专题15电学实验（解析版）-2021年高考物理冲刺专题必刷

15 电学实验 1．某兴趣小组为了测量一个量程为 6.0V 的直流电压表的内阻 RV（约为几千欧），根据手中器材，设计了如 图甲所示的电路。 (1)该实验中需要进行的步骤罗列如下，合理的顺序是___________（用步骤前的字母表示）。 A．闭合开关 S B．将电阻箱 R0 的阻值调到零，并把滑动变阻器的滑片 P 滑到 a 端 C．调节滑动变阻器 R 的阻值，使电压表的示数为 6.0V D．断开开关 S E．调节电阻箱 R0 的阻值使电压表示数为 4V，读出此时电阻箱 R0 的阻值 (2)若在实验步骤 E 中，读出 R0 的阻值为 1450 Ω ，则该电压表的内阻 VR 的测量值为___________ Ω ，由 于系统误差，测量值___________（选填“偏大”或“偏小”）。 (3)为了使测量结果尽可能精确，现有如下两个滑动变阻器，则实验时应选择___________（填 A 或 B） A．R1（最大阻值为 10 Ω ） B．R2（最大阻值为 500 Ω ） 某同学在实验中发现，由于电阻箱 R0 的调节而引起电路电压的变化，为消除电路电压的变化对电压表内 阻测量的影响，手边还有另一只量程为 6V 的电压表 V1，请对图甲电路作些改动，并画出改动后的电路 图__________。 【答案】BACED 2900 偏大 A 【详解】 （1）[1]合理的顺序为： B．将电阻箱 R0 的阻值调到零，并把滑动变阻器的滑片 P 滑到 a 端；A．闭合 开关 S；C．调节滑动变阻器 R 的阻值，使电压表的示数为 6.0V；E．调节电阻箱 R0 的阻值使电压表示 数为 4V，读出此时电阻箱 R0 的阻值；D．断开开关 S，即 BACED。 （2）[2] 由题意可知，电压表与电阻箱串联，电压表示数为 4.0V，则电阻箱 R0 分压为 2.0V，串联电路 特点 0 2 1 VR R  解得 2900ΩVR  [3] 把电阻箱接入电路时，电路总电阻变大，由闭合电路欧姆定律可知，电路电流变小，路端电压变大， 分压电路两端电压变大，当电压表示数为 4.0V 时，电阻箱两端电压大于 6.0V，即 R0 的分压要大一些， 故 VR 的实际值要小一些，实验认为电压表内阻等于电阻箱阻值，由此可知，电压表内阻测量值大于真实 值。 （3）[4]因为该实验采用半偏法测量电压表的内阻，要求电阻箱所在支路电阻变化时，电压近似不变， 则滑动变阻器 R 的最大阻值应远小于电阻箱 R0 的最大阻值，则实验时应选择阻值较小的 A。 [5] 由于电阻箱 R0 的调节而引起电路电压的变化，为消除电路电压的变化对电压表内阻测量的影响，为 了消除此影响，可用量程为 6V 的电压表 V1 测量电阻箱 R0 与待测电压表之间的电压，如图所示 2．有一满偏电流为 150μA 的电流表 G，要用它来改装成电流表和电压表，但电流表 G 内阻未知。现要测 量其内阻 Rg，除待测电流表 G 外，供选用的器材还有： 滑动变阻器 R（阻值范围 0~99999.9Ω） 电阻箱 R′（阻值范围 0~999.9Ω） 电源 E 开关和导线若干 (1)某小组采用的测量电路原理图如图所示，实验步骤如下： ①按电路原理图连接线路； ②将 R 的阻值调到最大，断开开关 S2，闭合开关 S1，调节 R 的阻值，使电流表 G 的指针偏转到满刻度； ③闭合开关 S2，保持 R 不变，调节 R′的阻值，使电流表 G 的指针偏转到满刻度的二分之一的位置； ④记下 R′的阻值； ⑤现读得 R′的阻值为 200.0Ω，则电流表 G 的内阻测量值 R 测=_____Ω（小数点后保留 1 位），与电流表的 内阻真实值 Rg 相比，R 测____Rg（填“＞”“=”或“＜”）； (2)要把 G 表头改装成 0~3V 的电压表，需_____（填“串联”或“并联”）一个大电阻。 【答案】200.0 < 串联 【详解】 (1)[1]由实验原理可知，电流表 G 的指针偏转到满刻度的二分之一的位置即电流表中的电流变为原来的一 半，则电阻箱中的电流与电流表中的电流相等，又因为电流表与电阻箱并联，电压相等，则电流表的内 阻与电阻箱的阻值相等，即为 200.0Ω。 [2]合开关 S2，由于总电阻变小，总电流变大，则电阻箱中的电流大于电流表中的电流，则电阻箱的阻值 小于电流表的内阻，即 R 测”“=” 或“ 变小 【详解】 (1)[1][2]该实验中，滑动变阻器采用了分压式接法，为了操作方便，应选用最大阻值较小的滑动变阻器， 故选择 R3；电路中的定值电阻对电路起保护作用，由于干电池的电动势为 1.5V，如果保护电阻过大，则 实验将无法进行，故定值电阻应选 R4。 (2)[3]根据实验原理可知 0.1 602.0 V 0.3VV V RR ( ＋ ) 解得待测电压表的内阻为 304.0VR   。 (3)[4][5]将开关 S2 断开后，调节电阻箱的阻值，当电压表的示数为原来的 1 3 时，闭合电路的干路电流将 减小，故路端电压增大，从而使滑动变阻器左边并联部分两端电压增大，即当电压表的示数为原来的 1 3 时， 电阻箱两端的电压超过电压表两端电压的 2 倍，导致所测量的电阻偏大，所以待测电压表内阻的测量值 大于真实值；如果仅将待测电压表换成另一个内阻更大的电压表进行测量，则滑动变阻器并联部分两端 电压的变化量变小，故测量值的误差将变小。 30．在测量定值电阻阻值的实验中，提供的实验器材如下：电压表 1V （量程3V ，内阻 1 3.0kΩr  ），电压 表 2V（量程5V ，内阻 2 5.0kΩr  ），滑动变阻器 R（额定电流1.5A ，最大阻值100Ω ），待测定值电阻 xR ， 电源 E（电动势 6.0V ，内阻不计），单刀开关 S，导线若干： 回答下列问题： （I）实验中滑动变阻器应采用________接法（填“限流”或“分压”）； （2）将虚线框中的电路原理图补充完整_____________； （3）根据下表中的实验数据（ 1U 、 2U 分别为电压表 1V ﹑ 2V 的示数），在图（a）给出的坐标纸上补齐 数据点，并绘制 2 1U U 图像__________； 测量次 数 1 2 3 4 5 1 /VU 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 2 /VU 1.61 2.41 3.21 4.02 4.82 （4）由 2 1U U 图像得到待测定值电阻的阻值 xR  ________ Ω （结果保留三位有效数字）； （5）完成上述实验后，若要继续采用该实验原理测定另一个定值电阻 yR （阻值约为 700Ω ）的阻值， 在不额外增加器材的前提下，要求实验精度尽可能高，请在图（b）的虚线框内画出你改进的电路图______。 【答案】分压 31.83 10 【详解】 （1）[1] 电压表 1V 和 xR 串联在和 2V 并联，并联的总电阻远大于滑动变阻器电阻，为了调节变阻器时， 电表示数变化明显，且能或者更多组数据，选择分压接法； （2）[2]完整的电路图，如图所示 （3）[3]根据下表中的实验数据，绘制的 2 1U U 图像，如图所示 （4）[4]根据实验电路图，则有 2 1 1 1 x U UR U r  变形得 1 2 1 1 xR rU Ur  则图线的斜率为 1 1 xR rk r  根据 2 1U U 图像可得斜率 4.82 1.61 1.613.00 1.00k   则有 1 1 1.61 xR r r  代入 1 3.0kΩr  ，解得 31.83 10 ΩxR   （5）[5]因待测电阻 yR （阻值约为 700Ω ）的阻值较小，若仍与电压表 1V 串联，则所分得的电压过小， 不利于测量，故待测电阻 yR 与其中一个电压表并联，由于电源电动势只有 6V，为让待测电阻分得较大 电压，故待测电阻 yR 应与电压表 2V 并联，再与电压表 1V 串联，故改进后的电路图，如图所示 31．用图 1 所示的甲、乙两种方法测量某电源的电动势和内电阻（约为 1Ω）。其中 R 为电阻箱，电流表的 内电阻约为 0.1Ω，电压表的内电阻约为 3kΩ。 （1）利用图 1 中甲图实验电路测电源的电动势 E 和内电阻 r，所测量的实际是图 2 中虚线框所示“等效 电源”的电动势 E 和内电阻 r 。若电流表内电阻用 AR 表示，请你用 E、r 和 RA 表示出 E 、 r ，并简要 说明理由_______。 （2）某同学利用图像分析甲、乙两种方法中由电表内电阻引起的实验误差。在图 3 中，实线是根据实验 数据（图甲：U=IR，图乙： UI R  ）描点作图得到的 U-I 图像；虚线是该电源的路端电压 U 随电流 I 变 化的 U-I 图像（没有电表内电阻影响的理想情况）。 在图 3 中，对应图甲电路分析的 U-I 图像是：__________；对应图乙电路分析的 U-I 图像是：________。 （3）综合上述分析，为了减小由电表内电阻引起的实验误差，本实验应选择图 1 中的______（填“甲” 或“乙”）。 【答案】 E E  ， Ar R ，理由见解析 C A 乙 【详解】 (1)[1]将电源和电流表视为等效电源，电源电动势是电源本身具有的属性，电流表不具有产生电动势的本 领，所以等效电源的电动势仍然为 E E  而电流表的内阻和电动势的内阻作为等效电源的内阻，即 Ar r R   (2)[2]对甲图，考虑电表内阻时，根据闭合电路欧姆定律得 A( )E U Ir U I r R    路 内 变形得 A( )U r R I E    直接通过实验获得数据，可得 U rI E   图像与纵轴截距均为电源电动势 E ，虚线对应的斜率大小为 r ，实线对应的斜率大小为 A( )r R ，所以 对应图甲电路分析的U I 图像是 C； [3]对乙图，考虑电表内阻时（即虚线对应的真实情况），根据闭合电路欧姆定律得 V V ( )U rE U Ir U I r U Ir UR R        路 内 变形得 V V V V R r RU I ER r R r     直接通过实验获得数据，可得 U rI E   虚线对应的斜率大小为 r ，实线对应的斜率大小为 V V R r rR r  ，虚线对应的纵轴截距为 E ，实线对应 的纵轴截距为 V V R E ER r  ；两图线在 0U  时，对应的短路电流均为 EI r 短 ，所以对应图乙电路分 析的U I 图像是 A。 (3)[4]图甲虽然测量的电源电动势准确，但电流表分压较为明显，所以内阻测量的误差很大；图乙虽然电 动势和内阻测量均偏小，但是电压表内阻很大，分流不明显，所以电动势和内阻的测量误差较小，所以 选择图乙可以减小由电表内电阻引起的实验误差。 32．某同学描绘一种电子元件的 I U 关系图象，采用的实验电路图如题图 1 所示，V 为电压表， mA 为电流表，E 为电源（电动势约 6V ），R 为滑动变阻器（最大阻值 20Ω ）， 0R 为定值电阻，S 为开 关。 (1)请用笔画线代替导线，将题图 2 所示的实物电路连接完整____________。 (2)调节滑动变阻器，记录电压表和电流表的示数如下表： 电压 / VU 0.000 0.250 0.500 0.650 0.700 0.725 0.750 电流 / mAI 0.00 0.10 0.25 0.60 1.70 4.30 7.50 请根据表中的数据，在方格纸上作出该元件的 I U 图线____________。 (3)根据作出的 I U 图线可知，该元件是_________（选填“线性”或“非线性”）元件。 (4)在上述测量中，如果用导线代替电路中的定值电阻 0R ，会导致的两个后果是_________。 A．电压和电流的测量误差增大 B．可能因电流过大烧坏待测元件 C．滑动变阻器允许的调节范围变小 D．待测元件两端电压的可调节范围变小 【答案】 非线性元件 BC 【详解】 (1)[1]根据题意连接电路如图 (2)[2]根据表格中数据描点，并用平滑的曲线连接各点如图 (3)[3]根据图像可知该元件是非线性元件。 (4)[4]AB． I U 图线上某点与原点连线的斜率为 1 R ，根据元件的特性可知，当电压超过一定数值时， 电流会急剧增大，所以电阻会急剧减小，若用导线代替 0R ，电流急剧增大，可能会烧坏待测元件，对电 流表和电压表的测量误差无影响，A 错误，B 正确； CD．根据图像可知待测元件的电压范围小于1V ，而电源电动势为 6V ，因为待测元件两端电压非常小， 如果用导线代替 0R ，会导致滑动变阻器的调节范围变得非常小，难以调节，C 正确，D 错误。 故选 BC。 33．某实验小组选用以下器材测定电池组的电动势和内阻，要求测量结果尽量准确。 电压表 （量程 0 ~ 3V ，内阻约为3k ） 电流表 （量程 0 ~ 0.6A ，内阻约为1 ） 滑动变阻器 （ 0 ~ 20 ，额定电流1A ） 待测电池组 （电动势约为3V ，内阻约为1 ） 开关、导线若干 ①该小组连接的实物电路如图所示，经仔细检查，发现电路中有一条导线连接不当，这条导线对应的编 号是________。 ②改正这条导线的连接后开始实验，闭合开关前，滑动变阻器的滑片 P 应置于滑动变阻器的________端 （填“a”或者“b”） ③实验中发现调节滑动变阻器时，电流表读数变化明显但电压表读数变化不明显。为了解决这个问题， 在电池组负极和开关之间串联一个阻值为5的电阻，之后该小组得到了几组电压表读数 U 和对应的电 流表读数 I，并作出U I 图像，如图所示。根据图像可知，电池组的电动势为________V，内阻为 ________ 。（结果均保留两位有效数字） 【答案】5 a 2.9 0.80 【详解】 ①[1]因为电源内阻较小，故对于电源来说应该采用电流表外接法，图中采用的是电流表内接；故导线 5 连接不当，应该从电压表正接线柱接到电流表正接线柱； ②[2]开始实验前应该让滑动变阻器连入电路阻值最大，故应将滑片置于 a 端； ③[3][4]由图线可知图线与纵轴的交点即为电源电动势，故 E=2.9V；图线与横轴的交点为短路电流 I=0.50A，故可得等效内阻为 2.9 Ω=5.80Ω0.5 Er I= = 又因为在开关和电池负极之间接有 5Ω 的电阻，在计算过程中等效为内阻，故电源内阻为 5.80Ω 5Ω=0.80Ωr¢ = - 34．某同学分别用图甲和图乙的电路测量同一节干电池的电动势和内阻。 (1)在答题纸相应的方框中画出图乙的电路图____________； (2)某次测量时电流表和电压表的示数如图所示，则电流 I  _____ A ，电压U  _____ V ； (3)实验得到如图所示的两条直线，图中直线Ⅰ对应电路是图 1_____（选填“甲”或“乙”）； (4)该电池的电动势 E  _____V（保留三位有效数字），内阻 r  _____ Ω （保留两位有效数字）。 【答案】 0.39～0.41 1.29～1.31 乙 1.51～1.54 0.52～ 0.54 【详解】 (1)[1]图乙中，电流表内接和变阻器串联接在电源两端，电压表测路段电压，则图乙对应的电路图为 (2)[2][3]一节干电池的电动势一般约为 1.5V，故电压表量程选择 0~3V，电流表量程选择 0~0.6A，所以量 表的读数分别为 1.30V（1.29～1.31V 均可），0.40A（0.39～0.41A 均可） (3)[4]由闭合电路欧姆定律可得 U E Ir  可得 U-I 图象的纵轴截距为电源电动势，斜率为电源内阻。图甲中电流表外接，则实验测得的电源内阻 A= +r r r测 内 测量值偏大；图乙中电路 = V V rr rr r测 内 内 测量值偏小，但是由于 VR r 真 ，故图乙实验测出的内阻误差更小，故图线Ⅰ对应图乙，图线Ⅱ对应的 图甲。 (4)[5]图线Ⅱ与纵轴的交点为电源的电动势 E=1.52V ； [6]在图线Ⅰ与横轴的交点为短路电流 I=2.86A 由 1.52V 0.532.86A Er I     ，此实验原理无误差。 35．某同学要研究一小灯泡 L（3.6 V，0.30 A）的伏安特性。所用器材有：电流表 A1（量程 200 mA，内阻 Rg1=10.0 Ω），电流表 A2（量程 500 mA，内阻 Rg2=1.0 Ω）、定值电阻 R0（阻值 R0=10.0 Ω）、滑动变阻器 R1（最大阻值 10 Ω）、电源 E（电动势 4.5 V，内阻很小）、开关 S 和若干导线。该同学设计的电路如图（a） 所示。 （1）根据图（a），在图（b）的实物图中画出连线______。 （2）若 I1、I2 分别为流过电流表 A1 和 A2 的电流，利用 I1、I2、Rg1 和 R0 写出：小灯泡两端的电压 U=_______， 流过小灯泡的电流 I=_______。为保证小灯泡的安全，I1 不能超过_______mA。 （3）实验时，调节滑动变阻器，使开关闭合后两电流表的示数为零。逐次改变滑动变阻器滑片位置并读 取相应的 I1 和 I2。所得实验数据在下表中给出。 I1/mA 32 55 85 125 144 173 I2/mA 171 229 299 379 424 470 根据实验数据可算得，当 I1=173 mA 时，灯丝电阻 R=_______Ω（保留 1 位小数）。 （4）如果用另一个电阻替代定值电阻 R0，其他不变，为了能够测量完整的伏安特性曲线，所用电阻的 阻值不能小于_______Ω（保留 1 位小数）。 【答案】 ( )1 1 0gI R R+ 2 1I I 180 11.6 8.0 【详解】 （1）根据电路图连接实物图如图所示 （2）①根据电路图可知灯泡两端的电压为电流表 A1 和 R0 的总电压，故根据欧姆定律有 ( )1 1 0gU I R R= + ②根据并联电路特点可知流过小灯泡的电流为 2 1I I I  ③因为小灯泡的额定电压为 3.6V，故根据题目中已知数据带入①中可知 I1 不能超过 180mA； （3）根据表中数据可知当 I1=173mA 时，I2=470mA；根据前面的分析代入数据可知此时灯泡两端的电压 为 U=3.46V；流过小灯泡的电流为 I=297mA=0.297A；故根据欧姆定律可知此时小灯泡的电阻为 3.46 Ω 11.6Ω0.297 UR I= = = （4）要测量完整的伏安特性曲线则灯泡两端的电压至少要达到 3.6V，而电流表 A1不能超过其量程 200mA， 此时结合①有 ( )03.6 0.2 10 R= ´ + 解得 0 8ΩR  ，即要完整的测量小灯泡伏安特性曲线所用电阻的阻值不能小于8Ω 。 36．某同学用伏安法测量一阻值为几十欧姆的电阻 Rx，所用电压表的内阻为 1 kΩ，电流表内阻为 0.5Ω。该 同学采用两种测量方案，一种是将电压表跨接在图（a）所示电路的 O、P 两点之间，另一种是跨接在 O、 Q 两点之间。测量得到如图（b）所示的两条 U–I 图线，其中 U 与 I 分别为电压表和电流表的示数。 回答下列问题： （1）图（b）中标记为 II 的图线是采用电压表跨接在________（填“O、P”或“O、Q”）两点的方案测 量得到的。 （2）根据所用实验器材和图（b）可判断，由图线________（填“I”或“II”）得到的结果更接近待测电 阻的真实值，结果为________Ω（保留 1 位小数）。 （3）考虑到实验中电表内阻的影响，需对（2）中得到的结果进行修正，修正后待测电阻的阻值为 ________Ω（保留 1 位小数）。 【答案】O 、 P I 50.5 50.0 【详解】 (1)[1]若将电压表接在O 、 P 之间， V U UI R Rx   则 x V x V R RU IR R   根据一次函数关系可知对应斜率为 x V x V R R R R 。 若将电压表接在O 、Q 之间，电流表分压为 A AU IR 根据欧姆定律变形可知 AU IRR I  解得 A( )U I R R  根据一次函数可知对应斜率为 A( )R R ，对比图像的斜率可知 I IIk k 所以 II 图线是采用电压表跨接在O 、 P 之间。 （2）[2]因为待测电阻为几十欧姆的电阻，通过图像斜率大致估算待测电阻为 50Ω 左右，根据 1kΩ 50Ω 50Ω 0.5Ω  说明电流表的分压较小，电流表的分流较大，所以电压表应跨接在O 、Q 之间，所以选择图线 I 得到的 结果较为准确。 [3]根据图像可知 3V 1V 50.5Ω59.6mA 20mAxR   [4]考虑电流表内阻，则修正后的电阻为 x A 50.5Ω 0.5Ω 50.0ΩxR R r      37．（1）小明同学用多用电表测量一未知电阻器的阻值。经过规范操作后，所选欧姆挡倍率及指针位置分 别如图甲、乙所示，则此电阻器的阻值为_____Ω （2）在“测绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中： ①如图丙所示，已经连接了一部分电路，请在答题纸上对应位置将电路连接完整_____。 ②合上开关后，测出 9 组Ⅰ、U 值，在 I U 坐标系中描出各对应点，如图丁所示。请在答题纸对应位 置的图中画出此小灯泡的伏安特性曲线_____。 ③与图丁中 P 点对应的状态，小灯泡灯丝阻值最接近______。 A．16.7Ω B．12.4Ω C．6.2Ω 【答案】1750（1700～1800） C 【详解】 （1）[1]阻值为欧姆表盘读数乘以倍率： 17.5 100Ω 1750Ω  （2）①[2]根据图丁可知电压表选择 0 到 3V 量程即可，数据从 0 开始测量，滑动变阻器采用分压接法： ②[3]用平滑曲线画出伏安特性曲线： ③[4]根据图像结合欧姆定律： 1.40V 6.09Ω0.23AR   所以 C 选项的电阻较为接近。