迎战2012届高考物理一轮复习课件 专题23 电学实验综合应用

2020/3/62020/3/6电学实验是高考必考内容，考查的重点包括仪器的选择、读数、实验器材的连接、实验数据处理、误差分析，以及多用电表的使用、测电阻的方法、滑动变阻器的使用、电流表和电压表的使用等。高考电学实验考查的重点是测量性实验和探究性实验，而实验的创新与设计是当前高考对实验考查的一项核心能力。2020/3/6二、控制电路的确定方法滑动变阻器控制电路的方式有分压和限流两种，下列几种情况必须选用分压接法：(1)要求被控制电路的电流(或电压)从零开始可连续调节时(如：测定导体的伏安特性电路)；(2)被控制电路的电阻Rx远大于滑动变阻器的最大值R0时；(3)实验要求的电压变化范围较大(或要求测量多组数据)时；(4)若采用限流接法，电路中实际电压(或电流)的最小值仍超过电表或电器的额定值时。2020/3/6电学实验器材和电路选择的原则是安全、精确和方便。具体如下：(1)电源的选择一般可以根据待测电阻的额定电流或额定电压选择符合需要的直流电源。(2)电表的选择一般根据电源的电动势或待测用电器的额定电压选择电压表；根据待测电流的最大电流选择电流表；选择的电表的量程应使电表的指针摆动的幅度较大，一般应使指针能达到半偏以上，以减小读数的偶然误差，提高精确度。三、电学仪器的选择2020/3/6(3)变阻器的选择所选用的变阻器的额定电流应大于电路中通过变阻器的最大电流，以确保变阻器的安全；为满足实验中电流变化的需要和调节的方便，在分压式接法中，应选用电阻较小而额定电流较大的变阻器，在限流式接法中，变阻器的阻值不能太小。2020/3/6►探究一测量性实验电学测量性实验的核心是电阻的测量，其基本原理是欧姆定律。具体问题中涉及纯电阻阻值的测量、电表内阻的测量、电源内阻的测量，其主要方法是伏安法、替换法等。2020/3/6例1现要测量某小量程电流表的内阻，其内阻在5～8Ω，可选用的器材如下：A．待测电流表A(量程10mA)；B．电压表V1(量程0.3V，内阻约500Ω)；C．电压表V2(量程3V，内阻约3kΩ)；D．滑动变阻器R1(最大电阻10Ω)；E．滑动变阻器R2(最大电阻500Ω)；F．定值电阻R3(阻值10Ω)；G．电源E(电动势3V);H．开关S及导线若干。2020/3/6要求测量结果尽可能精确且电流表、电压表的示数能从零开始调节。(1)器材应选用________________(填器材序号字母)；(2)在方框内画出实验电路图并标明符号；(3)电流表A内阻的表达式为RA＝____________，式中各符号的物理意义为______________。2020/3/6【点拨】(1)电流表可以显示其电流情况，只要能测得其两端电压即可得到电流表内阻，但本题电流表两端的电压很小，电压表量程较大，如何解决这一问题呢？(2)电流表、电压表的示数能从零开始调节，这对滑动变阻器的连接有什么要求呢？2020/3/6【答案】(1)ABDEFGH(2)电路如图所示(3)UI－R3电压表读数U、电流表读数I2020/3/6【解析】(1)由于待测电流表内阻较小，且量程较小，即使给待测电流表串联上定值电阻R3，二者两端的总电压Im(RA＋R3)＝0.01×(10＋8)V＝0.18V，所以电压表应选B；根据电压表的示数能从零开始调节的要求，可知滑动变阻器需要连成分压式，则应选总电阻较小的滑动变阻器，即选D；为使滑动变阻器便于调节且保护电表不被烧毁，需用滑动变阻器R2作为保护电阻，即选E；为了使电压表B的示数能超过其量程的13，需要给电流表串联一个调节电阻R3，即F。2020/3/6(2)本题由于要测电流表内阻，所以电流表应内接；根据电压表的示数能从零开始调节的要求，滑动变阻器应连成分压式。(3)根据电路可得电流表A内阻的表达式为RA＝UI－R3，其中U为电压表读数、I为电流表读数。【点评】本题通过给电流表串联一个定值电阻R3解决了电流表和电压表量程不匹配的问题，这是电学实验设计中一个常用的手法。另外，常见的解决量程不匹配问题的方法就是进行电表改装。本题是一道测电阻的题目，下面的变式题则是一道测电动势E和内阻r的题目。2020/3/6用伏安法测一节干电池的电动势E和内阻r，所给的器材有：A．电压表V：0～3～15VB．电流表A：0～0.6～3AC．滑动变阻器R1(最大总阻值20Ω)D．滑动变阻器R2(总阻值100Ω)E．开关S和导线若干(1)电压表量程选用________；滑动变阻器选用________(选填“R1”或“R2”)；(2)在图5－12－1中将电压表接入实验电路中；(3)在图乙中已画出七组实验数据所对应的坐标点，请根据这些点作出U－I图象，并由图线求出：E＝________V，r＝________Ω。2020/3/6质量为m的飞机静止在水平直跑道上。飞机起飞过程可分为两个匀加速运动阶段，其中第一阶段飞机的加速度为a1，运动时间为t1。当第二阶段结束时，飞机刚好达到规定的起飞速度v0。飞机起飞过程中，在水平直跑道上通过的路程为x，受到的阻力恒为f。求第二阶段飞机运动的加速度a2和运动时间t2。2020/3/6【答案】(1)0～3VR1(2)略(3)略【解析】(1)一节干电池的电动势E约1.5V，内阻r很小，为了减小读数误差，电压表量程选择0～3V,电流表量程选择0～0.6A，回路最小总电阻约R≈1.5V0.6A＝2.5Ω，故滑动变阻器选择总阻值20Ω的R1进行调节即可。(3)描点连线，E－I图象为倾斜直线，对明显偏离直线的点必须舍去。图线与纵轴的交点表示电动势的大小，斜率表示电源内阻的大小，同时注意求解斜率时纵轴不是从0开始的，所以r＝ΔUΔI。2020/3/6►探究点二验证性实验电学实验中涉及的验证性实验一般是通过电压、电等电学参量的直接测量达到相应的验证目的。2020/3/6例2发光二极管是目前很多用电器的指示灯的电子元件，二极管的特性是只有电流从标有“＋”号的一端流入，从标有“－”号的一端流出时，它才能发光，这时可将它视为一个纯电阻。现有某厂家提供的某种型号的发光二极管的伏安特性曲线，如图5－12－2所示。(1)已知该型号的发光二极管的正常工作电压为4.0V。若用电动势为9V，内阻可以忽略不计的直流电源供电，为使该二极管正常工作，需要在电源和二极管之间串联一只阻值为________Ω的定值电阻(计算结果保留两位有效数字)。2020/3/6(2)已知该型号的发光二极管允许通过的最大电流为70mA，请用实验验证这种元件的伏安特性曲线与厂家提供的伏安特性曲线是否一致。可选用的器材有：待测发光二极管直流电源E(电动势4.5V，内阻可以忽略不计)滑动变阻器R(最大阻值为20Ω)电压表V1(量程10V，内阻约50kΩ)电压表V2(量程5V，内阻约20kΩ)电流表Al(量程200mA，内阻约50Ω)电流表A2(量程100mA，内阻约100Ω)开关S、导线若干为准确、方便地进行检测，电压表应选用________，电流表应选用________。(填字母符号)2020/3/6(3)在方框内画出利用(2)中器材设计的测定发光二极管伏安特性曲线实验电路图。【点拨】(1)由图象可以得到什么信息？(2)如何选取电压表和电流表？依据是什么？【答案】(1)71(2)V2A2(3)如图所示2020/3/6【解析】(1)由发光二极管的伏安特性曲线可知二极管正常工作时电压为4V，正常工作电流为0.07A，由于电源电动势为9V且内阻不计，所以需要串联电阻R来分担5V的电压，且通过R的电流应为0.07A，由欧姆定律可得R＝UI＝50.07Ω≈71Ω；(2)由于V1和A1量程偏大，为准确、方便地进行检测，电压表应选用V2，电流表应选用A2；(3)因为要研究二极管在各个电压下的电流情况，所以滑动变阻器应采用“分压式”连接方法。由于二极管内阻R0＜RV2·RA2，所以采用电流表外接电路。【点评】描绘某种元件的伏安特性曲线，方法的实质是伏安法测电阻，所以关于电流表内外接的确定方法与伏安法测电阻相同。2020/3/6►探究点三探究性实验某实验小组探究一种热敏元件的电阻随温度变化的特性。现有器材：直流恒流电源(在正常工作状态下输出的电流恒定并且可读出其大小)、电压表、待测元件、保温容器、温度计、开关和导线等。2020/3/62020/3/6(1)若用上述器材测量该元件的阻值随温度变化的特性，请你用笔连线画出实物连接图。(2)实验的主要步骤：a．正确连接电路，在保温容器中注入适量冷水，接通电源，调节并记录电源输出的电流值；b．在保温容器中添加少量热水，待温度稳定后，闭合开关，记录________和________，断开开关；c．重复第b步操作若干次，测得多组数据。2020/3/6(3)实验小组测得该元件在不同温度下的阻值。并据此绘得图乙的R－t关系图线，请根据图线写出该元件的R－t关系式：R＝________。(4)由以上方法测得的电阻值比它的真实值偏________。(5)如果实验室提供的恒定电源的输出电流为65mA，但没有合适的电压表，应选用如下哪组器材测量热敏元件上的电压？________。(填序号)A．电压表V1：量程3V、内阻3kΩ，定值电阻R1＝6kΩB．电压表V2：量程5V、内阻5kΩ，定值电阻R2＝10kΩC．电压表V3：量程10V、内阻10kΩ，定值电阻R3＝1kΩ2020/3/6【点拨】注意本题中电源的特性——能显示电流。【答案】(1)如图所示(2)电压表示数温度计示数(3)100＋1.6t(其中100±1,1.6±0.1均可)(4)小(5)B2020/3/6【解析】(1)由于电源能显示电流值，所以直接用电压表测热敏元件两端的电压即可，实物连线如图所示；(2)根据实验目的可知需要记录的物理量是电压和温度；(3)根据图线写出解析式即可，注意计算图线的斜率为k＝120Ω74℃＝1.60Ω/℃。(4)流过热敏元件的电流小于电源显示的电流值，所以热敏元件的测量值比真实值偏小；(5)根据表中的数据可知，需要的电压表量程为15V，根据电表改装原理易知B组器材可以改装为量程15V的电压表。【点评】本题是一道电学探究性实验题目，测量方法相当于伏安法测电阻。2020/3/6►探究点四实验的创新与设计1．实验设计的基本思路：明确目的→选择方案→选定器材→拟定步骤→数据处理→误差分析2．对实验的创新与设计应注意以下三点：其一，平时要加强对实验思想方法(如模拟法、转换法、放大法、替代法等)的归纳，这样在新的实验情景下，才能设计合理的实验方案；其二，克服思维定势影响，加强对已掌握的实验原理的理解和仪器的正确使用方法，这样才能在新情境下进行迁移应用；最后，要树立创新意识，对教材中的实验要想方设法从其他途径去实现。2020/3/6例4张丽同学在“探究性实验室”测量未知电阻Rx。使用的器材有：电源E；适当量程的电流表、电压表；滑动变阻器R；电阻箱R0；开关S1、S2；导线若干。为减小电表对测量结果的影响，设计出如图5－12－4甲电路。具体实验操作如下：先断开S2，闭合S1，调节R和R0，使电流表和电压表有适当读数I1、U1；再保持R0不变，闭合S2，记下电流表和电压表的示数I2、U2。2020/3/6(1)请对照电路图连接实物(导线不得交叉)(2)请推导被测电阻Rx的表达式(用物理符号表示)。2020/3/6【点拨】根据题意，本题中不能把电压表视为理想电表。【答案】(1)如图所示(2)Rx＝U1U2I2U1－I1U22020/3/6【解析】根据电路图可知I1＝U1R0＋U1RV(①式)，I2＝U2R0＋U2RV＋U2Rx(②式)，①②两式联立解得Rx＝U1U2I2U1－I1U2。【点评】本实验电路设计的成功之处就是巧妙地消去了电压表内阻对测量结果的影响，避免了实验原理上的误差，所以凡是没有考虑电压表内阻的推导过程不可。2020/3/6(1)用多用电表探测图5－15－5甲所示黑箱发现：用直流电压挡测量，E、G两点间和F、G两点间均有电压，E、F两点间无电压；用欧姆挡测量，黑表笔(与电表内部电源的正极相连