2016高考物理一轮总复习 热点专题8 电学设计性实验的处理.

必考部分第七章恒定电流热点专题系列(八)电学设计性实验的处理方法热点概述：电学实验是高考每年必考内容，其中电学的设计性实验又成为近几年高考的热点。主要体现在运用新的实验方法或新的数据处理方法处理新情景下的物理实验问题，考查学生实验的创新和原理的迁移能力，题目相对新颖，难度稍大。[热点透析]一、设计性实验实验方法的迁移在电学实验中，电阻的测量已成为高考设计性实验的考查热点，且题型多变、方法灵活。如用伏安法测电阻，也可迁移到测电压表内阻和电流表内阻上去，而且测量方法较多。1．实验设计流程仔细审题，明确实验目的→广泛联系，寻找原型，确定实验原理→迁移实验方法，确定实验方案。2．实验电路的选择(1)测量电路的选择要想精确测量电阻，选用好的实验方法很重要，如果电压表或电流表都是理想化电表，两种方法都能准确地测量出电阻的大小，但如果电压表和电流表都有电阻，选择好的方法能大大减少误差。下面我们以电压表内阻为RV，电流表内阻为RA，待测电阻为Rx，待测电阻Rx的测量值为R测＝U测I测进行说明，准确度取决于电压表与电流表读数。电流表内接法电流表外接法当Rx≫RA时采用误差小或当RxRVRA时采用当RV≫Rx时采用误差小或当RxRVRA时采用电压表读数偏大，电流表读数准确电流表读数偏大，电压表读数准确测量值大于真实值(多了电流表内阻)R测＝R真＋RA测量值小于真实值(与电压表内阻并联值)1R测＝1R真＋1RV试触法：通过改变电表的连接方式，观察两个电表的读数变化情况，如果电流表变化明显，应采用电流表内接法，这样可以避免在外接法中读数偏离真实值太多；如果电压表变化明显，应采用电流表外接法，这样电压表读数会精确些(2)控制电路的选择为保证用电器的安全以及读数的精确性，滑动变阻器有两种接法，它们各有优缺点，选用哪种接法很有讲究，以安全第一、准确第二、能耗小第三的顺序考虑问题，这是高考实验考查的重点内容。下面我们假设用电器电阻为Rx，滑动变阻器的最大电阻为R，电源电动势为E，内阻为r。限流法分压法闭合开关前要使滑动变阻器的电阻处于最大值，对应上图中应是滑动头移至最下端闭合开关前要使用电器两端的电压最小，对应上图中滑动变阻器的滑动头应移到最左端实物图中只用到上下两个接头实物图中用到上面一个下面两个接头用电器的电压调节范围ERxR＋Rx＋r～ERxRx＋r用电器的电压调节范围0～ERxRRxR＋rRx＋rR滑动变阻器的电阻与用电器的电阻差不多大时电压调节作用最理想滑动变阻器的电阻越小调节用电器电压的作用越好说明：有下列几种情况的一定要用分压法：(1)被调节的用电器的电压或电流一定要从0开始连续调节(2)采用限流电路时，电路中的最小电流仍超过电表量程或超过元件允许的最大电流时(3)在给予的滑动变阻器的电阻远小于用电器的电阻时在可用分压法也可用限流法时，用限流法一般节省能耗，连线方便。不过在不强调能耗的情况下，绝大多数都可用分压法。分压法更要考虑变阻器的最大电流不得超过其限度3.实验器材的选择以“安全性”“精确性”“方便性”为前提，综合考虑。选择电学实验仪器主要是选择电表、滑动变阻器、电源等器件。(1)选择电表以不使电表受损和尽量减少误差为原则，即加在电表上的最大电压或电流不得超过其最大量程，实验过程中指针可移动范围最好大于量程的13。(2)选择滑动变阻器要考虑它的额定电流，然后对采用分压法的滑动变阻器选总阻值较小的，对采用限流法的滑动变阻器的总阻值选比电路中的电阻稍大些为好。对于滑动头稍有移动，使电流、电压有很大变化的，不宜采用。(3)对器材选择的一般步骤是：①找出唯一性的器材；②草画电路图(暂不把电表接入)；③估算电流最大值和最小值；④考虑电表是否安全(该用分压法还是限流法)，以及能否使电表达到满偏的13以上。(4)在”伏安法测电阻”和“伏安法测电池电动势和内阻”的实验中，一般选用总阻值较小的滑动变阻器，前者可方便调节，因为电阻丝的电阻很小；后者可减少误差，因为它与大阻值的电压表并联，使流过电压表的电流较小，电流表测的值更接近干路上的总电流。另外这两个实验的电压与电流都不大，电表量程一般取3V与0.6A的量程。4．几种特殊电阻的测量(1)测电源的内阻(2)测电流表的内阻若电流表内阻未知，则可将它看成能显示自身电流的特殊电阻，只需测出它两端电压。若电流表内阻已知，则可将其当作电流表、电压表以及定值电阻来使用。①如图甲所示，当两电表所能测得的最大电压接近时，如果已知A1的内阻R1,则可测得A2的内阻R2＝I1R1I2。②如图乙所示，当两电表的满偏电压UA2≫UA1时，A1串联一定值电阻R0后，同样可测得A2的内阻R2＝I1R1＋R0I2。(3)测电压表的内阻若电压表内阻未知，则可将它看成能显示自身电压的特殊电阻，只需测出其电流。若电压表内阻已知，则可将其当作电流表、电压表和定值电阻来使用。①如图甲所示，两电表的满偏电流接近时，若已知V1的内阻R1，则可测出V2的内阻R2＝U2U1R1。②如图乙所示，两电表的满偏电流IV1≪IV2时，V1并联一定值电阻R0后，同样可得V2的内阻R2＝U2U1R1＋U1R0。【例证1】有一个电阻R，其阻值大约在40Ω～50Ω之间，现要进一步测量其电阻，手边现有如图甲所示的器材：电源E(电动势12V，内阻为0.5Ω)；电压表(0～3V、0～15V，内阻约10kΩ)；电流表(0～0.6A、0～3A，内阻约1Ω)；滑动变阻器R1(阻值0～10Ω，额定电流2A)；滑动变阻器R2(阻值0～1700Ω，额定电流0.3A)；开关S和导线若干。(1)电压表的量程应选________，电流表的量程应选________，滑动变阻器应选用________；(2)请画出实验电路图；(3)用笔画线代替导线，在实物图上连好实验电路。解析：(1)因为电源电动势为12V，所以R两端电压的最大值约为12V，故电压表的量程应选0～15V。电路中电流最大值约为Im＝1240A＝0.3A，所以电流表的量程应选0～0.6A。分别将待测电阻与电压表内阻、电流表内阻相比较可知，RVRRRA，属于R≪RV的情况，所以测量电路应采用电流表外接法。滑动变阻器若选用R2，由于它的阻值比待测电阻的阻值大得多，不论采用分压式还是采用限流式接法，调节滑动变阻器改变电路中的电流或电压都不方便，所以本题中选用R1。因R1R4。若采用串联限流接法，电流(电压)调节范围比较小，不便于操作和进行数据处理，故应采用分压式接法。(2)实验电路图如图乙所示。(3)在实验图上连线应按下列顺序，如图丙所示，从电源正极开始，依次画线①②③，然后再依次画线④⑤⑥，最后画线⑦⑧。即按照“先串后并”的原则进行。答案：(1)0～15V0～0.6AR1(2)如图乙所示(3)如图丙所示【例证2】[2014·三亚模拟]实际电压表内阻并不是无限大，可等效为理想电流表与较大的电阻的串联。现要测量一只量程已知的电压表的内阻，器材如下：①待测电压表(量程3V，内阻约3kΩ)一只；②电流表(量程3A，内阻0.01Ω)一只；③电池组(电动势约为3V，内阻不计)；④滑动变阻器一个；⑤变阻箱(可以读出电阻值，0～9999Ω)一个；⑥开关和导线若干。某同学利用上面所给器材，进行如下实验操作：(1)该同学设计了如图甲、乙两个实验电路。为了更准确地测出该电压表内阻的大小，你认为其中相对比较合理的是________(选填“甲”或“乙”)电路。(2)用你选择的电路进行实验时，闭合开关S，改变阻值，记录需要直接测量的物理量：电压表的读数U和________(填上文字和符号)。(3)由所测物理量选择下面适当坐标轴，能作出相应的直线图线，最方便地计算出电压表的内阻的是()A.U－IB.U－1IC.1U－RD.U－R(4)设直线图象的斜率为k、截距为b，请写出待测电压表内阻表达式RV＝________。解析：(1)电压表内阻太大，甲电路中电流表的示数几乎为零，无法准确读数，乙图中还能读出电阻箱的阻值，故应选乙电路。(2)实验中需要记录电压表的读数和相应变阻箱的阻值R。(3)由闭合电路欧姆定律可得E＝U＋URVR，整理可得1U＝1RVER＋1E，故可作出1U－R的关系图线(为直线)，选C。(4)由(3)可知1U＝1RVER＋1E，k＝1RVE，b＝1E，故RV＝bk。答案：(1)乙(2)相应变阻箱的阻值R(3)C(4)bk二、设计性实验数据处理方法的迁移应用1.在创新实验中，所给实验器材单独使用不符合实验要求，如缺少电压表、电流表或电表量程不够。遇到这种情况要想到“一表多用”和串、并联组合。即可将电流表作为电压表用或将电压表作为电流表用，但要注意量程是否合适，必要时需进行改装，扩大量程。2.实验数据处理方法的应用与创新数据探究性实验的主要功能是通过实验提供的数据信息，分析各数据中的内在联系，找出数据中所包含的物理规律。常用的数据处理方法(如平均值法、图象法、逐差法、比较法等)和误差分析方法应该掌握。对于用图象法处理实验数据，研究某一元件的特征曲线，应根据实际情况灵活处理。①给出数据，让考生自己绘出图象。处理方法：a.绘图时要注意纵、横轴代表的物理量及其单位、标度、原点的选取，错误数据的排查。b．如果坐标系既没有给出原点坐标，又没有给出标度值，均由考生自己选定，此时有一定的原则：图线尽量分布在坐标纸的中央区域。②给出具体图象，分析其状态，求解某些物理量。③要探究某些物理量之间的关系时，有时直接用题目中所给物理量画图象，所画图象不是典型函数图象。此时，可试图变换某一物理量的呈现形式，如x可变换为1x、x2、x3、x…以使曲线转化为直线。从而利用斜率、截距找到某些物理量。【例证3】[2013·安徽高考]根据闭合电路欧姆定律，用图1所示电路可以测定电池的电动势和内电阻。图中R0是定值电阻，通过改变R的阻值，测出R0两端的对应电压U12，对所得的实验数据进行处理，就可以实现测量目的。根据实验数据在1U12－R坐标系中描出坐标点，如图2所示。已知R0＝150Ω，请完成以下数据分析和处理。(1)图2中电阻为________Ω的数据点应剔除；(2)在坐标纸上画出1U12－R关系图线；(3)图线的斜率是________(V－1·Ω－1)，由此可得电池电动势Ex＝________V。解析：(1)根据画图描点原则应舍掉80.0Ω的点。(2)根据坐标点画线可得1U12－R关系图线如图所示。(3)根据闭合电路欧姆定律有Ex＝U12＋U12R0(R＋rx)所以1U12＝1Ex＋RR0Ex＋rxExR0由图可知斜率1R0Ex＝0.00444，即Ex＝1.50V。答案：(1)80.0(2)图见解析(3)0.004441.50[热点集训]1.欲测量一个电流表的内阻，根据以下要求来选择器材并设计电路：a.无论怎样调节变阻器，电流表都不会超量程；b.有尽可能高的测量精度，并能测得多组数据。现备有如下器材：A.待测电流表A1(量程3mA，内阻约为50Ω)B.电压表V(量程3V，内阻未知)C.电流表A2(量程15mA，内阻为10Ω)D.保护电阻R＝120ΩE.直流电源E(电动势2V，内阻忽略不计)F.滑动变阻器(总阻值10Ω，额定电流0.5A)G.开关一个，导线若干(1)在以上提供的器材中，除A、E、F、G以外，还应选择________、________(填字母代号)。(2)请画出符合要求的实验电路图。解析：根据题中给出的备用器材，选择伏安法测量电流表的内阻。选择内阻已知的电流表A2作为电压表，选择保护电阻R与并联的两个电流表串联。由于电流表两端电压最大只有0.15V，滑动变阻器最大电阻只有10Ω，所以选择分压电路，电路图如图所示。答案：(1)CD(2)见解析2.某同学计划用以下器材同时完成“测定电源电动势和内阻”“测量定值电阻”两个实验。A.待测电源(电动势未知，内阻约为2Ω)；B.一个阻值未知的电阻R0；C.多用电表一只，电压表两只，电流表一只；D.滑动变阻器一个；E.开关一个，导线若干。(1)该同学首先用多用电表粗测电源电动势，电表指针和选择开关分别如图所示，则该电表