2011年高考试题中的电学实验研究

2011年高考试题中的电学实验研究陕西省宝鸡市陈仓区教育局教研室邢彦君2011年高考试题中的电学实验问题，除个别试题单独考查电学实验基本仪器器材的原理及使用外，大多数试题都是将两个或两个以上的基本实验综合在同一试题中，较好的考查了学生综合运用电学知识与方法的能力。一、多用电表测电阻与测量伏安特性曲线实验测量导体的伏安特性曲线时，需要依据导体的电阻值估算出测量电路的最大电流与最大电压，作为选择电流表、电压表量程及选择电流表内接还是外接的依据。利用多用电表的欧姆档可以粗侧或估测导体的电阻。例1．（福建理综）某同学在探究规格为“6V，3W”的小电珠伏安特性曲线实验中：（1）在小电珠接入电路前，使用多用电表直接测量小电珠的电阻，则应将选择开关旋至_______档进行测量。（填选项前的字母）A．直流电压10VB．直流电流5mAC．欧姆×100D．欧姆×1（2）该同学采用图1甲所示的电路进行测量。图中R为滑动变阻器（阻值范围0~20Ω，额定电流1.0A），L为待测小电珠，V为电压表（量程6V，内阻20kΩ），A为电流表（量程0.6A，内阻1Ω），E为电源（电动势8V，内阻不计），S为开关。Ⅰ在实验过程中，开关S闭合前，滑动变阻器的滑片P应置于最________端；（填“左”或“右”）Ⅱ在实验过程中，已知各元器件均无故障，但闭合开关S后，无论如何调节滑片P，电压表和电流表的示数总是调而不零，其原因是______点至______点的导线没有连接好；（图甲中的黑色小圆点表示接线点，并用数字标记，空格中请填写图甲中的数字，如“2点至3点”的导线）Ⅲ该同学描绘出小电珠的伏安特性曲线示意图如图1乙所示，则小电珠的电阻值随工作电压的增大而____________。（填“不变”、“增大”或“减小”）解析：（1）规格为“6V，3W”的小电珠的正常工作电阻为：。未接入电路时的“冷态”电阻还要小点，一般多用电表的欧姆档中值电阻为“15”。因此，估测小电珠的电阻时，应选择欧姆档的“×1”倍率。（2）Ⅰ本实验中，滑动变阻器为分压式接法，接通开关之前应使小电珠两端电压为零。所以，应将滑动变阻器的滑动片移至最左端。Ⅱ电压表、电流表的示数不能调为零，说明电路中是有电流的，电路的串联部分是完好的，只能是“1”和“5”之间是断路的，即“1”点至“5”点的导线没有接好；Ⅲ伏安特性曲线上各点的U轴坐标与I轴坐标之商，就是导体在该电压（或电流）时的电阻，由图象的弯曲情况可知，随工作电压的增大，电阻逐渐增大。例2．（广东理综）在“描绘小电珠的伏安特性曲线”实验中，所用器材有：小电珠（2.5V，0.6W），滑动变阻器，多用电表，电流表，学生电源，开关，导线若干。（1）粗测小电珠的电阻，应选择多用电表_____倍率的电阻挡（请填空“×1”、“×10”或“×100”）；调零后，将表笔分别与小电珠的两极连接，示数如图2，结果为______Ω。（2）实验中使用多用电表测量电压，请根据实验原理图3完成实物图4中的连线。（3）开关闭合前，应将滑动变阻器的滑片P置于_________端。为使小电珠亮度增加，P应由中点向________端滑动。（4）下表为电压等间隔变化测得的数据。为了获得更准确的实验图像，必须在相邻数据点_______间多测几组数据（请填写“ab”、“bc”、“cd”、“de”、“ef”）数据点abcdefU/V0.000.501.001.502.002.50I/A0.0000.1220.1560.1850.2160.244解析：（1）应选“×1”倍率的电阻档（分析同例1），因此，用多用电表欧姆档测得小电珠的电阻8Ω（欧姆表测电阻，不需估读。）（2）实验中，电路的最大电流为小电珠的正常工作电流，为：。所以，电流表选0-0.6A量程；多用电表的红表笔相当于电压表的“+”接线柱；实验中需要小电珠两端电压从0开始变化至2.5V。所以，滑动变阻器要接成分压式。按电路图连接实物，如图5所示。（3）闭合开关之前，应将滑动变阻器的滑片P置于“a”端（分析同例1）。为使小电珠亮度增加，就应是小电珠两端电压增大，应将P由中点向“b”端滑动。（4）分析表中数据可以看出，b组以后各组数据，小电珠的电流随电压几乎线性增加，对应图象接近直线，而a、b两组数据显示，这一段，电流不随电压线性变化，即小电珠伏安特性曲线在这一数据段是非线性的，将出现明显弯曲。为使测出的这段图象更接近真实图象，应使测量点密集一些。因此，应在a、b两数据点间多测几组数据。二、等效法测电阻在闭合点电路中，测出总电流或端电压，并记下测量数据，然后用电阻箱替代某一电阻，调节电阻箱，当电路中的电流或电压恢复原值时，由闭合电路欧姆定律可知，电阻箱的电阻与被它替换掉的电阻的阻值相等。例3．（全国课标理综）为了测量一微安表头A的内阻，某同学设计了如图6所示的电路。图中，Ao是标准电流表，Ro和RN分别是滑动变阻器和电阻箱，S和S1分别是单刀双掷开关和单刀开关，E是电池。完成下列实验步骤中的填空：（1）将S拨向接点1，接通S1，调节________，使待测表头指针偏转到适当位置，记下此时_____的读数I；（2）然后将S拨向接点2，调节________，使________，记下此时RN的读数；（3）多次重复上述过程，计算RN读数的________，此即为待测微安表头内阻的测量值。答案：（1）Ro，Ao；（2）RN.，电流表Ao的示数为I；（3）平均值。解析：将S合向1，闭合S1，将Ro调至使Ao表指针偏转到接近满偏值的某值I，记下此示数。保持Ro不变；闭合S1将S合向2，调节RN使Ao表示数恢复到I。由于电源的电动势E、内阻r、Ro不变。因此，待测电流表的电阻等于RN。例4．（江苏物理）某同学利用如图7所示的实验电路来测量电阻的阻值。（1）将电阻箱接入a、b之间，闭合开关。适当调节滑动变阻器后保持其阻值不变。改变电阻箱的阻值R，得到一组电压表的示数U与R的数据如下表：R/Ω5.010.015.025.035.045.0U/V1.001.501.802.142.322.45请根据实验数据作出U-R关系图象。（2）用待测电阻Rx替换电阻箱，读得电压表示数为2.00V。利用图中测绘的U-R图象可得RX=_____Ω。（3）使用较长时间后，电池的电动势可认为不变，但内阻增大。若仍用本实验装置和（1）中测绘的U-R图象测定某一电阻，则测定结果将_________（选填“偏大”或“偏小”）。现将一已知阻值为10Ω的电阻换接在a、b之间，你应如何调节滑动变阻器，便仍可利用本实验装置和（1）中测绘的U-R图象实现对待测电阻的准确测定？解析：（1）为使图象“占满”坐标平面，选择坐标分度如图9所示，利用表中各组数据描点连线，U-R关系图象如图9中的曲线所示。（2）由于阻值不变，用待测电阻Rx替换电阻箱，读得电压表示数为2.00V，此时Rx的电阻等于为替换时，电压为2.00V时R的电阻。因此读出图8中电压为2.00V时的电组20Ω，就等于此时Rx的电阻。（3）偏小；改变滑动变阻器阻值，使电压表示数为1.50V。（4）因为，当电池的内阻r增大时，同一个R，则电压表读数将变小，按原来的U-R图象，则电阻的测量值小于真实值，即偏小。要使电压表读数为1.50V，因为电池内阻r增大，应该把滑动变阻器阻值调小，以使不变。三、多用电表测电阻与测电源的电动势与内电阻例5．（全国大纲理综）使用多用电表测量电阻时，多用电表内部的电路可以等效为一个直流电源（一般为电池）、一个电阻和一表头相串联，两个表笔分别位于此串联电路的两端。现需要测量多用电表内电池的电动势，给定的器材有：待测多用电表，量程为60mA的电流表，电阻箱，导线若干。实验时，将多用电表调至×1挡，调好零点；电阻箱置于适当数值。完成下列填空：（1）仪器连线如图10所示（a和b是多用电表的两个表笔）。若两电表均正常工作，则表笔a为______（填“红”或“黑”）色；（2）若适当调节电阻箱后，如图10中多用电表、电流表与电阻箱的示数分别如图11（a）（b）（c）所示，则多用电表的读数为Ω；电流表读数为____mA；电阻箱的读数为Ω；（3）将图10中多用电表的两表笔短接，此时流过多用电表的电流为_______mA；（保留3位有效数字）（4）计算得到多用电表内电池的电动势为______V。（保留3位有效数字）答案：（1）黑；（2）14，53.0，4.6；（3）103；（4）1.54。解析：（1）本实验中，欧姆表既是测量仪器（测两表笔间连接的元件的电阻），又是被侧元件（内部电池的电动势）。由于表笔a与电流表正接线柱相连接，说明欧姆表中的电流是由a表笔流出的，它接的是表内电池的正极，应是黑表笔。（2）由图11-a可知，欧姆表的示数为R=14Ω，它是电流表与电阻箱的总电阻。由图11-b可知，电流表的是数为I=53.0mA。由图11-c可知，电阻箱的电阻为4.6Ω。（3）（4）由图11-a可知，欧姆表的中值电阻为=15Ω，与之对应的电流为。对图10所示电路及两表笔对接后的电路分别运用欧姆定律有：，；对于“中值电阻”有：。代入数据解得：=103mA，E=1.54V。四、电压表的改装与侧电源电动势测量电源电动势实验的基本原理时闭合电路欧姆定律，基本方法是“伏安法”。由此法还可以变通出利用电压表和电阻箱依据和和的“伏阻法”，也可变通出利用的“安阻法”。如果电压表（或电流表）量程不符合实验要求，可先将电压表（或电流表）改装成符合量程的电压表（或电流表）。例6．（四川理综）为测量一电源的电动势及内阻（1）在下列三个电压表中选一个改装成量程为9V的电压表量程为1V、内阻大约为1kΩ的电压表V1量程为2V、内阻大约为2kΩ的电压表V2量程为3V、内阻为3kΩ的电压表V3选择电压表串联kΩ的电阻可以改装成量程为9V的电压表（2）利用一个电阻箱、一只开关、若干开关、导线和改装好的电压表（此表用符号V1或V3或V3与一个电阻串联来表示，且可视为理想电压表），在虚线框内画出电源电动势及内阻的实验原理电路图。（3）根据以上试验原理电路图进行实验，读出电压表示数为1.50V时、电阻箱值为15.0Ω；电压表示数为2.00V时，电阻箱的阻值为40.0Ω，则电源的电动势E=V、内阻r=_____Ω。解析：（1）由于题中电压表V3的电阻是准确告知的，因此选它进行改装。对电压表及串联的分压电阻R，运用欧姆定律有：，。代入数据解得：R=6kΩ。（2）由闭合电路欧姆定律及部分电路欧姆定律可设计如图12所示的实验电路。由闭合电路欧姆定律，及部分电路欧姆定律有：，此时可变形为：，可作出图象，由图象的截距可求出电源的内电阻，有图象的斜率可求出电源的电动势。（3）由于改装后的电压表可视为理想电压表，它的示数就是端电压或电阻箱两端的电压。整个电路可看成电阻箱与电源内电阻串联，总电压为电源电动势E。由串联分压关系有：代入两组数据及可得：E=2.5V，r=10Ω五、多用电表测电阻与伏安法测电阻例7．（安徽理综）（1）某同学实用多用电表粗略测量一定值电阻的阻值，先把选择开关旋到“x1k”挡位，测量时指针偏转如图（a）所示。请你简述接下来的测量过程：①；②；③；④测量结束后，将选择开关旋到“OFF”挡。（2）接下来采用“伏安法”较准确地测量该电阻的阻值，所用实验器材如图（b）所示。其中电压表内阻约为5kΩ，电流表内阻约为5Ω。图中部分电路已经连接好，请完成实验电路的连接。（3）图14是一个多量程多用电表的简化电路图，测量电流、电压和电阻各有两个量程。当转换开关S旋到位置3时，可用来测量；当S旋到位置时，可用来测量电流，其中S旋到位置时量程较大。解析：（1）由图可知，欧姆档倍率选大了，应降低一级，并重新调零再测试。①断开待测电阻，将选择开关旋到“×100”档；②将两表笔短接，调整“欧姆调零旋钮”，使指针指向“0Ω”；③再接入待测电阻，将指针示数×100，即为待测电阻阻值。（2）由图a可知待测电阻约为2kΩ，所以，电流表应内接，图b中滑动变阻器乙接成了分压式。故最终接成的电路如图15所示。（