大綱地區(qū)2014屆高三物理復習能力提升：第10章 專題8 電學設(shè)計性實驗的處理 Word版含解析

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1、 專題八　電學設(shè)計性實驗的處理 考綱解讀1.掌握設(shè)計創(chuàng)新型實驗的一般方法.2.能根據(jù)題目給的實驗目的、器材，設(shè)計出合理的實驗方案、實驗步驟及數(shù)據(jù)處理的方法． 考點一　設(shè)計性實驗的答題思路與方法 1．明確實驗目的．審題時要看清題目要求測定什么物理量，驗證、探究什么物理規(guī)律，或者要求設(shè)計達到何種標準的電路． 2．廣泛聯(lián)系、尋找原型、確定實驗原理． 3．根據(jù)實驗原理與實驗器材，遷移實驗方法，確定實驗方案． 4．實驗電路的選擇 (1) (2)控制電路的選擇：控制電路即滑動變阻器在電路中的連接，常有兩種不同的形式，圖1甲為限流式，圖乙為分壓式． 　 圖1 在具體實驗中，

2、滑動變阻器是采用分壓式還是限流式，可按以下標準進行判斷： ①負載電阻的阻值Rx遠大于滑動變阻器總電阻R，需用分壓式電路． ②要求負載上電壓或電流變化范圍較大，且從零開始連續(xù)可調(diào)，需用分壓式電路． ③負載電阻的阻值Rx小于滑動變阻器的總電阻R或相差不多，并且電壓、電流表示數(shù)變化不要求從零起調(diào)，可采用限流式． ④兩種電路均可使用的情況下，應優(yōu)先采用限流式接法，因為限流式接法消耗的的總功率較?。? 例1　中國機器人農(nóng)民發(fā)明家吳玉祿(被譽為中國的特斯拉)只有小學文化，為了給他的機器人吳老二找一個可充電電池，他在廢品站找到了一個像電池一樣有兩個電極的裝置，上面標有“TNT”字樣，他高興地拿回去充

3、電，結(jié)果差點丟了性命．如果你是他的兒女，為了安全起見，你能給他提出一些建議或幫助嗎？ (1)經(jīng)上網(wǎng)查找這是只工業(yè)電雷管，由電能轉(zhuǎn)化成熱能而引發(fā)爆炸的，利用了電流的熱效應．給你一個多用電表你會選擇________(直流電流、直流電壓、電阻)擋來判斷它是否為電池，可保證既安全又方便． (2)經(jīng)核實該電雷管全電阻阻值為6 Ω，其中電熱絲阻值為5 Ω，引腳線長2 m，阻值為 1 Ω，當通以0.45 A電流時約6 s鐘爆炸，若吳玉祿用5.4 V的電壓給它充電時理論上約________s鐘爆炸． (3)某興趣小組發(fā)揚吳玉祿精神，用伏安法設(shè)計了一實驗精確測量上述單只電雷管電阻的電路，準備了以下實驗器

4、材： 待測電雷管Rx，炸藥桶(保護作用，防爆破) 電流表A1：量程0.5 A、內(nèi)阻約0.5 Ω 電流表A2：量程30 mA、內(nèi)阻約30 Ω 電壓表V1：量程30 V、內(nèi)阻約10 kΩ 電壓表V2：量程2 V、內(nèi)阻約3 kΩ 滑動變阻器R：0～10 Ω 電阻箱R0：0～999.9 Ω，0.1 A 干電池E：電動勢E＝1.5 V，內(nèi)阻r約0.1 Ω 電鍵S及導線若干 ①請設(shè)計一個較合理的電路原理圖，畫在規(guī)定的虛線框內(nèi)，要求通過電雷管的電流不超過27 mA，電壓能從零調(diào)節(jié)，盡可能減小誤差． ②寫出Rx的計算公式Rx＝________；說明公式中各物理量的意義：_______

5、____________ ________________________________________________________________________. 解析　(1)由直流電壓擋的內(nèi)阻較大，如是電池，能顯示電壓，電流較?。蝗缡荰NT，直流電壓擋不會給它供電，也是安全的；如用電阻擋測試，多用電表內(nèi)部電池會給TNT供電，可能有危險；所以應選直流電壓擋． (2)由焦耳定律：IRt1＝()2Rt′，解得t′＝1.5 s. (3)①由于要求電雷管的電流不超過27 mA，因此電流表應選A2， 且應給待測電雷管串聯(lián)電阻箱作限流電阻．電壓表V1量程過大， 應選V2，且電流表應外

6、接，滑動變阻器應用分壓式．電路圖如 圖所示． ②由歐姆定律知Rx＝－R0.其中，U為電壓表示數(shù)，I為電流表示數(shù)，R0為電阻箱讀數(shù)． 答案　(1)直流電壓　(2)1.5　(3)①見解析圖?、冢璕0　U為電壓表示數(shù)，I為電流表示數(shù)，R0為電阻箱讀數(shù) 實驗設(shè)計流程 例2　在“描繪小電珠的伏安特性曲線”的實驗中，現(xiàn)除了有一個標有“5 V,2.5 W”的小電珠、導線和開關(guān)外，還有： A．直流電源(電動勢約為5 V，內(nèi)阻可不計) B．直流電流表(量程0～3 A，內(nèi)阻約為0.1 Ω) C．直流電流表(量程0～600 mA，內(nèi)阻約為5 Ω) D．直流電壓表(量程0～15 V，內(nèi)阻約為

7、15 kΩ) E．直流電壓表(量程0～5 V，內(nèi)阻約為10 kΩ) F．滑動變阻器(最大阻值10 Ω，允許通過的最大電流為2 A) G．滑動變阻器(最大阻值1 kΩ，允許通過的最大電流為0.5 A) 實驗要求小電珠兩端的電壓從零開始變化并能測多組數(shù)據(jù)． (1)實驗中電流表應選用________，電壓表應選用________，滑動變阻器應選用________(均用序號字母表示)． (2)請按要求將圖2中所示的器材連成實驗電路． 圖2 (3)某同學通過實驗正確作出的小電珠的伏安特性曲線如圖3所示．現(xiàn)把實驗中使用的小電珠接到如圖4所示的電路中，其中電源電動勢E＝6 V，內(nèi)阻r＝1

8、 Ω，定值電阻R＝9 Ω，此時電珠的實際功率為________W．(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) 圖3 圖4 解析　(1)由電珠標識(5 V,2.5 W)知，I＝＝0.5 A，因此電流表選C，電壓表選E.由于電路接成分壓式，滑動變阻器選F. (2)如圖所示 (3)把定值電阻作為電源的內(nèi)阻，則該電源短路時的電流為Imax＝＝0.6 A，在題圖中的U－I圖中，作出此電源的U－I圖線如圖中虛線所示 兩圖線交點即表示該電珠的實際工作點．由圖知 U＝2.2 V，I＝0.38 A，所以P＝UI＝2.2×0.38 W＝0.84 W. 答案　(1)C　E　F　(2)見解析圖　(3)0

9、.84(0.81～0.87)皆可 考點二　實驗方法及數(shù)據(jù)處理方法的遷移運用 1．實驗方法遷移 基本的實驗方法包括：實驗原理的設(shè)計方法、實驗誤差的控制方法和實驗數(shù)據(jù)的處理方法，將基本的實驗方法和物理原理合理遷移，可設(shè)計出測量不同的物理量、可探究不同問題的實驗方案．教材中所學過的物理規(guī)律、物理公式中只要含有某一物理量，則該規(guī)律、公式就可作為研究或測定該物理量的原理基礎(chǔ)而進行相應的實驗方法設(shè)計．如用伏安法測電阻，R＝，也可遷移到測電壓表內(nèi)阻和電流表內(nèi)阻上去． 2．實驗數(shù)據(jù)的遷移 數(shù)據(jù)探究性實驗的主要功能是通過實驗提供的數(shù)據(jù)信息，分析各數(shù)據(jù)中的內(nèi)在聯(lián)系，找出數(shù)據(jù)中所包含的物理規(guī)律．常用的

10、數(shù)據(jù)處理方法(如平均值法、圖象法、逐差法、比較法等)和誤差分析方法應該掌握． 例3　常用的電流表有內(nèi)阻，現(xiàn)要測量電流表G1的內(nèi)阻r1，電路如圖5所示．供選擇的儀器如下： 圖5 A．待測電流表G1(0～5 mA，內(nèi)阻約300 Ω) B．電流表G2(0～10 mA，內(nèi)阻約100 Ω) C．定值電阻R1(30 Ω) D．定值電阻R2(300 Ω) E．定值電阻R3(3 kΩ) F．滑動變阻器R4(0～20 Ω) G．電源(電動勢6.0 V，內(nèi)阻不計) H．開關(guān)S及導線若干 (1)電路中與電流表G1并聯(lián)的電阻應選________，保護電阻應選用________(請?zhí)顚懫鞑那暗?/p>

11、字母序號)． (2)根據(jù)電路圖在圖6中連接實物圖，要求閉合開關(guān)前滑動變阻器的滑動觸頭P處于正確位置． 圖6 (3)補全實驗步驟： ①按電路圖連接電路； ②閉合開關(guān)S，移動滑動觸頭P至某一位置，記錄G1、G2的讀數(shù)I1、I2； ③________________________________________________________________________； ④以I1為縱軸，I2為橫軸，作出相應圖象如圖7所示． 圖7 (4)根據(jù)I1－I2圖線的斜率k及定值電阻，寫出電流表G1內(nèi)阻的表達式r1＝________. 解析　(1)由于

12、G2的量程為0～10 mA，而G1的量程為0～5 mA，則與G1并聯(lián)的電阻分流大約是0～5 mA，應與G1的內(nèi)阻相當，因此應選R2，即D.保護電阻如過大，則導致G1、G2示數(shù)很小，或指針不偏轉(zhuǎn)，因此應選R1，即C. (2) (3)多次移動滑動觸頭，記錄相應的G1、G2讀數(shù)I1、I2. (4)從電路可知：(I2－I1)R2＝I1r1，即I1＝I2，即＝k，所以r1＝R2. 答案　(1)D　C　(2)見解析圖　(3)多次移動滑動觸頭，記錄相應的G1、G2讀數(shù)I1、I2　(4)R2 (限時：30分鐘) 1．某同學將完好的儀器連接成如圖1所示電路(其中滑動變阻器的連線沒有畫出)，用

13、來探究小燈泡電阻與電壓的關(guān)系． 圖1 (1)閉合開關(guān)進行實驗時發(fā)現(xiàn)，無論怎樣移動滑片P，電壓表和電流表的示數(shù)都不為零，但始終沒有變化．則該同學把滑動變阻器接入電路中的方式可能是________(填寫選項代號)． a．G與C相連，F(xiàn)與H相連 b．G與C相連，D與H相連 c．G與E相連，F(xiàn)與H相連 d．G與E相連，D與H相連 (2)在圖中將滑動變阻器正確接入電路中，要求：燈泡兩端的電壓可以從零開始進行調(diào)節(jié)． (3)在正確操作下，該同學得到燈絲兩端電壓U和對應電阻R的數(shù)據(jù)如下表： U/V 1.0 2.0 3.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 R/

14、Ω 2.1 3.0 3.8 4.4 5.2 5.6 5.9 6.0 ①根據(jù)表中數(shù)據(jù)在圖2中描出R－U圖線； 圖2 ②根據(jù)圖線，可以得到燈絲在未通電時的阻值約為____Ω. 答案　(1)bc　(2)如圖所示 (3)①如圖所示 ②1.0(0.9～1.2均可) 2．某同學想利用所學知識測量某種圓柱形材料的電阻率，實驗要求必須精確測出該段材料的阻值．除了導線和開關(guān)外，實驗室還備有以下器材可供選用： 電流表A1，量程1 A，內(nèi)阻r1約0.5 Ω 電流表A2，量程30 mA，內(nèi)阻r2約200 Ω 電壓表V1，量程6 V，內(nèi)阻RV1等于20 kΩ 電壓表

15、V2，量程10 V，內(nèi)阻RV2約30 kΩ 滑動變阻器R1,0～20 Ω，額定電流2 A 滑動變阻器R2,0～2 000 Ω，額定電流1 mA 電源E(電動勢為12 V，內(nèi)阻r約2 Ω) (1)請選擇合適的器材，設(shè)計出便于精確測量的電路圖畫在虛線框中，其中滑動變阻器應選________． (2)若選用其中一組電表的數(shù)據(jù)，設(shè)該段圓柱形材料的長為L，直徑為d，由以上實驗得出這種材料電阻率的表達式為________________，式中符號的含義為__________． 答案　(1)電路圖見解析圖　R1　(2)ρ＝　U1表示電壓表V1的示數(shù)，U2表示電壓表V2的示數(shù) 解析　(1)由

16、于V1的阻值已知，可當電流表使用，故可以采用將待測材料與V1串聯(lián)再與V2并聯(lián)，由于滑動變阻器阻值遠小于待測電阻的阻值，故滑動變阻器應采用分壓式接法，為調(diào)節(jié)方便選用小阻值的R1，電路圖如圖所示． (2)由電路圖知，Rx＝，IV1＝，又Rx＝ρ，聯(lián)立得ρ＝，式中U1表示電壓表V1的示數(shù)，U2表示電壓表V2的示數(shù)． 3．現(xiàn)有一特殊電池，它的電動勢E約為9 V，內(nèi)阻r約為40 Ω，已知該 電池允許輸出的最大電流為50 mA.為了測定這個電池的電動勢和內(nèi)阻， 某同學利用如圖3所示的電路進行實驗，圖中電流表的內(nèi)阻RA已經(jīng)測 出，阻值為5 Ω，R為電阻箱，阻值范圍為0～999.9 Ω，R0為定

17、值電阻， 圖3 對電路起保護作用． (1)實驗室備有的定值電阻R0共有以下幾種規(guī)格． A．10 Ω B．50 Ω C．150 Ω D．500 Ω 本實驗選用哪一種規(guī)格的定值電阻最好？________. (2)該同學接入符合要求的R0后，閉合開關(guān)S，調(diào)整電阻箱的阻值，讀取電流表的示數(shù)，記錄多組數(shù)據(jù)，作出了如圖4所示的圖線，則根據(jù)該同學作出的圖線可求得該電池的電動勢E＝________ V，內(nèi)阻r＝________ Ω. 圖4 答案　(1)C　(2)10　45 解析　(1)當R＝0時，應該有R0＋r＋RA≥ Ω，即R0≥135 Ω時，可保證電路中電流

18、不超過最大允許電流，R0應該選擇C. (2)由E＝I(r＋R0＋RA＋R)，得＝(R＋R0)＋(r＋RA)，結(jié)合圖象可得(r＋RA)＝5 A－1，斜率＝ V－1，解得E＝10 V，r＝45 Ω. 4．將一銅片和一鋅片分別插入一個蘋果內(nèi)，就構(gòu)成了簡單的“水果電池”，其電動勢約為1.5 V．可是這種電池并不能點亮額定電壓為1.5 V、額定電流為0.3 A的手電筒上的小燈泡，原因是流過小燈泡的電流太小了，經(jīng)實驗測得還不足3 mA.為了較精確地測定該水果電池的電動勢和內(nèi)阻，提供的實驗器材有： A．電流表A1(量程0～3 mA，內(nèi)阻約為0.5 Ω) B．電流表A2(量程0～0.6 A，內(nèi)阻約為0

19、.1 Ω) C．電壓表V(量程0～1.5 V，內(nèi)阻約為3 kΩ) D．滑動變阻器R1(阻值0～10 Ω，額定電流為1 A) E．滑動變阻器R2(阻值0～3 kΩ，額定電流為1 A) F．電鍵，導線若干 G．水果電池 (1)實驗中電流表應選用______，滑動變阻器應選用______(均用序號字母表示)． (2)請在虛線框內(nèi)畫出實驗電路圖． (3)根據(jù)實驗記錄的數(shù)據(jù)，經(jīng)描點、連線得到水果電池的路端電壓 隨電流變化的U－I圖象如圖5所示，由圖可知：水果電池的電動 勢E＝____V，內(nèi)阻r＝________Ω. 答案　(1)A　E 圖5 (2)如圖所示

20、 (3)1.35　450 解析　由圖象知電源內(nèi)阻較大，因此電流表應外接，誤差較??；同時滑動變阻器應選R2，電流表才會有明顯的示數(shù)變化． 5．(Ⅰ)用下列器材組裝成一個電路，要求既能測量出電池組的電動勢E和內(nèi)阻r，又能同時描繪小燈泡的伏安特性曲線． A．電壓表V1(量程6 V，內(nèi)阻很大) B．電壓表V2(量程3 V，內(nèi)阻很大) C．電流表A(量程3 A，內(nèi)阻很小) D．滑動變阻器R(最大阻值10 Ω，額定電流4 A) E．小燈泡(2 A　5 W) F．電池組(電動勢E，內(nèi)阻r) G．開關(guān)一只，導線若干 實驗時，調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值，多次測量后發(fā)現(xiàn)：若電壓表V1的示數(shù)增大，則電

21、壓表V2的示數(shù)減?。? (Ⅱ)請將設(shè)計的實驗電路圖在如圖6所示的虛線框中補充完整． 圖6 (1)每一次操作后，同時記錄電流表A、電壓表V1和電壓表V2的示數(shù)，組成兩個坐標點(I1，U1)、(I2，U2)，標到U－I坐標系中，經(jīng)過多次測量，最后描繪出兩條圖線，如圖7所示，則電池組的電動勢E＝______ V，內(nèi)阻r＝______ Ω.(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) 圖7 (2)在U－I坐標系中兩條圖線在P點相交，此時滑動變阻器連入電路的阻值應為________ Ω. 答案　(Ⅱ)如圖所示 (1)4.5　1.0　(2)0 解析　由圖象可知，縱軸截距為電源電動勢E＝4.5 V，該

22、直線斜率的絕對值表示電源內(nèi)阻r＝1.0 Ω，由交點P可知，燈泡兩端電壓為2.5 V，電流為2 A，所以滑動變阻器連入電路的阻值為0 Ω. 6．某物理實驗小組利用實驗室提供的器材測量一螺線管兩接線柱之間金屬絲的長度．可選用的器材如下： A．待測螺線管L(符號)：繞制螺線管的金屬絲電阻率為ρ，阻值約幾十歐 B．電流表A1：量程10 mA，內(nèi)阻r1＝40 Ω C．電流表A2：量程500 μA，內(nèi)阻r2＝750 Ω D．電壓表V：量程為10 V，內(nèi)阻為10 kΩ E．保護電阻R1：阻值為100 Ω F．滑動變阻器R2：總阻值約為10 Ω G．電源E，電動勢約為1.5 V，內(nèi)阻忽略不計 H．開關(guān)一個及導線若干 (1)用多用電表粗測線圈的電阻，選擇倍率“×1”和“×10”，經(jīng)正確步驟操作，多用電表表盤示數(shù)如圖8所示，則金屬絲的電阻約為________ Ω. 圖8 (2)為了盡可能準確的測量RL，要求電表的指針偏轉(zhuǎn)至少要達到滿刻度的，請你設(shè)計一種適合的電路，將你設(shè)計的電路畫在虛線框中，并標明所用器材的代號． (3)由已知量和測得量的符號表示金屬絲的長度L，則L＝________________. 答案　(1)48 (2)電路如圖所示(畫出其中一個即可) 電路一 電路二 (3)電路一：L＝　電路二：L＝