2013高考物理专题复习-电学设计性实验的分析与例证.

12综观近几年高考实验题，电学实验一直是高考的焦点，属于每年必考的内容之一，但总结一下可以发现，没有一个是照搬课本中的实验，而是在原有基础上的创新，多为设计性实验。设计性实验就是要求学生自己设计实施方案的实验，它涉及到选择实验器材、安排实验步骤、进行误差分析等。它具有有利于激发学生的发散思维、有利于提高和鉴别学生的综合能力和创造能力，因此备受高考的青睐，所以设计性实验在今后的高考中仍将成为一种主要的实验题型。3第一是要对课本中基本实验的原理、方法有清晰深刻的认识，要掌握好实验电路和器材的选择、电表量程的选择，同时还要熟记一些常用的实验方案：如电阻的测定（包括定值电阻、电流表和电压表的电阻）、电源电动势和内阻的测定等。只有熟练地掌握这些基本知识，才能在设计实验时找到“原型”，由原型的启发设计出比较新颖的实验。如何分析和应对电学设计性实验呢？第二是要求对实验进行误差分析，它是实验改进的前提，特别是要分析系统误差的来源，这样的话就可以进行适当的电路改装以消除电表对电路的影响。4实验原理举例定值电阻的测定电流表内阻的测定电源电动势和内阻的测定电压表内阻的测定基本实验5AVRx㈠、定值电阻的测定AVRxⅠ、伏安法①.电流表和电压表内阻未给定时a.待测电阻Rx》RA时，采用电流表的内接法.如图：Rx=U/I，此实验中U测量偏大,I测量准确，所以电阻的测量值大于真实值。b.待测电阻Rx《RA时，采用电流表的外接法.如图：Rx=U/I，此实验中U测量准确,I测量偏大，所以电阻的测量值小于真实值。6【例1】有一个电阻Rx，其阻值大约是25kΩ.请设计一实验电路，较为准确测定其阻值.可供选择的器材如下：电流表A1(0----100μA,rA1≈2kΩ)电流表A2(0----500μA,rA2≈300Ω)电压表V1(0----10V,rV1≈100kΩ）电压表V2(0----50V,rV2≈500kΩ）直流稳压电源E（15V，1A）滑动变阻器R(1kΩ,1W)电键K导线若干为使测量尽量准确，要求进行多次测量，请画出实验电路原理图，其中电流表选用_____，电压表选用_____．7滑动变阻器接法的选择：由于Rx阻值是滑动变阻器总阻值的25倍，若采用限流电路，变阻器对电流、电压的调节作用很小，应该选用调节作用范围大的分压器电路．RXV1A2解析:电压表的选择:因为电源电压为15V，不足电压表V2(50V)量程的1/3，所以电压表应选V1（10V）。电流表的选择:通过电阻Rx的最大电流为Imax≈10V/25KΩ=400μA，所以电流表选A2（500μA）。测量电路的选择：由于,应采用电流表的内接法。RRRRAXXV218※若无法判断待测电阻Rx是大电阻还是小电阻时，可以采用试触法方法：把电压表触头分别接a点和b点，并观察电压表和电流表的示数bRxVaA（如图所示）结论：⒈如果电压表示数变化明显，则待测电阻为小电阻，应采用电流表的外接法.⒉如果电流表示数变化明显，则待测电阻为大电阻，应采用电流表的内接法.【例2】上图中，将电压表的触头接a点时，测得数据为2.7V、3.0mA，接b点时，测得数据为2.8V、2.0mA，待测电阻的阻值为______欧.14009【例3】欲测定电阻Rx的阻值，可供选择的器材有：电源E=4.5V，内阻不计；滑动变阻器总电阻R=3KΩ;电流表A1(0-10mA),电流表A2(0-0.6mA)；电压表V1(0-3V),电压表V2(0-15V);电键、导线若干.一个电表偏转角度几乎不变，另一电表偏转角度为满偏的3/4,则由此可知该同学所选用的电压表为________,电流表为________,所测电阻为________Ω。某同学按下图连成实验电路，他将S1闭合，把S2接a时，两表偏转角度均为满偏的4/5；把S2接b时，VS2ARxS1Rab10解析：电压表的选择:由于S2接a时，两表偏转角度均为满偏的4/5，若选用电压表V2(0-15V），读数为12V，超过了电源电动势（E=4.5V），所以电压表应选择V1(0-3V）。电流表的选择：S2接b时,电压表示数为2.4V，若电流表选A2(0-0.6mA)时，示数为0.45mA，待测电阻Rx为5.3KΩ，此时滑动变阻器的阻值约为4.7KΩ，大于其总电阻3KΩ，不符合题意，所以电流表应选择A1(0-10mA)，其示数为7.5mA，待测电阻Rx为320Ω。测量电路的选择：由于S2接b时，一电表偏角变小,而此过程电压表的示数不可能减小，所以电表偏转角度几乎不变应该为电压表，测量电路选择电流表的内接（即S2接b）。11②.电流表和电压表内阻给定时a.电流表内阻RA给定时,可采用电流表的内接法准确测定待测电阻Rx.AVRx结论：Rx=-RAIUb.电压表内阻RV给定时,可采用电流表的外接法准确测定待测电阻Rx.AVRx结论：Rx=vRUIU12【例4】用以下器材测量一待测电阻Rx的阻值（900～1000Ω）,实验中备用器材有:电源E，具有一定内阻，电动势约为9.0V；电压表V1，量程为1.5V，内阻r1=750Ω；电压表V2，量程为5V，内阻r2=2500Ω；滑线变阻器R，最大阻值约为100Ω；单刀单掷开关S，导线若干．(1)测量中要求电压表的读数不小于其量程的1/3，试画出测量电阻Rx的一种实验电路原理图.(原理图中的元件要用题图中的相应的英文字母标注）．(2)若电压表V1的读数用U1表示,电压表V2的读数用U2表示,则由已知量和测得量表示Rx的公式为Rx=_______13解析：本题意在让学生掌握，内阻给定的电压表（电流表）可视为电流表（电压表）。如：本题中给定的两电压表均可视为量程为2mA的电流表。此题中Rx的测量仍然采用伏安法。由于两表内阻给定，可以设计以下电路：V1V2Rx(A)V2V1Rx(C)V1V2Rx(B)V2V1Rx(D)14V1V2RxA、V1V2RxB、V2V1RxC、V2V1RxD、电压表V1取1.5V时，电压表V2约为1.6V,不足满偏的1/3，故排除(A)电压表V1取1.5V时，电压表V2约为3.4V,符合题意。电压表V2取5V时，电压表V1约为0.83V,符合题意。电压表V1取1.5V时，电压表V2约为1.1V,不足满偏的1/3，故排除(D)现对上述四个电路作一估算（Rx取平均值950Ω）1112rrUURx2112211rUrUrrURx15S2V12ARXS1R2R1【例5】利用伏安法测定电阻时，电压表和电流表的内阻会对测量产生影响，采用图示电路测定电阻可以消除上述影响。实验步骤如下：⑴按照图示连接电路；⑵闭合电键S1，并将电键S2电拨到1端，调节滑动变阻器R1和R2，读出电压表的示数U1和电流表示数I1。⑶将电键S2电拨到2端，_____________，并读出电压表的示数U2和电流表示数I2。⑷根据以上测量可以求出Rx=_______________。保持R1不变，调节R2解析：AxRRRIU111ARRIU1222211IUIURxU1/I1-U2/I216Ⅱ、替代法VS1R1S2RXR212AS1R1R2S2RX12如图为替代法测定电阻的实验电路。实验方法：利用单刀双掷开关分别将电阻箱和待测电阻接入电路，用电阻箱替代待测电阻的方法来测定待测电阻的阻值。实验步骤如下：⑴按图示连接电路；⑵闭合开关S1，将单刀双掷开关S2拨到1端，调节R1，记录电流表或电压表的示数；⑶将S2拨到2端，保持R1不变并调节电阻箱R2，使两次电流表或电压表的示数相同，电阻箱R2的示数即为待测电阻的阻值。17【例6】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4V，内阻不计；S1是单刀单掷开关，S2是单刀双掷开关。（1）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读数为150μA；然后将开关S2扳到接点b处，保持R2不变，调节电阻箱R1，使A2的读数仍为150μA.若此时电阻箱示数如图所示，待测电表的内阻Rg=_______Ω。86.3S2R1A2S1R2abA1R318（2）上述实验中，无论怎样调整滑动变阻器R2的滑动端位置，都要保证两块电流表的安全。在下面提供的四个电阻中，保护电阻R3应选用：____（填写阻值相应的字母）。A.200kΩB.20kΩC.15kΩD.20Ω（3）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.1kΩB.5kΩC.10kΩD.25kΩCB19S1GR/S2ErR（二）电流表内阻的测定Ⅰ、半偏法利用如图所示的实验电路可以较准确地测量电流表的内阻。主要操作步骤如下：A、按图所示连接电路图，将变阻器R/滑片拨到最右端。B、闭合开关S1，调节变阻器R/，使电流表指针指到满偏Ig。C、闭合开关S2，保持变阻器R/不变并调节电阻箱R，使电流表的指针指到半偏Ig/2，记下此时R的值，则所测电流表的内阻Rg即为此时的R值。分析：闭合S2时，干路电流将大于Ig，调节R，电流表示数达到Ig/2时，电阻箱的电流大于Ig/2，此时电阻箱R示数小于电流表的内阻。（若变阻器R/接入电路的阻值远大于电流表的内阻时，可认为干路电流近似不变）20【例7】图1中E为电源，电动势为E，R1为滑线变阻器，R2为电阻箱，A为电流表。用此电路经以下步骤可近似测A的内阻RA：①闭合K1，断开K2，调节R1，使电流表读数等于其量程I0；②保持R1不变，闭合K2，调节R2，使电流表读数等于_____，然后读出R2的值，取RA≈R2。（1）按图1所示电路在图2所给出的实物图中画出连接导线。（2）真实值与测得值之差除以真实值叫做测量结果的相对误差，即(RA-R2)/RA。试导出它与电源电动势E、电流表量程I0及电流表内阻RA的关系式。k1AR1k2ErR2图121解析：由步骤①得：由步骤②得：联立两式解得：01IRREA2022221IRRRRRRRREAAAAAAREIRRR02k1AR1k2ErR2图1思考：本实验误差的来源以及减小误差的方法?22【例8】现有一块59C2型的小量程电流表G（表头），满偏电流为50μA，内阻约为800～850Ω，把它改装成的1mA和10mA两量程电流表。可供选择的器材有：滑动变阻器R1，最大阻值20Ω；滑动变阻器R2，最大阻值100kΩ；电阻箱R/，最大阻值9999Ω;定值电阻R0，阻值1kΩ;电池E1，电动势1.5V；电池E2，电动势3.0V；电池E3，电动势4.5V（所有电池内阻均不计）标准电流表A，满偏电流1.5mA;单刀单掷开关S1和S2，单刀双掷开关S3;电阻丝及导线若干。（1）采用如图所示电路测量表头的内阻，为提高测量精确度，选用的滑动变阻器为；选用的电池为。...GR'S2S1RER2E323.GRaRb10mAS3..1mA图1（2）将G改装成两量程电流表。现有两种备选电路，示于图1和图2。为合理电路，说明另一电路不合理的理由。（3）将改装后的电流表与标准电流表逐格进行核对（仅核对1mA量程），画出所用电路图，图中待核对的电流表符号用表示。A/G...S310mARcRd1mA图2图1图2电路在通电状态下，更换量程会造成两分流电阻都未并联在表头两端，以致流过表头的电流超过其满偏电流而损坏。A'AR1R0S1E1.24【例9】将满偏电流Ig=300μA、内阻未知的电流表G改装成电压表并进行核对．(1)利用如图所示的电路测量电流表G的内阻(图中电源的电动势E=4V)：先闭合S1，调节R，使电流表指针偏转到满刻度；再闭合S2，保持R不变，调节R′，使电流表指针偏转到满刻度的2/3时，读出此时R′的阻值为200Ω，则电流表内阻的测量值Rg=Ω．(2)将该表改装成量程为3V的电压表，需(填“串联