專題13專題13電學(xué)實驗考向預(yù)測考向預(yù)測電學(xué)實驗每年都考，主要體現(xiàn)在：(1)基本儀器的原理和使用；(2)基本的實驗?zāi)康摹⒃砗蛯嶒炈枷?，如實驗器材的選取，電流表的內(nèi)、外接法及滑動變阻器的連接方式、電路故障的分析等；(3)處理實驗數(shù)據(jù)的基本方法，如圖象法、平均值法等。知識與技巧的梳理知識與技巧的梳理考點一、多用電表的原理、使用及讀數(shù)問題例(2017·全國Ⅲ卷T23)圖(a)為某同學(xué)組裝完成的簡易多用電表的電路圖。圖中E是電池；R1、R2、R3、R4和R5是固定電阻，R6是可變電阻；表頭G的滿偏電流為250μA，內(nèi)阻為480Ω。虛線方框內(nèi)為換擋開關(guān)，A端和B端分別與兩表筆相連。該多用電表有5個擋位，5個擋位為：直流電壓1V擋和5V擋，直流電流1mA擋和2.5mA擋，歐姆×100Ω擋。(1)圖(a)中的A端與________(填“紅”或“黑”)色表筆相連接。(2)關(guān)于R6的使用，下列說法正確的是________(填正確答案標(biāo)號)。A．在使用多用電表之前，調(diào)整R6使電表指針指在表盤左端電流“0”位置B．使用歐姆擋時，先將兩表筆短接，調(diào)整R6使電表指針指在表盤右端電阻“0”位置C．使用電流擋時，調(diào)整R6使電表指針盡可能指在表盤右端電流最大位置(3)根據(jù)題給條件可得R1＋R2＝________Ω，R4＝________Ω。(4)某次測量時該多用電表指針位置如圖(b)所示。若此時B端是與“1”相連的，則多用電表讀數(shù)為________；若此時B端是與“3”相連的，則讀數(shù)為________；若此時B端是與“5”相連的，則讀數(shù)為________。(結(jié)果均保留三位有效數(shù)字)【審題立意】電流表是表頭與電阻并聯(lián)所得,并聯(lián)電阻越大，量程越??；電壓表是表頭與電阻串聯(lián)所得，串聯(lián)電阻越大，量程越大?！窘忸}思路】(1)A端與電池正極相連，電流從A端流出，A端與黑色表筆相連。(2)使用多用電表前，應(yīng)機(jī)械調(diào)零，即應(yīng)調(diào)整“指針定位螺絲”，使指針指在表盤左端電流“0”位置，與R6無關(guān)，選項A錯；使用歐姆擋時，需要紅、黑表筆短接，使電表指針指在表盤右端電阻“0”位置，選項B對；使用電流擋時，B端與“1”或“2”相連，與R6無關(guān)，C錯。(3)B端與“1”、“2”相連時，該多用電表擋位分別為直流2.5mA擋、直流1mA擋，如圖甲所示，由電表的改裝原理可知，B端與“2”相連時，有I2＝Ig＋eq\f(Igrg,R1＋R2)，解得R1＋R2＝160Ω；B端與“4”相連時，如圖乙所示，多用電表為直流電壓1V擋，表頭并聯(lián)部分電阻R0＝eq\f(Igrg,I2)，R4＝eq\f(U4,I2)－R0＝880Ω。(4)B端與“1”相連時，電表讀數(shù)為1.47mA；B端與“3”相連時，多用電表為歐姆×100Ω擋，讀數(shù)為11.0×100Ω＝1.10×103Ω；B端與“5”相連時，多用電表為直流電壓5V擋，讀數(shù)為eq\f(147.5,250)×5V＝2.95V?！緟⒖即鸢浮?1)黑(2)B(3)(4)1.47mA1.10×103Ω2.95V【知識鏈接】1.電壓表、電流表、多用電表的讀數(shù)技巧(1)對電表讀數(shù)問題，要先弄清楚電表的精確度，即每小格的數(shù)值，再確定估讀的方法，是eq\f(1,2)、eq\f(1,5)還是eq\f(1,10)估讀，明確讀數(shù)的小數(shù)位數(shù)。(2)多用電表的使用問題，在弄清其基本原理的基礎(chǔ)上，會選擇測量項目及量程、擋位，能區(qū)分機(jī)械調(diào)零和歐姆調(diào)零的區(qū)別，掌握測量電阻的步驟，此外，會看多用電表表盤，最上排不均勻刻度為測電阻時讀數(shù)刻度，讀出表盤刻度后應(yīng)乘以擋位倍率；中間刻度是均勻的，為測量電壓和電流的讀數(shù)刻度，下面三排數(shù)字為方便讀數(shù)所標(biāo)注；最下排刻度專為測量2.5V以下交流電壓所用，一般較少使用。2.歐姆表的原理(1)歐姆表內(nèi)有電源，紅表筆與內(nèi)部電源負(fù)極相連，黑表筆與內(nèi)部電源的正極相連，故其電流方向為“紅表筆流進(jìn)，黑表筆流出”。(2)測電阻的原理是閉合電路歐姆定律。當(dāng)紅、黑表筆短接時，調(diào)節(jié)滑動變阻器R0(即歐姆調(diào)零)，使靈敏電流計滿偏，Ig＝eq\f(E,Rg＋R0＋r)，此時中值電阻R中＝Rg＋R0＋r，當(dāng)兩表筆接入電阻Rx時I＝eq\f(E,Rg＋R0＋r＋Rx)，電阻Rx與電路中的電流相對應(yīng)，但不是線性關(guān)系，故歐姆表刻度不均勻。3.歐姆表使用六注意(1)選擋接著調(diào)零；(2)換擋重新調(diào)零；(3)待測電阻與電路、電源要斷開；(4)盡量使指針指在表盤中間位置附近；(5)讀數(shù)之后要乘以倍率得阻值；(6)用完后，選擇開關(guān)要置于“OFF”擋或交流電壓最高擋?！咀兪接?xùn)練】(1)某同學(xué)用多用電表的歐姆擋測量一電流計G的內(nèi)阻(幾百歐)，當(dāng)他選擇倍率“×100”進(jìn)行正確測量時，指針偏轉(zhuǎn)情況如圖1中“a”所示，誤差很大，為了減小測量誤差，他應(yīng)選擇倍率________(填“×10”或“×1k”)，正確操作后得到指針偏轉(zhuǎn)情況如圖1中的“b”所示，則該電流計的內(nèi)阻為(2)將G改裝成多用電表，如圖2所示，用此多用電表測量一阻值未知的電阻，所采用的器材及電路圖如圖3所示。測量電阻兩端電壓時，選擇開關(guān)K應(yīng)接__________(填“1”“2”或“3”)，電路開關(guān)S應(yīng)__________，兩表筆并接在電阻兩端，且紅表筆接__________(填“a”“b”或“c”)，記下電阻兩端電壓值U1；測量通過電阻的電流時，選擇開關(guān)K應(yīng)接__________(填“1”“2”或“3”)，開關(guān)S應(yīng)________，紅表筆接________(填“a”“b”或“c”)，黑表筆接________(填“a”“b”或“c”)，記下通過電阻的電流I1，調(diào)節(jié)滑動變阻器滑片的位置，重復(fù)上述方法再測出兩組數(shù)據(jù)U2、I2和U3、I3，利用上述三組數(shù)據(jù)可求出被測電阻的阻值Rx＝__________。解析：(1)當(dāng)他選用倍率“×100”進(jìn)行正確測量時，指針偏角太大，說明所測電阻較小，應(yīng)換用小倍率進(jìn)行測量，即選用“×10”倍率，由歐姆表讀數(shù)規(guī)則知電流計的內(nèi)阻為36×10Ω＝(2)因多用電表電流流向是“紅進(jìn)黑出”，測量電阻兩端電壓時，選擇開關(guān)K應(yīng)接3，電路開關(guān)S應(yīng)閉合，紅表筆接b，黑表筆接a；測量通過電阻的電流時，選擇開關(guān)K應(yīng)接1，由題圖3可知，此時開關(guān)S應(yīng)斷開，紅表筆接c，黑表筆接b，串聯(lián)接入電路中，由歐姆定律及多次測量求平均值的方法可知，被測電阻的阻值Rx＝eq\f(1,3)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(U1,I1)＋\f(U2,I2)＋\f(U3,I3)))。答案：(1)×10360Ω(2)3閉合b1斷開cbeq\f(1,3)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(U1,I1)＋\f(U2,I2)＋\f(U3,I3)))考點二、研究小燈泡的伏安特性例(2017·全國Ⅰ卷T23)某同學(xué)研究小燈泡的伏安特性。所使用的器材有：小燈泡L(額定電壓3.8V，額定電流0.32A)；電壓表V(量程3V，內(nèi)阻3kΩ)；電流表A(量程0.5A，內(nèi)阻0.5Ω)；固定電阻R0(阻值1000Ω)；滑動變阻器R(阻值0～9.0Ω)；電源E(電動勢5V，內(nèi)阻不計)；開關(guān)S；導(dǎo)線若干。(1)實驗要求能夠?qū)崿F(xiàn)在0～3.8V的范圍內(nèi)對小燈泡的電壓進(jìn)行測量，畫出實驗電路原理圖。(2)實驗測得該小燈泡伏安特性曲線如圖(a)所示。由實驗曲線可知，隨著電流的增加小燈泡的電阻______(填“增大”“不變”或“減小”)，燈絲的電阻率________(填“增大”“不變”或“減小”)。(3)用另一電源E0(電動勢4V，內(nèi)阻1.00Ω)和題給器材連接成圖(b)所示的電路，調(diào)節(jié)滑動變阻器R的阻值，可以改變小燈泡的實際功率。閉合開關(guān)S，在R的變化范圍內(nèi)，小燈泡的最小功率為________W，最大功率為________W。(結(jié)果均保留2位小數(shù))【審題立意】本題考查小燈泡伏安特性曲線的實驗描繪，要注意明確實驗原理，知道實驗中分析數(shù)據(jù)的基本方法。注意在分析功率時只能根據(jù)圖象進(jìn)行分析求解，不能利用歐姆定律進(jìn)行分析?！窘忸}思路】(1)要實現(xiàn)在0～3.8V的范圍內(nèi)對小燈泡的電壓進(jìn)行測量，則滑動變阻器需要設(shè)計成分壓接法；電壓表○eq\a\vs4\al(V)應(yīng)與固定電阻R0串聯(lián)，將量程改為4V。由于小燈泡正常發(fā)光時電阻約為12Ω，所以需將電流表外接。電路圖如圖所示。(2)IU圖象中隨著電流的增大，圖線的斜率變小，小燈泡的電阻增大。根據(jù)電阻定律R＝ρeq\f(L,S)，得燈絲的電阻率增大?！緟⒖即鸢浮?1)見解析圖(2)增大增大(3)0.391.17【技能提升】1．描點作圖時的注意事項(1)單位長度的選取。(2)平滑連接各點。(3)盡量使圖線占滿整個坐標(biāo)紙。2．非線性元件與某電源連接后實際功率的求法若該元件直接接在電源兩端，一般是在該元件的伏安特性曲線中作出電源的路端電壓隨電流變化的關(guān)系圖線，兩圖線的交點即該元件的工作點，利用P＝UI求得元件的實際功率；若元件與某定值電阻R0串聯(lián)后再接入電源兩端，則可將該定值電阻和電源等效為電源電動勢為E、內(nèi)電阻為(r＋R0)的電源再進(jìn)行分析?！咀兪接?xùn)練】某實驗小組要判定兩種元件的制作材料，已知其中一種是由金屬材料制成的，它的電阻隨溫度的升高而增大，而另一種是由半導(dǎo)體材料制成的，它的電阻隨溫度的升高而減小，準(zhǔn)備的器材有：A．電源E(電動勢為3.0V，內(nèi)阻不計)B．電壓表V1(量程0～3V，內(nèi)阻約1kΩ)C．電壓表V2(量程0～15V，內(nèi)阻約4kΩ)D．電流表A1(量程0～3A，內(nèi)阻約0.1Ω)E．電流表A2(量程0～0.6A，內(nèi)阻約0.6Ω)F．滑動變阻器R1(0～5Ω，3.0A)G．滑動變阻器R2(0～200Ω，1.25A)H．開關(guān)和若干導(dǎo)線該小組成員對其中的一個元件進(jìn)行了測試，測得通過其中的電流與加在它兩端的電壓數(shù)據(jù)如下表所示。U/V0.400.600.801.001.201.501.58I/A0.200.450.801.251.802.813.00請完成以下內(nèi)容：(1)實驗中電壓表應(yīng)選用________，電流表應(yīng)選用________，滑動變阻器應(yīng)選用________(填寫器材前對應(yīng)的字母)。(2)請根據(jù)表中數(shù)據(jù)在圖中作出該元件的IU圖線，該元件可能是由________(選填“金屬”或“半導(dǎo)體”)材料制成的。(3)在(2)的基礎(chǔ)上，該同學(xué)進(jìn)一步分析，如果讓一節(jié)電動勢為1.5V、內(nèi)阻為0.5Ω的干電池只對該元件供電，則該元件消耗的功率為________W(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)。解析：(1)由表中數(shù)據(jù)可知電壓表選用的是B，電流表選用的是D；滑動變阻器必須接成分壓式，應(yīng)選用阻值較小的F。(2)根據(jù)表中數(shù)據(jù)描點并用平滑曲線連接，如圖中①所示。由描繪的曲線可知，元件的電阻隨溫度的升高而減小，所以元件是由半導(dǎo)體材料制成的。(3)在元件的IU圖線中作出干電池的IU圖線，如圖中②所示，可知交點坐標(biāo)為U＝0.95V，I＝1.1A，所以元件消耗的功率為P＝UI≈1.0W。答案：(1)BDF(2)解析圖中①所示半導(dǎo)體(3)1.0考點三、測定電源的電動勢和內(nèi)阻例某同學(xué)利用圖甲所示電路測量電源電動勢和內(nèi)阻。(1)實驗中該同學(xué)記錄的實驗數(shù)據(jù)如下表，請在圖乙的直角坐標(biāo)系中畫出UI圖象。U/V1.961.861.801.741.641.56I/A0.050.150.250.350.450.55(2)根據(jù)所畫的UI圖象，可求得電源電動勢E＝________V，內(nèi)阻r＝________Ω。(3)隨著滑動變阻器滑片的移動，電壓表示數(shù)及電源的輸出功率都會發(fā)生變化，則下列圖中能正確反映P與U關(guān)系的是________，電源的最大輸出功率為________W(保留兩位有效數(shù)字)。(4)實驗完成后，該同學(xué)對實驗方案進(jìn)行了反思，認(rèn)為按圖甲電路進(jìn)行實驗操作的過程中存在安全隱患，并重新設(shè)計電路，在下列電路中，你認(rèn)為相對合理的電路是________(Rx為未知小電阻)。(2)由所畫UI圖象可知，圖線與縱軸交點的縱坐標(biāo)為2.0V，圖線的斜率的絕對值約為0.83Ω，即電源電動勢E＝2.0V，內(nèi)阻r＝0.83Ω。(3)電壓表測的是路端電壓，電源的輸出功率P＝UI，I＝eq\f(U內(nèi),r)，U內(nèi)＝E－U，聯(lián)立可得P＝－eq\f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(U－\f(E,2)))2,r)＋eq\f(E2,4r)，故PU圖線為一條過原點、開口向下的拋物線，圖C正確。當(dāng)電源內(nèi)電壓與路端電壓相等時，輸出功率最大，此時路端電壓是電動勢的一半，最大功率為P＝eq\f(E2,4r)≈1.2W。(4)圖A中，當(dāng)滑動變阻器的滑片滑到最右端時，電源短路，存在安全隱患，A錯；圖B中滑動變阻器采用分壓式接法，能保護(hù)電路，但不能測量出電路中的總電流，B錯；圖C中滑動變阻器采用限流式接法，既能保護(hù)電路，又能測出電源的電動勢和內(nèi)阻，C對；圖D中能測出電源電動勢，但測不出電源的內(nèi)電阻(測的是Rx＋r)，D錯?！緟⒖即鸢浮?1)見解析圖(2)2.00.83(3)C1.2(4)C【技能提升】測量電源的電動勢和內(nèi)阻的基本原理是閉合電路歐姆定律，數(shù)據(jù)處理的主要思想方法是“化曲為直”，常用的方法有三種：1.伏安法——利用電壓表和電流表。閉合電路方程為E＝U＋I(xiàn)r，利用兩組數(shù)據(jù)，聯(lián)立方程求解E和r；也可作出U－I圖象，圖線的縱截距表示電源的電動勢，斜率的絕對值表示電源的內(nèi)阻。2.伏阻法——利用電壓表和電阻箱。閉合電路方程為E＝U(1＋eq\f(r,R))。利用兩組數(shù)據(jù)聯(lián)立方程求解或?qū)⒎匠叹€性化，處理為eq\f(1,U)＝eq\f(r,E)·eq\f(1,R)＋eq\f(1,E)或U＝－req\f(U,R)＋E，作eq\f(1,U)－eq\f(1,R)圖象或U－eq\f(U,R)圖象，利用圖線的截距和斜率求E和r。3.安阻法——利用電流表和電阻箱。閉合電路方程為E＝I(R＋r)，利用兩組數(shù)據(jù)聯(lián)立方程求解或?qū)⒎匠叹€性化，處理為eq\f(1,I)＝eq\f(1,E)·R＋eq\f(r,E)，作eq\f(1,I)－R圖象，利用圖線的截距和斜率求E和r?！咀兪接?xùn)練】某實驗小組甲、乙兩同學(xué)要測量一節(jié)干電池的電動勢和內(nèi)阻。實驗室有如下器材可供選擇：A．待測干電池(電動勢約為1.5V，內(nèi)阻約為0.8Ω)B．電壓表V(量程15V)C．電流表A1(量程0～3mA，內(nèi)阻RA1＝10Ω)D．定值電阻R(阻值為50Ω)E．電流表A2(量程0～0.6A，內(nèi)阻RA2＝0.1Ω)F．電阻箱R0(0～9999.9Ω)G．滑動變阻器(0～20Ω，1.0A)H．開關(guān)、導(dǎo)線若干(1)甲同學(xué)采用伏安法測量，為了盡量減小實驗誤差，在下列四個實驗電路中應(yīng)選用________。(2)甲同學(xué)根據(jù)實驗所測(或經(jīng)過轉(zhuǎn)換)的數(shù)據(jù)描繪出電源的UI圖線如圖甲所示，則被測電池的電動勢E＝________V，內(nèi)阻r＝________Ω。(結(jié)果均保留三位有效數(shù)字)(3)乙同學(xué)采用電流表和電阻箱進(jìn)行測量，所用電路圖如圖乙所示，閉合開關(guān)后，改變電阻箱阻值，當(dāng)電阻箱阻值為R1時，電流表示數(shù)為I1；當(dāng)電阻箱阻值為R2時，電流表示數(shù)為I2，請用RA2、R1、R2、I1、I2表示被測電池的電動勢E＝____________，電池的內(nèi)阻r＝____________。解析：(1)因電壓表量程太大，直接使用誤差很大，因此可將電流表A1與電阻箱串聯(lián)改裝成電壓表，電流表A2測電流，所以選用D。(2)圖線與縱軸交點縱坐標(biāo)約為1.48V，即電源電動勢E＝1.48V，圖線的斜率的絕對值|k|＝eq\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(\f(1.48－1.10,0－0.45)))Ω≈0.844Ω，即電源的內(nèi)阻r≈0.844Ω。(3)由閉合電路歐姆定律知E＝I1(R1＋RA2＋r)，E＝I2(R2＋RA2＋r)，聯(lián)立得E＝eq\f(I1I2R1－R2,I2－I1)，r＝eq\f(I1R1－I2R2,I2－I1)－RA2。答案：(1)D(2)1.480.844(3)eq\f(I1I2R1－R2,I2－I1)eq\f(I1R1－I2R2,I2－I1)－RA2考點四、電學(xué)創(chuàng)新拓展實驗例(2017·全國Ⅱ卷T23)某同學(xué)利用如圖(a)所示的電路測量一微安表(量程為100μA，內(nèi)阻大約為2500Ω)的內(nèi)阻?？墒褂玫钠鞑挠校簝蓚€滑動變阻器R1、R2(其中一個阻值為20Ω，另一個阻值為2000Ω)；電阻箱Rz(最大阻值為99999.9Ω)；電源E(電動勢約為1.5V)；單刀開關(guān)S1和S2。C、D分別為兩個滑動變阻器的滑片。(1)按原理圖(a)將圖(b)中的實物連線。(2)完成下列填空：①R1的阻值為________Ω(填“20”或“2000”)。②為了保護(hù)微安表，開始時將R1的滑片C滑到接近圖(a)中滑動變阻器的________端(填“左”或“右”)對應(yīng)的位置；將R2的滑片D置于中間位置附近。③將電阻箱Rz的阻值置于2500.0Ω，接通S1。將R1的滑片置于適當(dāng)位置，再反復(fù)調(diào)節(jié)R2的滑片D的位置。最終使得接通S2前后，微安表的示數(shù)保持不變，這說明S2接通前B與D所在位置的電勢________(填“相等”或“不相等”)。④將電阻箱Rz和微安表位置對調(diào)，其他條件保持不變，發(fā)現(xiàn)將Rz的阻值置于2601.0Ω時，在接通S2前后，微安表的示數(shù)也保持不變。待測微安表的內(nèi)阻為_____Ω。(結(jié)果保留到個位)(3)寫出一條提高測量微安表內(nèi)阻精度的建議：____________________________________________________________________________________________________?！緦忣}立意】本題以測定微安表內(nèi)阻實驗為背景，考查了根據(jù)實驗原理圖連接實物圖的能力、對實驗原理的分析能力以及涉及精度改良方法的實驗設(shè)計能力?！窘忸}思路】(1)根據(jù)題中的原理圖(a)，將題圖(b)中的實物連線如圖所示。(2)①R1起分壓作用，應(yīng)選用最大阻值較小的滑動變阻器，即R1的電阻為20Ω。②為了保護(hù)微安表，閉合開關(guān)前，滑動變阻器R1的滑片C應(yīng)移到左端，確保微安表兩