高考物理二轮专题突破专题九实验技能与创新2电学实验与创新检测题 15页

专题九 实验技能与创新 第 2 讲：电学实验与创新 一、夯实基础 1．某同学用如图 1(a)所示的电路来测量某金属丝的电阻率，其中电源为两节干电池(总电动势 约为 3 V)，Rx 为金属丝，阻值约为 5 Ω，R0 为定值电阻，阻值已知，电流表内阻不计。已知金属丝 长为 L，直径为 d，完成下列问题： 图 1 (1)用螺旋测微器测量直径结果如图(b)所示，则 d＝________。 (2)电流表 A1 有两个量程(0～0.6 A 和 0～3 A)，该实验应选择的量程为________。 (3)有两个滑动变阻器 R 可供选择(0～30 Ω和 0～200 Ω)，该实验应该选择阻值范围为________ 的滑动变阻器。 (4)改变滑动变阻器的阻值，记录多组两电流表读数 I1、I2，并作出 I2－I1 的图象，如图(c)所示， 已知该图象是一条过原点的直线，斜率为 k，则该金属丝的电阻为________。 (5)该金属丝的电阻率为________(用 R0、k、L、d 表示)。 2．某实验小组用如下器材设计一个欧姆表： A．电流表 G(满偏电流为 Ig，内阻为 Rg) B．电源：电动势为 E，内阻为 r C．滑动变阻器 R D．红表笔 a、黑表笔 b (1)将如图 2 所示器材连成一个欧姆表。 图 2 (2)组装好电路后将红、黑表笔短接，调节滑动变阻器使电流表满偏，此时滑动变阻器连入电路 的阻值为________。 (3)将待测电阻 R1 连入电路，发现电流表示数 2 3 Ig，则 R1 的阻值为________。 3．(2016·河北邯郸模拟)某实验小组要精确测定一个额定电压为 3 V 的 LED 灯正常工作时的电 阻，已知该灯正常工作时电阻大约为 300 Ω，电学符号与小灯泡电学符号相同。 实验室提供的器材有： A．电流表 A1(量程为 15 mA，内阻 RA1 约为 10 Ω) B．电流表 A2(量程为 2 mA，内阻 RA2＝20 Ω) C．定值电阻 R1＝10 Ω D．定值电阻 R2＝1 980 Ω E．滑动变阻器 R(0～20 Ω)一个 F．电压表 V(量程为 15 V，内阻 RV 约为 3 kΩ) G．蓄电池 E(电动势为 4 V，内阻很小) H．开关 S 一个 (1)要完成实验，除蓄电池、开关、滑动变阻器外，还需选择的器材有________(填写器材前的 字母编号)。 (2)画出实验电路图。 (3)写出测量 LED 灯正常工作时的电阻表达式 Rx＝________，说明式中题目未给出的各物理量的 意义：_________________________________________________ _____________________________________________________________________ 二、能力提升 4.利用如图 3 甲所示电路可以测量电源的电动势和内阻，所用的实验器材有： 待测电源，电阻箱 R(最大阻值为 99.99 Ω)，定值电阻 R0(阻值为 2.0 Ω)，定值电阻 R1(阻值 为 4.5 kΩ)，电流表 A(量程为 300 μA，内阻 RA＝500 Ω)，开关 S，导线若干。 图 3 主要实验步骤如下： a．将电阻箱阻值调到最大，闭合开关 S； b．多次调节电阻箱，记下电流表的示数 I 和电阻箱相应的阻值 R； c．以1 I 为纵坐标，1 R 为横坐标，作1 I －1 R 图线(用直线拟合)。 回答下列问题： (1)分别用 E 和 r 表示电源的电动势和内阻，则1 I 与1 R 的关系式为1 I ＝________________。 (2)实验得到的数据如下表所示，其中电阻 R＝8.00 Ω时电流表的示数如图乙所示，读出数据， 完成下表。答： ①________，②________。 R(Ω) 4.00 5.00 6.00 8.00 10.00 12.00 16.00 1 R (×10－3Ω－1) 250 200 167 125 100 83.3 62.5 I(×10－6A) 133 150 164 ① 200 212 229 1 I (×102A－1) 75.2 66.7 61.0 ② 50.0 47.2 43.7 图 4 (3)在图 4 的坐标纸上将所缺数据点补充完整并作图，根据图线求得电源电动势 E＝________V， 内阻 r＝________Ω。(结果保留三位有效数字) 5.要测量某种合金的电阻率. 图 5 (1)若合金丝长度为 L，直径为 D，阻值为 R，则其电阻率ρ＝________. 用螺旋测微器测合金丝的直径如图 5 甲所示，读数为________mm. (2)图乙是测量合金丝阻值的原理图，S2 是单刀双掷开关.根据原理图在图丙中将实物连线补充 完整. (3)闭合 S1，当 S2 处于位置 a 时，电压表和电流表的示数分别为 U1＝1.35V，I1＝0.30A；当 S2 处于位置 b 时，电压表和电流表的示数分别为 U2＝0.92V，I2＝0.32A.根据以上测量数据判断，当 S2 处于位置________(选填“a”或“b”)时，测量相对准确，测量值 Rx＝________Ω.(结果保留两位 有效数字) 6.某物理兴趣小组在家中进行探究实验，他们找到了一个阻值为 800Ω的金属丝绕成的绕圈(金 属丝外表面涂有绝缘层)，金属丝电阻率ρ＝1.57×10－8Ω·m.该兴趣小组试图测量该金属丝的直 径，但家中没有游标卡尺或螺旋测微器，只有多用电表、米尺、剪刀、铅笔等生活工具.他们想到了 如下方法： 第一种方法： (1)如图 6 所示，取一金属丝紧密的缠绕在铅笔上，共计 32 匝，用米尺测量其间距为________cm， 则金属丝的直径为________mm(第二个空保留两位有效数字). 图 6 第二种方法： (2)剪一段长为 12.5m 的金属丝，用多用电表测量其阻值为 1.0Ω，计算可得金属丝的直径为 ________mm(保留两位有效数字). (3)第二种方法中，用多用电表测量阻值时误差较大，于是他们将这段长为 12.5m 的金属丝带回 实验室，设计了如图 7 所示的电路测量其准确阻值. 图 7 主要实验器材如下： A.灵敏电流计(内阻为 0.3Ω) B.滑动变阻器(阻值约几欧) C.滑动变阻器(阻值约几千欧) D.R2 代表 12.5m 的金属丝 E.干电池一节 F.开关 简要实验步骤如下： ①闭合 S1，调节滑动变阻器 R1，使灵敏电流计满偏； ②闭合 S2，发现灵敏电流计指针偏角为满偏时的四分之三. 滑动变阻器应选________，R2 的阻值为________Ω，R2 的测量结果比实际值________(选填“偏 大”“偏小”或“相等”). 三、课外拓展 7. 如图 8 甲所示的金属工件，横截面外方内圆，外边长约为 1cm、内径约为 0.5cm、长度约为 40cm. (1)某同学用游标卡尺测出横截面外边长如图乙所示，其读数 a＝__________cm. (2)应选用________来测量工件内径 d，选用________来测量工件长度 L.(选填“毫米刻度尺”、 “游标卡尺”或“螺旋测微器”) (3)为了测出该金属工件的电阻率，该同学设计了如图丙所示的电路，请按设计的电路完成实物 图丁的连线. (4)实验测得工件两端电压为 U，通过的电流为 I，写出该金属电阻率的表达式ρ＝________.(用 a、d、L、U、I 等字母表示) 图 8 8.在把电流表改装为电压表的实验中，需要测定电流表 的内阻.现利用“半偏法”测量，备用 的器材有： A.电流表(量程 200μA，内阻约几百欧) B.标准电压表(量程 3V) C.电阻箱(阻值范围 0～99999.9Ω) D.电阻箱(阻值范围 0～9999.9Ω) E.电源(电动势 6V，有内阻) F.电源(电动势 1.5V，有内阻) G.开关和导线若干 (1)如果采用如图 9 所示电路较精确的测定电流表 的内阻，从以上备用的器材中选择：R1 用 ________，电源用________.(用器材前的字母代号填写) 图 9 (2)实验时有以下步骤： A.合上开关 S2，调节 R2 的阻值，使电流表指针偏转到满刻度的一半 B.合上开关 S1，调节 R1 的阻值，使电流表指针偏转到满刻度 C.观察 R1 的阻值是否最大，如果不是，将 R1 的阻值调至最大 D.记下 R2 的阻值 合理的操作顺序为________(填字母代号). (3)如果在步骤 D 中所得 R2 的阻值为 800Ω，则电流表 的内阻 Rg 的测量值为________Ω，该测 量值________(填“大于”“等于”或“小于”)真实值 . (4)如果要将上述电流表 改装成量程为 3V 的电压表，则需跟电流表________联一个阻值为 ________kΩ的电阻 R0. (5)用如图 10 所示器材，对改装后的电压表跟标准电压表进行核对，要求对 0～3V 的所有刻度 都能在实验中进行核对.请补充完整实验电路. 图 10 9.某学习小组研究一个标有“3.6V1.8W”的小电珠的伏安特 性曲线，可供选用的器材如下： ①电流表 A，量程 0～0.6A，内阻约为 0.2Ω； ②电压表 V，量程 0～15V，内阻约为 15kΩ； ③滑动变阻器 R，阻值范围 0～10Ω； ④学生电源 E，电动势为 4V，内阻不计； ⑤开关 S 及导线若干. 图 11 (1)该学习小组中的某同学设计了如图 11 甲所示的电路进行测量，请按照图甲所示的实物图帮 该同学将图乙中的电路图补充完整. (2)该同学在实验中发现，由于电压表的量程较大而造成读数误差很大，因而影响了测量结果. 于是又从实验室找来一只量程为 Ig＝100μA、内阻 Rg＝1000Ω的灵敏电流计，想把该灵敏电流计改 装成量程为 5V 的电压表，则需串联一个阻值为________Ω的电阻. (3)该同学用改装后的电压表进行实验，得到电流表读数 I1 和灵敏电流计读数 I2 如下表所示.请 在图丙中的坐标纸上画出 I1－I2 图线. I1(A) 0 0.19 0.30 0.37 0.43 0.46 0.48 0.49 I2(μA) 0 10 20 30 40 50 60 70 (4)若将该小电珠接在如图丁所示的电路中，则该小电珠消耗的电功率约为________W.(已知电 源的电动势为 E＝3.0V，内阻 r＝1.5Ω，定值电阻 R0＝4.5Ω，结果保留两位有效数字.提示：可作 出该小电珠在此电路中的 I－U 图象帮助求解.) 四、高考链接 10．(2016·浙江理综，22)某同学用伏安法测量导体的电阻，现有量程为 3 V、内阻约为 3 kΩ 的电压表和量程为 0.6 A、内阻约为 0.1 Ω的电流表。采用分压电路接线，图 12 甲是实物的部分连 线图，待测电阻为图乙中的 R1，其阻值约为 5 Ω。 图 12 (1)测 R1 阻值的最优连接方式为导线①连接________(填 a 或 b)、导线②连接________(填 c 或 d)。 (2)正确接线测得实验数据如表，用作图法求得 R1 的阻值为________Ω。 U/V 0.40 0.80 1.20 1.60 2.00 2.40 I/A 0.09 0.19 0.27 0.35 0.44 0.53 (3)已知图中 R2 与 R1 是材料相同、厚度相等、表面为正方形的两导体，R2 的边长是 R1 的 1 10 ，若 测 R2 的阻值，则最优的连线应选________(填选项)。 A．①连接 a，②连接 c B．①连接 a，②连接 d C．①连接 b，②连接 c D．①连接 b，②连接 d 11.(2016·全国丙卷·22)某同学用图 13 中所给器材进行与安培力有关的实验.两根金属导轨 ab 和 a1b1 固定在同一水平面内且相互平行，足够大的电磁铁(未画出)的 N 极位于两导轨的正上方，S 极位于两导轨的正下方，一金属棒置于导轨上且与两导轨垂直. 图 13 (1)在图中画出连线，完成实验电路.要求滑动变阻器以限流方式接入电路，且在开关闭合后， 金属棒沿箭头所示的方向移动. (2)为使金属棒在离开导轨时具有更大的速度，有人提出以下建议： A.适当增加两导轨间的距离 B.换一根更长的金属棒 C.适当增大金属棒中的电流 其中正确的是________(填入正确选项前的标号). 12．(2016·全国卷Ⅲ，22)某同学用图 14 中所给器材进行与安培力有关的实验。两根金属导轨 ab 和 a1b1 固定在同一水平面内且相互平行，足够大的电磁铁(未画出)的 N 极位于两导轨的正上方， S 极位于两导轨的正下方，一金属棒置于导轨上且与两导轨垂直。 图 14 (1)在图中画出连线，完成实验电路。要求滑动变阻器以限流方式接入电路，且在开关闭合后， 金属棒沿箭头所示的方向移动。 (2)为使金属棒在离开导轨时具有更大的速度，有人提出以下建议： A．适当增加两导轨间的距离 B．换一根更长的金属棒 C．适当增大金属棒中的电流 其中正确的是________(填入正确选项前的标号)。 参考答案 1．答案 (1)2.130 mm (2)0～0.6 (3)0～30 Ω (4)R0k (5)kπd2R0 4L 解析 (1)读数为 2 mm＋13.0×0.01 mm＝2.130 mm。 (2)当滑动变阻器的阻值为零时，流过 A1 的电流最大，约为 I＝U Rx ＝0.6 A，故选 0～0.6 A 量程。 (3)滑动变阻器应该选择比被测电阻大的，但从操作方便性考虑，又不能太大，故选择阻值范围 为 0～30 Ω的滑动变阻器。 (4)金属丝的电阻为 Rx＝I2R0 I1 ＝R0k。 (5)由电阻定律有 Rx＝R0k＝ ρL πd2 4 ，得ρ＝kπd2R0 4L 。 2．答案 (1)如图所示 (2)E Ig －Rg－r (3) E 2Ig 解析 (1)将各用电器串联接入电路。 (2)由闭合电路欧姆定律得 R＝E Ig －Rg－r。 (3)由闭合电路欧姆定律得 R1＝ E 2 3 Ig －E Ig ＝ E 2Ig 。 3．答案 (1)ABD (2)如图所示 (3)I2（R2＋RA2） I1－I2 ，I1、I2 分别为电流表 A1、A2 的读数 解析 (1)要精确测定额定电压为 3 V 的 LED 灯正常工作时的电阻，需测量 LED 灯两端的电压和 通过 LED 灯的电流，由于电压表 V 的量程偏大，测量误差较大，不能用电压表 V 测量 LED 灯两端的 电压，可以将电流表 A2 与定值电阻 R2 串联改装为电压表测量电压；LED 灯正常工作时的电流在 10 mA 左右，可以用电流表 A1 和改装后的电压表测量通过 LED 灯的电流。 (2)因为滑动变阻器阻值远小于 LED 灯的电阻，所以滑动变阻器采用分压式接法。电路图如图所 示。 (3)根据闭合电路欧姆定律知，LED 灯两端的电压 U＝I2(R2＋RA2)，通过 LED 灯的电流 I＝I1－I2， 所以 LED 灯正常工作时的电阻 Rx＝U I ＝I2（R2＋RA2） I1－I2 ，I1、I2 分别为电流表 A1、A2 的读数。 4. 答案 (1)5 000（2.0＋r） E ·1 R ＋5 000 E (2)①185(183～187) ②54.1(53.5～54.6) (3) 如图所示 1.52(1.50～1.54) 3.06(3.00～3.12) 解析 (1)电流表 A 与电阻 R1 串联等效为一个电压表，通过该电压表的电流很小，可忽略不计， 当电流表示数为 I 时，干路的电流为I（RA＋R1） R ，根 据闭合电路欧姆定律有 E＝I（R1＋RA） R (R0＋r ＋R)，代入数据整理得1 I ＝5 000（2.0＋r） E ·1 R ＋5 000 E (A－1)。 (2)根据题图乙可得电流表示数为 185 μA，其倒数为 54.1×102 A－1。 (3)作图如图所示，由图象得图线的斜率 k＝（75.2－50.0）×102 （250－100）×10－3 A－1·Ω＝1.67×104 A－1·Ω， 纵轴的截距 b＝3.30×103 A－1，由5 000（2.0＋r） E ＝k，5 000 E ＝b，解得 E＝1.52 V，r＝3.06 Ω。 5. 答案 (1)πRD2 4L 0.650 (2)见解析图 (3)b 2.9 解析 (1)金属丝电阻：R＝U I ＝ρL S ＝ρ L π D 2 2 ， 则电阻率：ρ＝πRD2 4L ； 图示螺旋测微器可知，其示数为：0.5mm＋15.0×0.01mm＝0.650mm； (2)实物连线图如图所示： (3)根据ΔU U1 ＝1.35－0.92 1.35 ≈0.32， 而ΔI I1 ＝0.32－0.30 0.30 ≈0.07， 可知，使用电流表外接法测量相对准确，即 S2 处于位置 b， 根据欧姆定律，则有：Rx ＝0.92 0.32 Ω≈2.9Ω 6. 答案 (1)1.69 0.53 (2)0.50 (3)C 0.90 偏大 7. 答案 (1)1.02 (2)游标卡尺 毫米刻度尺(3)连线图见解析(4)U 4a2－πd2 4IL 解析 (1)游标卡尺读数 a＝1cm＋0.1mm×2＝1.02cm (2)应选用游标卡尺来测量工件内径 d，选用毫米刻度尺来测量工件长度 L. (3)连线图如图所示. (4)因为 R＝U I ＝ρL S ＝ρ L a2－1 4 πd2 ，解得ρ＝U 4a2－πd2 4IL . 8. 答案 (1)C E (2)CBAD (3)800 小于 (4)串 14.2 (5)如图所示 9. 答案 (1)如图所示 (2)49000 (3)如图所示 (4)0.35 解析 (4)将定值电阻 R0 看做该电源的内阻，则内阻 r′＝6Ω，由此可得路端电压 U＝E－Ir′， 在 I1－I2 图线所在坐标纸上作出该 I－U 图象如图所示，可知其交点坐标表示的电流约为 0.32A，电 压约为 1.1V，所以该灯泡消耗的功率约为 P＝0.32×1.1W≈0.35W. 10．答案 (1)a d (2)如图所示 4.4～4.7 (3)B 解析 (1)因电压表的内阻远大于待测电阻 R1 的阻值，则电流表采用外接法，而滑动变阻器应采 用分压式接法，故测 R1 阻值的最优连接方式为导线①连接 a，导线②连接 d。 (2)建立坐标系描点连线如答案图所示，则 R1＝ΔU ΔI ＝2.2 0.5 Ω＝4.4 Ω。 (3)根据电阻定律可得，R＝ρ L dL ＝ρ d ，故 R2＝R1，要测 R2 的阻值，与测量 R1 一样，最优的连线 应①连接 a，②连接 d，选项 B 正确。 11. 答案 (1)见解析图 (2)AC 解析 (1)实物连线如图所示. (2)根据公式 F＝BIL 可得，适当增加导轨间的距离或者增大电流，可增大金属棒受到的安培力， 根据动能定理得，Fs－μmgs＝1 2 mv2，则金属棒离开导轨时的动能变大，即离开导轨时的速度变大， A、C 正确；若换用一根更长的金属棒，但金属棒切割磁感线的有效长度即导轨间的距离不变，安培 力 F 不变，棒的质量变大，速度 v＝ 2Fs m －2μgs变小，B 错误. 12．答案 (1)见解析图 (2)AC 解析 (1)实物连线如图所示。 (2)根据公式 F＝BIL 可得，适当增加导轨间的距离或者增大电流，可增大金属棒受到的安培力， 根据动能定理得，Fs－μmgs＝1 2 mv2，则金属棒离开导轨时的动能变大，即离开导轨时的速度变大， A、C 正确；若换用一根更长的金属棒，但金属棒切割磁感线的有效长度即导轨间的宽度不变，安培 力 F 不变，棒的质量变大，速度 v＝ 2Fs m －2μgs变小，B 错误。