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10V    B．直流电流5mA

 

C．欧姆× 100        D．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	a	b	c	d	e	f
U/V	0.00	0.50	1.00	1.50	2.00	2.50
I/A	0.000	0.122	0.156	0.185	0.216	0.244

 

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，A_o是标准电流表，R_o和R_N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R_N的读数；

 

（3）多次重复上述过程，计算R_N读数的________，此即为待测微安表头内阻的测量值。

 

答案：（1）R_o，A_o；（2）R_N.，电流表A_o的示数为I；（3）平均值。

 

解析：将S合向1，闭合S₁，将R_o调至使A_o表指针偏转到接近满偏值的某值I，记下此示数。保持R_o不变；闭合S₁将S合向2，调节R_N使A_o表示数恢复到I。由于电源的电动势E、内阻r、R_o不变。因此，待测电流表的电阻等于R_N。

 

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/Ω	5.0	10.0	15.0	25.0	35.0	45.0
U/V	1.00	1.50	1.80	2.14	2.32	2.45

 

请根据实验数据作出U-R关系图象。

 

（2）用待测电阻R_x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R_X=_____ 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R_x替换电阻箱，读得电压表示数为2.00V，此时R_x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R_x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2 kΩ，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。

 

 

（3）转换开关S旋到位置3时，表头接有电源，可用来测量电阻；当S旋到位置“1”或“2”时，可用来测量电流，其中S旋到位置“1”时，分流电阻较小，量程较大。