电学、光学实验总复习(含习题)

2012高考物理实验总复习（电学、光学部分）一、电学实验仪器的读数高考要求会正确使用的电学仪器有：电流表、电压表、多用电表、滑动变阻器、电阻箱等等。除了滑动变阻器以外，其它仪器都要求会正确读出数据。读数的基本原则是：凡仪器最小刻度是10分度的，要求读到最小刻度后再往下估读一位（估读的这位是不可靠数字）；凡仪器最小刻度不是10分度的，只要求读到最小刻度所在的这一位（这一位本身就是不可靠数字），不再往下估读。电阻箱是按照各个旋钮指针对应的刻度读数的，指针必须指向某个确定的刻度，因此不向下估读。例1．右图是电压表的刻度盘。若当时使用的是该表的0-3V量程，那么电压表读数为多少？若当时使用的是该表的0-15V量程，那么电压表度数又为多少？解：0-3V量程最小刻度是0.1V，是10分度的，因此要向下估读一位，读1.15V（由于最后一位是估读的，有偶然误差，读成1.14V-1.16V之间都算正确）。0-15V量程最小刻度为0.5V，不是10分度的，因此只要求读到0.1V这一位，所以读5.7V（5.6V-5.8V之间都算正确）。例2．电阻箱示意图如右，试读出当时电阻箱的阻值。解：阻值为84580.2Ω。（电阻箱面板上有6个旋钮，每个旋钮上方都标有倍率。将每个旋钮的指针所指的数值（都为整数）乘以各自的倍率，从最高位到低位依次读出来，就得到这时电阻箱的实际阻值。注意：图中最左边的两个黑点是表示的是接线柱。）二、电流表、电压表内部结构常用电流表和电压表都是由小量程电流表G（即表头）改装而成的。电流表头G的电阻Rg叫表头内阻。指针偏转最大时对应的电流Ig叫满偏电流；与之对应的电压Ug叫满偏电压，Ug=IgRg。将电流表头G改装为电压表，要串联一只大电阻实现分压；将电流表头G改装为电流表，要并联一只小电阻实现分流。例3．现有一只内阻为Rg=25Ω，量程为Ig=3.0mA的电流表。⑴若要把它改装为量程为0.6A和3A的双量程电流表，所需并联的电阻阻值分别是多少？⑵现已选定了两只合适的定值电阻R1=0.025Ω和R2=0.10Ω，改装电路图已画好，请标出接线柱上的标志（共用的+接线柱、0.6A和3A）。解：⑴改装为0.6A量程时，需并联Rg/199=0.1256Ω电阻；改装为3A量程时，需并联Rg/999=0.0250Ω电阻。⑵从左向右，依次是+、3A、0.6A。三、恒定电流实验常规1．伏安法测电阻伏安法测电阻有a、b两种接法，a叫（电流表）外接法，b叫（电流表）内接法。外接法的系统误差是由电压表的分流引起的，测量值总小于真实值，小电阻应采用外接法；内接法的系统误差是由电流表的分压引起的，测量值总大于真实值，大电阻应采用内接法。0240023V051015×0.1×10×1×1k×10k×100176543289017654328901765432890176543289017654328908176543290VAVAabGR1R2如果被测电阻阻值为Rx，伏特表和安培表的内阻分别为RV、RA，若AVRRRx，则采用外接法。若AVRRRx，则采用内接法。如果无法估计被测电阻的阻值大小，可以利用试触法：如右图，将电压表的左端接a点，而将右端第一次接b点，第二次接c点，观察电流表和电压表示数的变化。若电流表示数变化大，说明被测电阻是大电阻，应该用内接法测量；若电压表读数变化大，说明被测电阻是小电阻，应该用外接法测量。（这里所说的变化大，是指相对变化，即ΔI/I和ΔU/U）。2．滑动变阻器的两种接法滑动变阻器在实验电路中常用的接法有两种，分别用下面a、b两图表示：a叫限流接法，b叫分压接法。采用限流接法，电路比较简单，回路的总功率教小；采用分压接法时，被测电阻Rx上的电压调节范围较大。当实验中要求被测电阻上的电压从零开始逐渐增大，或要求电压调节范围尽量大时，应该用分压接法。若实验器材中提供了多个滑动变阻器，在选用时，除了考虑滑动变阻器的额定电流、额定功率外，还要考虑实验中便于调节。采用分压接法时，应该选用总阻值较小的滑动变阻器；采用限流接法时，应该选用总阻值和被测电阻接近的滑动变阻器。3．实物图连线方法⑴无论是分压接法还是限流接法，都先把测量电路（伏安法部分）接好。⑵对限流电路（如图a所示），只需用笔画线当作导线，从电源正极开始，把电源、电键、滑动变阻器、伏安法四部分依次串联起来即可（注意电表的正负接线柱，并选用适当的量程；滑动变阻器的滑动触头位置应使开始实验时接入电路的阻值最大）。⑶对分压电路（如图b所示），先把电源、电键和滑动变阻器的全部电阻丝三部分用导线连接起来（使滑动变阻器上的电势降低方向和伏安法部分相同），然后在滑动变阻器电阻丝两端中任选一个接头，比较该接头和滑动触头的电势高低，将伏安法部分接入该两点间（注意开始实验时，接入被测电路的电压应最低）。实物连接图如右。4．电流（电压）表的选择选用电流（电压）表时，主要是选择适当的量程。⑴先估计通过电流表的最大可能电流Im和电压表两端的最大可能电压Um，所选电表的量程应大于Im或Um，避免烧坏电表。⑵在不超过电表量程的条件下，选择量程小的电表。（因为电流表或电压表在接近满偏时，可以读出的测量值的有效数字位数较多。）5．欧姆表原理V315A30.6V315A30.6aVAbcAAVVababRxRxRR欧姆表内部由电流表头、电源、调零电阻串联组成，外部在+、－插孔内分别插有红、黑表笔。当红、黑表笔短接时，调节调零电阻R1，使电流表指满偏电流Ig，根据欧姆定律，1RrREIgg。每次欧姆调零后，R1的值不再改变，欧姆表的总内阻为r0=Rg+r+R1，0rEIg。若在红、黑表笔间接一只阻值为Rx的待测电阻，则通过电流表头的电流为xRrEI0。从I-Rx图象可以看出：Rx越大，I越小，这个变化是非线性的。当待测电阻阻值Rx等于欧姆表内阻r0时，通过电流表头的电流为Ig/2，因此欧姆表刻度中央刻度所标的数值与当时所选倍率的乘积就是对应挡位欧姆表的总内阻值。从原理图看出：用欧姆表测电阻时，由于电源在表内，电流从负插孔流出，通过黑表笔流入待测电阻，再从红表笔流出待测电阻，流入正插孔，进入欧姆表。例4．多用表的表头是一只量程6mA的电流表。与3mA刻度对应的欧姆表刻度值是30Ω，则与0mA、1mA、2mA、4mA、5mA、6mA对应的欧姆表刻度值依次是____Ω、____Ω、____Ω、____Ω、____Ω、____Ω。解：与0mA对应的欧姆表刻度值为∞；与6mA对应的欧姆表刻度值为0。由满偏电流0rEIg和xRrEI0，中值刻度是30Ω，说明欧姆表内阻r0=30Ω；与1mA对应的总电流是满偏电流的1/6，因此总电阻为r0+Rx=6r0，对应的Rx=5r0=150Ω；同理可得与2mA、4mA、5mA对应的欧姆表刻度值依次是60Ω、15Ω、6Ω。三、考试说明规定的实验1．测定金属的电阻率由于该实验中选用的被测电阻丝的电阻较小，所以测量电路应该选用伏安法中的电流表外接法。本实验对电压的调节范围没有特殊要求，被测电阻又较小，因此供电电路一般选用限流电路。由于金属的电阻率随温度的升高而变大，因此实验中通电时间不能太长，电流也不宜太大，以免电阻丝发热后电阻率发生较明显的变化。为减小偶然误差，要多做几次实验取平均值。例5．在测定金属的电阻率的实验中，待测金属导线的长约0.8m，直径小于1mm，电阻在5Ω左右。实验主要步骤如下：⑴用______测量金属导线的长度l，测3次，求出平均值；⑵在金属导线的3个不同位置上用_________测量直径d，求出平均值；⑶用伏安法测量该金属导线的电阻R。在左边方框中画出实验电路图，并把右图中所给的器材连接成测量电路。安培计要求用0-0.6A量程，内阻约1Ω；伏特计要求用0-3V量程，内阻约几kΩ；电源电V315A30.6IRxIgIg/2r02r03r0OmAΩ0123456E，rR1黑红+RgRxE，rR1黑红+Rg动势为6V；滑动变阻器最大阻值20Ω。在闭合电键前，滑动变阻器的滑动触点应处于正确位置。根据以上测量值，得到该种金属电阻率的表达式为ρ=__________。解：⑴米尺；⑵螺旋测微器；⑶测量部分用安培表外接法，电源部分用限流电路或分压电路都可以，电阻率LIUd42。2．描绘小灯泡的伏安特性曲线用伏安法测量在不同电压下灯丝的电流和电压，描绘出伏安特性曲线。小灯泡灯丝电阻阻值较小，因此采用电流表外接法电路；由于要测小灯泡在不同电压下的电流、电压，电压取值范围要尽量大，因此滑动变阻器应该用分压电路。电路图如右。由于灯丝的电阻率随温度的升高而增大，所以灯丝的阻值随灯泡两端电压的升高而增大，其U-I图线不再是过原点的直线。例6．描绘小电珠的伏安特性曲线的实验电路如上图，小电珠的额定电压是3.8V。⑴根据实验数据在坐标系中描点如右图。试在坐标系中画出该小灯泡的伏安曲线，并从图象中求该小灯泡的额定功率。⑵该小灯泡在1V电压下不发光。当时灯丝的实际电阻是多大？该小灯泡在2V电压下开始发出微弱的黄光。当时灯丝的实际电阻又是多大？小灯泡在不同电压下的实际电阻为什么不相同？⑶关于该实验的系统误差，下列说法中正确的是Ａ．系统误差主要是由电压表的分流引起的Ｂ．系统误差主要是由电流表的分压引起的Ｃ．系统误差主要是由于忽略电源内阻引起的Ｄ．系统误差主要是由读数时的估读引起的⑷若将该灯泡接在E=4V，r=10Ω的电源两端，其实际功率是多大？解：⑴1.14W⑵7.1Ω，9.1Ω小灯泡灯丝的电阻率是随温度升高而增大的。⑶A。⑷0.40W。3．测电源的电动势和内电阻实验电路如右。根据闭合电路欧姆定律：E=U+Ir，本实验电路中电压表的示数是准确的，而电流表的示数比通过电源的实际电流小，所以本实验的系统误差是由电压表的分流引起的。该实验中电动势和内阻的测量值都偏小。为了减小偶然误差，要改变滑动变阻器的阻值，多取几组数据，然后利用U-I图象处理实验数据。先描点，再画拟合直线。这条拟合直线代表的U-I关系的偶然误差，比每一组实验数据的偶然误差都小。这条直线在U轴上的截距就是被测电源电动势E（对应的I=0），斜率的绝对值就是被测电源的内阻r。（特别要注意：有时纵坐标的起始点不是0，求内阻的一般表达式就应该是r=|ΔU/ΔI|）。仅用电压表和电阻箱，或仅用电流表和电阻箱也能完成该实验。例7．某同学通过查找资料自己动手制作了一个电池。该同学想测量一下这个电池的电动势E和内电阻r，但是从实验室只借到一个开关、一个电阻箱（最大阻值为999.9Ω，可当标准电阻用）、一只电A30.6V3150.30.20.1O1U/VI/A234AVabPSI/AU/VO0.20.40.63.02.01.0VASR流表（量程Ig=0.6A，内阻rg=0.1Ω）和若干导线。①请根据测定电动势E和内电阻r的要求，设计下左图中器件的连接方式，画线把它们连接起来。②接通开关，逐次改变电阻箱的阻值R，读出与R对应的电流表的示数I，并作记录。当电阻箱的阻值R=2.6Ω时，其对应的电流表的示数如上右图所示。处理实验数据时，首先计算出每个电流值I的倒数I1，再制作IR1坐标图，如右图，图中已标注出了)1,(IR的几个与测量对应的坐标点。请你将与上右图实验数据对应的坐标点也标注在右图上。③在右图上把描绘出的坐标点连成图线。④根据右图描绘出的图线可得出这个电池的电动势E=_____V，内电阻r=_____Ω。解：①图略；②图略；③图略；④1.5（1.46~1.54）0.3（0.25~0.35）4．用多用电表的使用⑴使用前应查看指针是否指在刻度盘左端零刻线处。如不在，应进行机械调零。方法是用小螺丝刀轻旋表头正下方中央处的调零螺丝，使指针指左端零刻线。⑵根据被测物理量及其数量级将选择开关旋到相应的位置。读数时还要注意选用刻度盘上对应的量程刻度。（如测量20mA左右的直流电流，应将选择开关对准左边100mA量程处；在刻度盘上，应该看最下一行刻度，即满偏刻度为10的刻度线，从刻度盘读出数据后还应再乘10，得测量结果。）⑶使用欧姆挡时，操作