1,将S2切换到b,多次调节电阻箱,读出多组电阻箱示数R和对应的电压表示数U,由测得的数据,绘出了相应的

11图线,根据图线得到电源电动势E和电阻R2.这种?UR?R111?图线,则电源电动势E= V,电阻R2= UR做法与甲同学的做法比较,由于电压表测得的数据范围 （选填“较大”、“较小”或“相同”）,所以 同学的做法更恰当些. 答案 （1）将S2切换到b （3）较小 甲

8.现要按图1所示的电路测量一节旧干电池的电动势E（约1.5 V）和内阻r（约20Ω）， 可供选择的器材如下：

电流表A1、A2（量程0～500μA，内阻约为500Ω），滑动变阻器R（阻值0～100Ω，额定电流1.0 A），定值电阻R1（阻值约为100Ω），电阻箱R2、R3（阻值0～999.9Ω），开关、导线若干.

由于现有电流表量程偏小，不能满足实验要求，为此，先将电流表改装（扩大量程），然后再按图1电路进行测量. （1）测量电流表A2的内阻.

按图2电路测量A2的内阻，以下给出了实验中必要的操作. A.断开S1

图2

图1

U2?U1 r U1（2）1.43（或

10） 71.2

B.闭合S1、S2

C.按图2连接线路，将滑动变阻器R的滑片调至最左端，R2调至最大 D.调节R2，使A1的示数为I1，记录R2的值

E.断开S2，闭合S3

F.调节滑动变阻器R，使A1、A2的指针偏转适中，记录A1的示数I1

请按合理顺序排列实验步骤（填序号）： .

（2）将电流表A2（较小量程）改装成电流表A（较大量程），如果（1）中测出A2的内阻为468.0Ω，现用R2将A2改装成量程为20 mA的电流表A，应把R2调为 Ω与A2并联，改装后电流表A的内阻RA为 Ω.

（3）利用电流表A、电阻箱R3测电池的电动势和内阻.

用电流表A、电阻箱R3及开关S按图1所示电路测电池的电动势和内阻，实验时，改变R3的值，记录下电流表A

的示数I.得到若干组R3、I的数据，然后通过作出有关物理量的线性图象，求得电池电动势E和内阻r. a.

请

写

出

与

你

所

作

线

性

图

象

对

应

的

函

数

关

系

式 .

b.请在图3虚线框内坐标中作出定性图象.（要求标明两个坐标轴所代表的物理量，用符号表示）

c.图中 表示E.

图中 表示r.

答案 （1）CBFEDA （3）a.R3+RA=E?r

Ⅰ1图3 （2）12 11.7

b.如右图所示

c.直线的斜率

纵轴截距的绝对值与RA的差

9.为了测量两节串联干电池的电动势,某同学设计了如图所示的实验电路,其中E是待测电池组,内阻不能忽略;V1、V2是两只量程都合适的电压表,内阻不是很大,且未知;S1、S2是单刀单掷开关;导线若干.

（1）请根据电路图甲,在图乙中连线,将器材连成实验电路. （2）实验需要测量的物理量是 .

（3）用测出的物理量,导出串联电池组电动势的表达式是 . 答案 （1）如下图所示 （2）闭合S1,V1的读数U1,V2的读数U2.再闭合S2,V1的读数U1′.

U1?U2（3）E=?

U?U1110.（2008·九江质检）图1所示是“用伏安法测量电阻”的实验电路图,只是电压表未接入电

路中.图2是相应的实验器材,其中待测量的未知电阻Rx的阻值约为1 kΩ,电流表量程20 mA、 内阻小于1Ω,电压表量程15 V、内阻约1.5 kΩ,电源输出电压约12 V.滑动变阻器（甲）

图1

的最大阻值为200Ω,乙的最大阻值为20Ω.

图2

（1）在图1的电路图中把电压表接到正确位置. （2）根据图1的电路图将图2的实物连成实验电路. （3）说明本实验电路中两个滑动变阻器所起的作用有何不同? 答案 （1）如右图所示

（2）如下图所示

（3）滑动变阻器甲为粗调,滑动变阻器乙为细调.

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