高考物理二轮专题复习考点强化练习07《电学中的设计性实验》(含答案详解)

高频考点强化(七)

电学中的设计性实验

(45分钟　100分)

1.(16分)现有一电池,电动势E约为9 V,内阻r在35～55 Ω范围内,允许通过的最大电流为50 mA。为测定该电池的电动势和内阻,某同学利用如图(a)所示的电路进行实验。图中R为电阻箱,阻值范围为0～9 999 Ω;R0为保护电阻。             

(1)可备选用的定值电阻R0有以下几种规格,本实验应选用 (　　)

A.20 Ω,2.5 W　　　 B.50 Ω,1.0 W

C.150 Ω,1.0 W   D.1 500 Ω,5.0 W

(2)按照图(a)所示的电路图,接好电路,闭合电键后,调整电阻箱的阻值,记录阻值R和相应的电压表示数U,取得多组数据,然后作出-图象,如图(b)所示,由图中所给的数据可知,电源的电动势E=　　　　V,r=　　　　Ω。(结果保留两位有效数字) 

【解析】(1)电路最小总电阻约为:R== Ω=180 Ω,为保护电路安全,保护电阻应选C。

(2)由图(a)所示电路图可知,在闭合电路中,电源电动势:E=U+Ir=U+r,则=·+,则-图象是直线;根据-图象可知,=0.12 V-1,E≈

8.3 V,=k= Ω·V-1=6 Ω·V-1,解得:r=6×8.3 Ω≈50 Ω。

答案:(1)C　(2)8.3　50

【总结提升】测定电源的电动势和内阻的基本原理是闭合电路欧姆定律,数据处理的主要思想方法是“化曲为直”,常用的方法有三种:

(1)伏安法——利用电压表和电流表。闭合电路方程为E=U+Ir,利用两组数据,联立方程求解E和r;也可作出U-I图象,图线的纵截距表示电源的电动势,斜率的绝对值表示电源的内阻。

(2)伏阻法——利用电压表和电阻箱。闭合电路方程为E=U(1+)。利用两组数据联立方程求解或将方程线性化,处理为=·+或U=-r+E,作-图象或U-图象,利用图线的截距和斜率求E和r。

(3)安阻法——利用电流表和电阻箱。闭合电路方程为E=I(R+r),利用两组数据联立方程求解或将方程线性化,处理为=·R+,作-R图象,利用图线的截距和斜率求E和r。

【加固训练】

某探究小组采用如图甲所示的电路测定一节干电池的电动势和内阻时,发现量

程为3 V的电压表出现故障不能正常使用,实验台上有一个量程为500 μA,内阻Rg=200 Ω的灵敏电流计和一个电阻箱R(0～9 999 Ω)。

(1)为了把灵敏电流计改装成量程为2 V的电压表继续实验,电阻箱R应调整至

　　　　Ω。 

(2)探究小组中一个同学用灵敏电流计和电阻箱设计了如图乙所示的实验电路,同样测出了干电池的电动势和内阻。

①多次调节电阻箱,记录灵敏电流计的示数I和电阻箱的阻值R,电源的电动势和内阻分别用E和r表示,则和R的关系式为　　　　　。 

②然后以为纵坐标,以R为横坐标,作出-R图线为一直线,如图丙所示,测得直线在纵轴上的截距b=134,直线的斜率k=,则该电池的电动势E=　　　　　 V,内阻r=　　　　　 Ω。 

【解析】(1)将电流计改装成电压表,应串联一个大电阻,根据串并联电路的规律可知:

R=(-200) Ω=3 800 Ω。

(2)①根据闭合电路欧姆定律可知:I=变形可得:=+R;

②根据图象和公式可知:b=;k=,根据题意可知:E=1.5 V;r=1 Ω。

答案:(1)3 800

(2)①=+R　②1.5　1

2.(16分)(福州模拟)为了测量某种材料制成的特种电阻丝Rx的电阻率,提供的器材有:             

A.电流表Ⓖ,内阻 Rg=120 Ω,满偏电流Ig=3 mA

B.电流表Ⓐ,内阻约为10 Ω,量程为100 mA

C.螺旋测微器,刻度尺

D.电阻箱 R0(0～9 999 Ω,0.5 A)

E.滑动变阻器R(5 Ω,1 A)

F.电池组E(6 V,0.05 Ω)

G.一个开关S和导线若干

某同学进行了下列操作

(1)用多用电表粗测电阻丝的阻值,当用“×1”挡时发现指针偏转角度过小,说明电阻较　　     　　(选填“大”或“小”),应换为“×10”挡,并重新进行　　　　　　,测量时指针位置如图甲所示 

(2)把电流表Ⓖ与电阻箱串联改装成量程为 6 V的电压表,则电阻箱的阻值应调为R0=　　　　Ω。 

(3)请用改装好的电压表设计一个测量电阻Rx阻值的实验,根据提供的器材和实验需要,请将图乙中电路图补充完整。

(4)电阻率的计算:测得电阻丝的长度为L,电阻丝的直径为d,电路闭合后,调节滑动变阻器的滑片到合适位置,电流表Ⓖ的示数为I1,电流表Ⓐ的示数为I2,请用已知量和测量量的字母符号(各量不允许代入数值)写出计算电阻率的表达式ρ=　　　　。 

【解题指导】欧姆表读数时,注意此刻度不均匀,尽量让指针在中央附近,同时乘以倍率;确定滑动变阻器与电流表的接法是正确解题的关键,测量电阻的方法除了伏安法外,还有“安安法”(即两个电流表组合)、“伏伏法”(两个电压表组合)等。掌握电阻定律,同时注意利用电流表与电阻的关系,求出电压的方法。

【解析】(1)欧姆挡测量电阻时,指针从最左边开始偏转,而最左边对应无穷大,所以指针偏转角度过小说明被测电阻过大,应采用高一挡测量,调好挡位后,需要重新欧姆调零。

(2)改装成电压表,需要串联一个电阻分压,故6 V-IgRg=IgR0,代入数据可得

R0=1 880 Ω

(3)滑动变阻器R(5 Ω,1 A),电源电压为6 V,所以滑动变阻器使用限流式,从图甲中可得被测电阻大约70 Ω,所以电流表内阻和被测电阻相接近,所以采用电流表外接法,如图所示

(4)由电阻定律可知,电阻为:Rx=ρ=ρ,则电阻率为:ρ=,根据欧姆定律有:Rx==,所以电阻率为:ρ=

答案:(1)大　欧姆调零　(2)1 880

(3)见解析图　(4)

3.(16分)(沧州模拟)小勇在探究标有“3 V　1.5 W”字样的小灯泡的伏安特性曲线,实验室除了导线,开关,内阻不计、电动势为3 V的电池组和待测小灯泡外,还有如下的实验器材供选择:                

A.电流表(0～0.6 A、内阻为1 Ω)

B.电流表(0～3 A、内阻为0.2 Ω)

C.电压表(0～3 V、内阻约为2 kΩ)

D.电压表(0～10 V、内阻约为4.5 kΩ)

E.滑动变阻器(0～100 Ω)

F.滑动变阻器(0～20 Ω)

(1)为了减小实验误差,电流表应选　　　;电压表应选　　　;滑动变阻器应选　　　;(填器材前面的字母代号)小勇利用所选用的实验器材描绘了小灯泡的伏安特性曲线,如图甲所示,则该小灯泡的阻值随两端电压的升高而　　　(选填“增大”“减小”或“不变”)。 

(2)连接完整的实物图如图乙所示。

(3)如果小勇在进行该操作时,误将a、b间的导线接在a、c间,在闭合开关后,无论小勇如何移动滑动变阻器的滑动触头,小灯泡始终发光,则小灯泡在该过程中所消耗的电功率的最小值为　　　　　 W。 

【解析】(1)电压表选择0～3 V量程的 C,电流表量程应略大于电路中最大电流,灯泡的额定电流I= A=0.5 A,故电流表选择A;因本实验采用分压式接法,故滑动变阻器选F;根据U-I图象可知,随着灯泡两端电压的升高灯泡电阻增大。

(2)滑动变阻器采用分压接法,而由于灯泡内阻较小,故灯泡采用电流表外接法,实物图如图所示:

(3)小灯泡获最小功率时,电路的总电阻最大,此时滑动变阻器的两段电阻丝并联的总电阻为5 Ω,把滑动变阻器两段电阻丝并联后的总电阻和电流表内阻当成电源的内阻,则短路电流I= A=0.5 A,在U-I图象中作出路端电压与电路中电流的图象,如图所示,两图线交点坐标为(0.34,0.94),所以小灯泡消耗的电功率最小值P=0.34×0.94 W≈0.32 W。

答案:(1)A　C　F　增大　(2)见解析图

(3)0.32

4.(16分)在测定金属丝电阻率的实验中,用螺旋测微器测量金属丝的直径时的刻度位置如图所示:             

(1)从图中读出金属丝的直径为　　　　 mm。 

(2)实验中为了减小电流表和电压表内阻引起的系统误差,采用图示电路:

 ①闭合电键S1,将S2接2,调节滑动变阻器R1和R2,使电压表读数尽量接近满量程,读出此时电压表和电流表的示数U1和I1;

②将S2接1 ,读出这时电压表和电流表的示数U2和I2。则金属丝电阻Rx=　　　　。 

(3)若金属丝的长度为l,直径为D,电阻为Rx,则该金属丝电阻率的表达式为ρ=　　　　。 

【解析】(1)由图示螺旋测微器可知,固定刻度示数是0.5 mm,可动刻度示数是12.0×0.01 mm=0.120 mm,则螺旋测微器示数是0.5 mm+0.120 mm=0.620 mm。

(2)由题意知:Rx+RA+R2=,RA+R2=,得到Rx=-。

(3)根据Rx=ρ,解得ρ==。

答案:(1)0.620　(2)-　(3)

【加固训练】

某实验小组利用提供的器材测量某种电阻丝(电阻约为20 Ω)材料的电阻率。他们首先把电阻丝拉直后将其两端固定在刻度尺两端的接线柱a和b上,在电阻丝上夹上一个与接线柱c相连的小金属夹,沿电阻丝移动金属夹,可改变其与电阻丝接触点P的位置,从而改变接入电路中电阻丝的长度。可供选择的器材还有:

电池组E(电动势为3.0 V,内阻约1 Ω);

电流表A1(量程0～100 mA,内阻约5 Ω);

电流表A2(量程0～0.6 A,内阻约0.2 Ω);

电阻箱R(0～999.9 Ω);

开关、导线若干。

他们的实验操作步骤如下:

A.用螺旋测微器在三个不同的位置分别测量电阻丝的直径d;

B.根据提供的器材,设计并连接好如图甲所示的电路;

C.调节电阻箱使其接入电路中的电阻值最大,闭合开关S;

D.将金属夹夹在电阻丝上某位置,调节电阻箱接入电路中的电阻值,使电流表满偏,记录电阻箱的电阻值R和接入电路的电阻丝长度L;

E.改变金属夹与电阻丝接触点的位置,调节电阻箱接入电路中的电阻值,使电流表再次满偏。重复多次,记录每一次电阻箱的电阻值R和接入电路的电阻丝长度L。

F.断开开关,拆除电路并整理好器材。

(1)小明某次用螺旋测微器测量电阻丝直径时其示数如图乙所示,则这次直径的测量值d=　　　　 mm。 

(2)实验中电流表应选择　　　　(选填“A1”或“A2”)。 

(3)小明用记录的多组电阻箱的电阻值R和对应的接入电路中电阻丝长度L的数据,绘出了如图丙所示的R-L关系图线,图线在R轴的截距为R0,在L轴的截距为L0,再结合测出的电阻丝直径d,可求出这种电阻丝材料的电阻率ρ=　　　　(用给定的物理量符号和已知常数表示)。 

【解析】(1)由图示螺旋测微器可知,固定刻度是0.5 mm,可动刻度是22.6×

0.01 mm=0.226 mm,金属丝直径d=0.5 mm+0.226 mm=0.726 mm。

(2)电路中最大电流约为I== A≈0.14 A,不到0.6 A的四分之一,如果使用电流表A2实验误差较大,因此电流表应选A1。

(3)由实验步骤可知,外电路电阻不变,由串联电路特点可知,外电路总电阻R总=R+R电阻丝=R+ρ=R+ρ=R+ρ,

由题图丙可知,当电阻丝接入电路的长度为零时,电路总电阻R总=R0,则R+ρ=R0,R=R0-ρ,图象斜率的绝对值|k|==,则电阻率ρ=。

答案:(1)0.726(0.725～0.727)　(2)A1

(3)

5.(18分)(黄冈模拟)(1)为了测量电阻,现取一只已经完成机械调零的多用电表,如图1甲所示,请根据下列步骤完成电阻测量:

①将K旋转到电阻挡“×100”的位置。

②将插入“+”“-”插孔的表笔短接,旋动部件　　　　　(选填“C”或“D”),使指针对准电阻的“0”刻度线。 

③将调好零的多用电表按正确步骤测量一电学元件P的电阻,P的两端分别为a、b,指针指示位置如图甲所示。为使测量比较精确,应将选择开关旋到　　　　(选填“×1”“×10”或“×1 k”)的倍率挡位上,并重新调零,再进行测量。 

(2)多用电表电阻挡的内部电路如图1乙虚线框中所示,电源电动势为 E、内阻为r,R0为调零电阻,Rg为表头内阻,电路中电流I与待测电阻的阻值Rx的关系式为　　　　。 

(3)某同学想通过多用电表中的欧姆挡去测量一量程为3 V的电压表内阻。该同学将欧姆挡的选择开关拨至“×1 k”的倍率挡,并将红、黑表笔短接调零后,应选用图2中　　　　(选填“A”或“B”)方式连接。在进行了正确的连接、测量后,欧姆表的读数如图3甲所示,读数为　　　　 Ω,这时电压表的读数如图乙所示。若该欧姆挡内阻为24 kΩ,则可算出欧姆挡内部所用电池的电动势为

　　　 V(计算结果保留两位有效数字)。 

【解题指导】(1)电流的流向一定是“红进黑出”。

(2)欧姆表的中值电阻为R中=。

【解析】(1)②将插入“+”“-”插孔的表笔短接,旋动部件D,使指针对准电阻的“0”刻度线;③指针偏转角度过大,说明所选挡位太大,应换“×10”挡。

(2)根据图乙,多用电表测电阻的原理是闭合电路欧姆定律,则有:I=。(3)欧姆表的正极插孔与内部电源的负极相连,与电压表构成一闭合回路,电流从负极流出,进入电压表的正极,所以选择图A正确;欧姆表的读数为:30×

1 kΩ=30 kΩ,电压表的读数为:1.60 V。

由题意知欧姆表的内阻为24 kΩ,与电压表的内阻30 kΩ串联,由欧姆定律可知:E=I(R+r)=×(2.4×104+3×104) V≈2.9 V。

答案:(1)D　“×10”　(2)I=

(3)A　3×104　2.9

6.(18分)(2017·全国卷Ⅱ)某同学利用如图甲所示的电路测量一微安表(量程为100 μA,内阻大约为2 500 Ω)的内阻。可使用的器材有:两个滑动变阻器R1、R2(其中一个阻值为20 Ω,另一个阻值为2 000 Ω);电阻箱Rz(最大阻值为

99 999.9 Ω);电源E(电动势约为1.5 V);单刀开关S1和S2。C、D分别为两个滑动变阻器的滑片。

(1)按原理图甲将图乙中的实物连线。

(2)完成下列填空:

①R1的阻值为　　　　Ω(选填“20”或“2 000”)。 

②为了保护微安表,开始时将R1的滑片C滑到接近图甲中滑动变阻器的　　　(选填“左”或“右”)端对应的位置;将R2的滑片D置于中间位置附近。 

③将电阻箱Rz的阻值置于2 500.0 Ω,接通S1。将R1的滑片置于适当位置,再反复调节R2的滑片D的位置,最终使得接通S2前后,微安表的示数保持不变,这说明S2接通前B与D所在位置的电势　　　　　　(选填“相等”或“不相等”)。 

④将电阻箱Rz和微安表位置对调,其他条件保持不变,发现将Rz的阻值置于

2 601.0 Ω时,在接通S2前后,微安表的示数也保持不变。待测微安表的内阻为

　　　 Ω(结果保留到个位)。 

(3)写出一条提高测量微安表内阻精度的建议:　                   。 

【解析】(1)电路连接如图所示

(2)①R1主要作用是分压,应选择阻值较小的20 Ω 的滑动变阻器;

②为了保护微安表,开始时将R1的滑片C滑到接近图甲中的滑动变阻器的左端,使测量电路电压接近零;

③微安表的示数保持不变,这说明S2接通前后在BD中无电流流过,可知B与D所在位置的电势相等;

④设滑片D两侧电阻分别为R21和R22,因B与D所在位置的电势相等,可知:=;

同理当Rz和微安表对调时,仍有:=;联立两式解得:RA== Ω=2 550 Ω。

(3)为了提高测量精度,调节R1上的分压,尽可能使微安表接近满量程。

答案:(1)见解析图

(2)①20　②左　③相等　④2 550

(3)见解析