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高二物理辅优专题专题十：电学实验的拓展与创新创新性实验试题从解题要求来看，可分为两类：一类根据课本中已经出现过的物理实验的基本原理，所使用的基本材料，以及在这些实验中学过的有关方法，设计一些新的实验问题，让学生按照实验设计方案及要求，完成实验有关内容；另一类是提供有关的实验器材以及实验要求，让学生根据有关知识以及在实验中学过的方法，自己设计实验方案，并完成实验。
1．电阻测量的新理念【例1】在某校开展的科技活动中，为了要测出一个未知电阻的阻值R x ，现有如下器材：读数不准的电流表A 、定值电阻R 0、电阻箱R 1、滑动变阻器R 2、单刀单掷开关S 1、单刀双掷开关S 2、电源和导线。
⑴画出实验电路图，并在图上标出你所选用器材的代码。
⑵写出主要的实验操作步骤。
2.电源电动势和内阻测量的变式【例2】测量电源B 的电动势E 及内阻r （E 约为4.5 V ，r 约为1.5Ω）。
可选用的器材如下：量程3 V 的理想电压表V ； 量程0.5 A 的电流表（有一定内阻）；固定电阻R=4Ω；滑线变阻器R ＇； 电键K ； 导线若干。
（1）画出实验原理电路图，图中各元件需用题目给出的符号或字母标出。
（2）实验中，当电流表的读数为I1时，电压表的读数为U1；当电流表的读数为I2时，电压表的读数为U2，则可求出E=________；r=________。
（用I1，I2，U1，U2及R 表示）。
【练习2】 在测定一节干电池的电动势和内电阻的实验中，备有下列器材：①干电池（电动势E 约为1.5V ，内电阻r 约为1.0Ω）；②电流表G （满偏电流3.0mA ，内阻R g =10Ω）；③电流表A （量程0～0.6A ，内阻约为0.5Ω）；④滑动变阻器R （0～20Ω，10A ）； ⑤滑动变阻器()R A '~01001Ω，； ⑥定值电阻R 3990=Ω；⑦开关和导线若干． （1）为了能准确地进行测量，也为了操作方便，实验中应选用的滑动变阻器是__________．（填写数字代号）（2）请画出实验原理图．【练习3】某同学在实验室测定一节干电池的电动势和内阻，实验室中有如下器材：A ．待测干电池B ．电流表G （0~3mA ，内电阻r 1=20Ω）C ．电流表A （0~0.6A ，内电阻r 2=0.20）D ．滑动变阻器甲（最大阻值10Ω）E ．滑动变阻器乙（最大阻值100Ω）F ．定值电阻R 1=100ΩG ．定值电阻R 2=500Ω H ．定值电阻R 3=1.5k Ω 开关、导线。
考查点(一)研究灯丝泡在水中时的伏安特性曲线[例1]某实验小组为了研究小灯泡的伏安特性曲线，先按照图甲所示的电路图连接电路，实验过程中操作规范，测量准确，得到一系列数据，如图乙中的散点。
该实验小组对实验进行了改进，如图丙所示，将小灯泡L的玻璃罩敲碎，灯丝保存完好，仍然置于灯座上，取一个大小合适的玻璃杯，将灯座倒扣在杯沿上，在玻璃杯里慢慢加水，使得突出的灯丝刚好完全没入水中，电路的其余部分均不接触水，再将该灯座依然接入图甲中小灯泡L处，这样接通电路以后，灯丝不至于热到发光，温度可以基本控制在25 ℃。
实验过程中操作规范，测量准确，得到一组数据，如图丁中的一组散点。
已知水的电阻远大于灯丝的电阻。
(1)请在图乙上描绘小灯泡的伏安特性曲线K1；曲线K1表明，随着电压升高，小灯泡的电阻____________(填“越来越小”“基本不变”或“越来越大”)。
(2)请在图丁上描绘小灯泡灯丝的伏安特性曲线K2；曲线K2表明，随着电压升高，水中灯丝电阻____________(填“越来越小”“基本不变”或“越来越大”)。
(3)对比两次实验表明，在同样的电压值下，曲线K1的电流值基本都远远小于曲线K2的电流值，其原因是__________________________________________________________。
[解析](1)用平滑的曲线将各点相连，如图1所示；因I-U图像中图像的斜率表示电阻的倒数，故由图1可知，电阻越来越大。
(2)同理作出图像如图2所示，由图2可知，电阻基本保持不变。
(3)由两I-U图像可知，在同样的电压下，曲线K1的电流值基本都远小于曲线K2的电流值，即曲线K1的电阻值明显大于曲线K2对应的电阻值，原因是描绘曲线K2时灯丝保持恒温，而描绘曲线K1时灯丝的温度高于描绘曲线K2时灯丝的温度，而金属导体的电阻随温度的升高而增大。
[答案](1)如解析图1所示越来越大(2)如解析图2所示基本不变(3)描绘曲线K2时灯丝保持恒温，而描绘曲线K1时灯丝的温度发生变化，且一直高于描绘曲线K2时灯丝的温度考查点(二)测量LED灯正常工作时的电阻[例2](2017·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。
电学实验及创新考点1| 电学常规实验电学常用仪器的读数和使用1．电流表和电压表量程精确度读数规则电流表0～3 A0.1 A与刻度尺一样，采用110估读，读数规则较简单，只需要精确值后加一估读数即可电压表0～3 V0.1 V电流表0～0.6 A0.02 A估读位与最小刻度在同一位，采用12估读电压表0～15 V0.5 V估读位与最小刻度在同一位，采用15估读(1)电流的流向电流从电表的“＋”插孔(红表笔)流入，从“－”插孔(黑表笔)流出，即“红进黑出”。
(2)“机械零点”与“欧姆零点”“机械零点”在表盘刻度左侧“0”位置，调整的是表盘下边中间的定位螺丝；“欧姆零点”在表盘刻度的右侧电阻刻度“0”位置，调整的是欧姆挡的调零旋钮。
(3)欧姆表使用注意事项①选挡接着调零；②换挡重新调零；③待测电阻与电路、电源断开；④尽量使指针指在表盘中间位置附近；⑤读数之后要乘以倍率得阻值；⑥用完后，选择开关要置于“OFF”挡或交流电压最高挡。
(4)多用电表读数①利用欧姆挡测电阻时，电阻的阻值等于指针的示数与倍率的乘积。
指针示数的读数一般不估读，有时也向后估读一位，但很不精确。
(一般还是按照电压表、电流表读数原则掌握)②测电压和电流时，如果所读表盘的最小刻度为1、0.1、0.001等，读数时应读到最小刻度的下一位，若表盘的最小刻度为0.2、0.02、0.5、0.05等，读数时只读到与最小刻度位数相同即可。
[典例1](2019·山东青岛三模)如图甲是多用电表的简化电路图，电流计满偏电流为0.5 mA、内阻为20 Ω；电池电动势为1.5 V、内阻可忽略；电阻R1阻值为20 Ω，R3阻值为24 990 Ω。
甲乙(1)A插孔应接________表笔(选填“红”或“黑”)。
(2)若指针指在图乙中所示位置，选择开关接1时，其读数为________；选择开关接3时，其读数为________。
(3)测量电阻时，需先进行欧姆调零，此时应将R2的阻值调整为________ Ω。
实验技能与创新电学实验与创新题型总结一．导体电阻率的测量1．（2024•温州二模）滑动变阻器由陶瓷筒和密绕在其上的螺线管状电阻丝组成。
现为了测定某一滑动变阻器电阻丝的电阻率。
实验器材有：两节干电池（电动势为3V ，内阻为r ），电流表（量程为0.6A ，内阻为0.8Ω），电阻箱R （0～999.9Ω），待测滑动变阻器（总匝数120匝，匝数清晰可数），开关及导线若干。
器材按图1连接，将滑动变阻器滑片移至最右端，闭合开关，调节电阻箱至合适阻值并保持不变，移动待测滑动变阻器的滑片，多次记录该滑动变阻器接入电路的匝数n 和相应电流表的读数I 。
作出图像，如图2所示。
（1）用螺旋测微器测量滑动变阻器电阻丝的直径如图3所示，电阻丝直径d ＝mm ；（2）某次测量时，电流表指针位置如图4所示，读数I ＝A ； （3）已知待测变阻器螺线管的直径D ＝3.15cm ，则待测变阻器电阻丝电阻率为Ω•m （结果保留2位有效数字）；（4）若已知实验中电阻箱接入电路中的电阻为4.0Ω，则两节干电池串联的总内阻r ＝Ω（结果保留2位有效数字）； （5）实验中所用的电源因长时间使用，内阻增大，则测得的电阻率 （选填“偏大”、“偏小”或“不变”）。
变式练习：2．（2024•宁波模拟）某同学买了一卷铜导线，想在不拆散导线卷情况下，测定带卷铜导线的长度。
（1）该同学剥去导线末端的少许绝缘皮，用螺旋测微器测铜导线直径，如图（a）所示，该铜导线直径为电学实验与创新题型总结--2024高考二轮复习mm。
（2）该同学找来实验器材来测量该卷铜导线的总电阻Rₓ，电路图如图（b），其中R1＝0.6Ω，R2＝100Ω，G 为灵敏电流计，R3为电阻箱，电路其余部分电阻均不计。
①开关闭合前，滑动变阻器滑片应置于端（填“A”或“B”）；②闭合开关并移动变阻器滑片，发现电流计有示数。
调节电阻箱，使电流计指针稳定指向中央零刻度线，此时电阻箱阻值如图（c），则该卷铜导线的电阻为Ω；③已知铜导线的电阻率为1.78×10﹣8Ω⋅m，该同学测得导线的实际长度为m（π取3.14，保留一位小数）。
1-7-15 电学实验与创新课时强化训练1．(2018·天津理综)某同学用伏安法测定待测电阻R x的阻值(约为10 kΩ)，除了R x、开关S、导线外，还有下列器材供选用：A．电压表(量程0～1 V，内阻约10 kΩ)B．电压表(量程0～10 V，内阻约100 kΩ)C．电流表(量程0～1 mA，内阻约30 Ω)D．电流表(量程0～0.6 A，内阻约0.05 Ω)E．电源(电动势1.5 V，额定电流0.5 A，内阻不计)F．电源(电动势12 V，额定电流2 A，内阻不计)G．滑动变阻器R0(阻值范围0～10 Ω，额定电流2 A)(1)为使测量尽量准确，电压表选用__________，电流表选用__________，电源选用________。
(均填器材的字母代号)(2)画出测量R x阻值的实验电路图。
(3)该同学选择器材、连接电路和操作均正确，从实验原理上看，待测电阻测量值会__________其真实值(填“大于”、“小于”或“等于”)，原因是________________________________。
[解析]本题考查伏安法测电阻。
(1)由于R x的阻值约为10 kΩ，电压表内阻应远大于10 kΩ，故电压表应选B；电路电流最大值约为1 mA，故电流表应选C；电源应选F。
(2)因R x>RARV，属于大电阻，故电流表采用内接法，而滑动变阻器R0的阻值小于R x，则滑动变阻器R0采用分压式接法，如答案图所示。
(3)由于电压表的读数为电阻R x和电流表内阻的分压和，而电流表的读数是流过R x的实际电流，故待测电阻测量值会大于其真实值。
[答案] (1)B C F(2)如图所示(3)大于电压表的读数大于待测电阻两端实际电压(其他正确表述也可)[知识拓展] 若滑动变阻器的阻值小于被测电阻值，为减小误差，滑动变阻器采用分压式接法。
2．(2018·山东菏泽一模)某同学设计如图所示的电路测电源的电动势和内阻，图中两个电流表相同，定值电阻阻值为R0。
限时规范训练(十五)电学实验与创新建议用时45分钟，实际用时________1．图甲为多用电表的示意图，现用它测量一个阻值约为20 Ω的电阻，测量步骤如下：(1)调节________，使电表指针对准________(填“电阻”或“电流”)的“0”刻线．(2)将选择开关旋转到“Ω”挡的________位置(填“×1”“×10”“×100”或“×1 k”)．(3)将红、黑表笔分别插入“＋”“－”插孔，并将两表笔短接，调节________，使电表指针对准________(填“电阻”或“电流”)的“0”刻线．(4)将红、黑表笔分别与待测电阻两端相接触，若电表读数如图乙所示，该电阻的阻值为________Ω.(5)测量完毕，将选择开关旋转到“OFF”位置．解析：(1)将选择开关拨到欧姆挡前，先要进行机械调零．方法是调节机械定位螺丝，使电表指针指在电流等于零的刻线位置．(2)用多用电表测20 Ω的电阻时，要把选择开关旋转到“Ω”挡“×1”的位置．(3)将红、黑表笔短接，进行欧姆调零．调节欧姆调零旋钮，使指针指在“Ω”挡的零刻线上．(4)由乙图读出该电阻的阻值为19.0 Ω.答案：(1)定位螺丝电流(2)×1(3)欧姆调零旋钮电阻(4)19.02．(2020·湖南五校联考)如图甲所示是一种测量电容器电容的实验电路图，实验是通过对高阻值电阻放电的方法，测出电容器充电至电压为U 时所带电荷量Q ，从而求出待测电容器的电容C .某同学在一次实验时的情况如下：A ．按图甲所示的电路图连接好电路；B ．闭合开关S ，调节电阻箱R 的阻值，使电流表的指针偏转接近满刻度，记下此时电流表的示数是I 0＝490 μA ，电压表的示数U 0＝8.0 V ；C ．断开开关S ，同时开始计时，每隔5 s 测量一次电流i 的值，将测得的数据填入表格，并标在图乙的坐标纸上(时间t 为横坐标，电流i 为纵坐标)，如图乙中小黑点所示．(1)在图乙中作出i -t 图线；(2)图乙中图线与坐标轴所围面积的物理意义是________________________；(3)该电容器的电容为________F(结果保留两位有效数字)；(4)若某同学实验时把电压表接在F 、D 两端，则电容的测量值比它的真实值________(选填“偏大”“偏小”或“相等”)．解析：(1)用平滑的曲线连接各点，作出的图线如图所示．(2)由ΔQ ＝I Δt 知，i -t 图线与坐标轴所围的面积表示电荷量，即电容器开始放电时所带电荷量．(3)算出格子数，可得i -t 图象与坐标轴所围的面积Q ＝8.0×10－3 C ，则C ＝Q U ＝Q U 0＝8×10－38.0F ＝1.0×10－3 F. (4)若把电压表接在F 、D 两端，则电容器放电时，有一部分电荷量会从电压表中流过，使得通过电流表的电荷量小于电容器带的电荷量，从而使电容的测量值比它的真实值偏小．答案：(1)见解析图 (2)电容器所带电荷量(3)1.0×10－3(4)偏小3．(2020·湖北四地七校联考)在测定两节干电池的电动势和内阻的实验中，某同学用到的器材有一个电压表，一个电阻箱，一个定值电阻(R0＝15 Ω)，一个开关S，两节干电池，若干导线，其实验原理图如图甲所示．(1)在图乙的实物图中，部分电路已正确连接，请用笔画线代替导线将余下部分电路连接好．(2)改变电阻箱的阻值R，用电压表(量程0～1.5 V)测出定值电阻两端的电压U.下列三组电阻箱阻值R的调节范围方案中，比较合理的方案是________．A．15～75 ΩB．150～750 ΩC．1 500～7 500 Ω(3)开关S断开，调节电阻箱，读出其阻值R1，开关S闭合，读出电压表的示数U1；如此反复实验，测得多组正确的数据R2和U2，R3和U3，……使用测得的数据，在坐标纸上作出电压表示数的倒数1U与电阻箱的阻值R的关系图线如图丙所示，结合图线计算出两节干电池的电动势E＝________，内阻r＝________.(结果用a、b和R0表示)丙(4)用这个方法测得的内阻和真实值相比________(选填“偏大”“相等”或“偏小”)．解析：(1)如图所示．(2)根据欧姆定律，电路中的最大电流约为I max＝1.5 VR0＝0.1 A，所以电路中的最小电阻约为R min＝EI max ＝30.1Ω＝30 Ω，电压表的偏转角度一般大于量程的三分之一，故电路中的最大电阻约为R max ＝E I min ＝E 13I max ＝90 Ω，所以电阻箱的最大阻值约为(90－15) Ω＝75 Ω，最小阻值等于定值电阻的阻值，所以合理的方案是A.(3)根据闭合电路欧姆定律有I ＝E R 0＋R ＋r，I ＝U R 0，得1U ＝1ER 0R ＋R 0＋r ER 0，结合题图丙有1ER 0＝b a ，R 0＋r ER 0＝b ，解得E ＝a bR 0，r ＝a －R 0. (4)利用欧姆定律求出的电流只是R 0中的电流，由于电压表的分流作用，所以内阻的测量值偏小．答案：(1)见解析图 (2)A (3)a bR 0a －R 0 (4)偏小 4．(2020·山东日照上学期期末)电阻温度计是根据导体电阻随温度而变化的规律来测量温度的．铂电阻温度计是最精确的温度计，因为铂的化学惰性，成为－272.5 ℃至961.78 ℃范围内的首选材料，其电阻与温度成一次函数关系．某实验小组利用如图甲所示的电路探究铂金属的温度特性．所用器材有：铂金丝R Pt ；电源；电流表；滑动变阻器R 1；电阻箱R 2；单刀开关S 1，单刀双掷开关S 2.实验步骤如下：①按电路图甲，连好实物图乙；②将R Pt 置于冰水混合物中，开关S 2与1接通，闭合S 1，调节R 1的滑片位置，使电流表的读数为I 0；③保持R 1的滑片位置不变，将R 2置于最大值，开关S 2与2接通，调节R 2，使电流表的读数仍为I 0；④断开S 2，记下此时R 2的读数100.0 Ω；⑤再将R Pt置于标准大气压下沸水中，重复上述过程，此时R2的读数为138.5 Ω.回答下列问题：(1)在图乙中，将实物连线补充完整；(2)闭合S1前，图乙中R1的滑片应移动到________(填“a”或“b”)端；(3)在图坐标纸上作出R Pt-t图线；(4)当测得R2的阻值为247.09 Ω时，R Pt处在________ ℃的环境中(保留到个位数)；(5)实验后，小明用螺旋测微器测得铂金丝的直径如图丙所示，则铂金丝的直径为________ mm.解析：(1)按电路图连接实物图如图所示．(2)为了保护用电器，闭合开关前应将滑动变阻器的最大电阻接入电路中，即闭合S1前，题图乙中R1的滑片应移动到a端．(3)将R Pt置于冰水(0 ℃)混合物中，R Pt的电阻为100 Ω，将R Pt置于标准大气压下沸水(100 ℃)中，R Pt的电阻为138.5 Ω，其电阻与温度成一次函数关系，所以R Pt-t图线如图所示．(4)由图象可得，电阻与温度间的关系为：R Pt ＝100＋138.5－100100t ＝100＋0.385t 当测得R 2的阻值为247.09 Ω时，即R Pt 的电阻为247.09 Ω，代入解得：t ≈382 ℃.(5)螺旋测微器的读数：0.5 mm ＋20.6×0.01 mm ＝0.706 mm.答案：(1)见解析图 (2)a (3)见解析图 (4)382(5)0.706(0.704～0.708均可)5．(2020·宁夏银川一中高三下学期第一次模拟考试)一根均匀的细长空心金属圆管，其横截面如图甲所示，长度为L ，电阻R 约为5 Ω，这种金属的电阻率为ρ，因管线内径太小无法直接测量，某同学设计下列实验方案尽可能精确测定它的内径d ；(1)用螺旋测微器测量金属管线外径D ，图乙为螺旋测微器校零时的示数，用该螺旋测微器测量的管线外径读数为5.200 mm ，则所测金属管线外径D ＝_______mm.(2)为测量金属管线的电阻R ，取两节干电池(内阻不计)、开关和若干导线及下列器材：A ．电流表0～0.6 A ，内阻约0.05 ΩB ．电流表0～3 A ，内阻约0.01 ΩC ．电压表0～3 V ，内阻约10 kΩD ．电压表0～15 V ，内阻约50 kΩE ．滑动变阻器，0～10 Ω(额定电流为0.6 A)F ．滑动变阻器，0～100 Ω(额定电流为0.3 A)为准确测出金属管线阻值，电流表应选________，电压表应选______，滑动变阻器应选________．(填序号)(3)如图丙所示，请按实验要求用笔代线将实物图中的连线补充完整．(4)根据已知的物理量(长度L 、电阻率ρ)和实验中测量的物理量(电压表读数U 、电流表读数I 、金属管线外径D )，则金属管线内径表达式d ＝______________.解析：(1)螺旋测微器校零时的示数3.3×0.01 mm ＝0.033 mm螺旋测微器测量的管线外径读数为5.200 mm ，则所测金属管线外径D ＝5.200－0.033 mm＝5.167 mm.(2)两节新的干电池电动势为3 V ，因此电压表选择3 V 的量程，即为C ；因为电路中最大电流大约为I m ＝E R ＝35 A ＝0.6 A ，为了测量的精确，电流表应选择A ；滑动变阻器采用限流式接法，因为待测电阻较小，所以滑动变阻器选择E.(3)由于待测电阻的平方小于电压表与电流表内阻的乘积，属于小电阻，所以电流表采用外接法，滑动变阻器最大阻值大于被测电阻阻值，可采用限流接法，实物电路图如图所示．(4)该实验需要测量空心金属管的内径，通过欧姆定律测出电阻的大小，结合电阻定律测出横截面积，从而根据外径求出内径的大小．故所需测量的物理量为金属管的长度L 、金属管的外径D 、加在管两端的电压U 、通过管的电流强度I .据欧姆定律得，R ＝U I ，又R ＝ρL S，则S ＝ρLI U，因为S ＝π⎝⎛⎭⎫D 22－π⎝⎛⎭⎫d 22，解得：d ＝ D 2－4ρIL πU. 答案：(1)5.167 (2)A C E (3)见解析图(4) D 2－4ρIL πU 6．(2020·福建厦门市第一次质量检测)举世瞩目的嫦娥四号，其能源供给方式实现了新的科技突破：它采用同位素温差发电与热电综合利用技术结合的方式供能，也就是用航天器两面太阳翼收集的太阳能和月球车上的同位素热源两种能源供给探测器．图甲中探测器两侧张开的是光伏发电板，光伏发电板在外太空将光能转化为电能．某同学利用图乙所示电路探究某光伏电池的路端电压U 与电流I 的关系，图中定值电阻R 0＝5 Ω，设相同光照强度下光伏电池的电动势不变，电压表、电流表均可视为理想电表．(1)实验一：用一定强度的光照射该电池，闭合开关S ，调节滑动变阻器R 的阻值，通过测量得到该电池的U -I 曲线a (如图丁)．由此可知，该电源内阻是否为常数________(填“是”或“否”)，某时刻电压表示数如图丙所示，读数为________V ，由图象可知，此时电源内阻为________Ω.实验二：减小实验一光照的强度，重复实验，测得U -I 曲线b (如图丁)．(2)在实验一中当滑动变阻器的电阻为某值时路端电压为2.5 V ，则在实验二中滑动变阻器仍为该值时，滑动变阻器消耗的电功率为________W(计算结果保留两位有效数字)．解析：(1)由U -I 图象可知，因图象的斜率等于电源的内阻，可知电源内阻不是常数；电压表的量程为3.00 V ，则读数为1.50 V ；由题图丁中读出，此时电路中的电流为250 mA ，因电源的电动势为E ＝2.90 V ，可得此时电源的内阻r ＝E －U I ＝2.90－1.500.25Ω＝5.6 Ω. (2)在实验一中当滑动变阻器的电阻为某值时路端电压为2.5 V ，可得此时的电流为100mA ，则滑动变阻器的阻值为：R ＝U I －R 0＝2.50.1Ω－5 Ω＝20 Ω；则在实验二中滑动变阻器仍为该值时，此时外电路电阻为R 外＝R ＋R 0＝25 Ω，将此电阻的U -I 图线画在此电源的U -I 图象中，如图：直线与b 的交点为实验二中R ＝20 Ω时电路的工作点，此时I ＝60 mA ，则滑动变阻器消耗的电功率为P ＝I 2R ＝0.062×20 W ＝7.2×10－2 W.答案：(1)否 1.50 5.6(5.5～5.7均算正确)(2)7.2×10－2(7.0×10－2～7.4×10－2均算正确)。
