高中物理电学实验创新实验题
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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2 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。
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)根据实验写出测量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：___________________________________________________。
[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3 阻Rx＝UI＝I2R2＋RA2I1－I2，I1、I2分别为电流表A1、A2的读数。
[答案] (1)ABD (2)见解析图
(3)I2R2＋RA2I1－I2 I1、I2分别为电流表A1、A2的读数
考查点(三) 测量电源电动势、内阻与小灯泡伏安特性曲线的组合考查
[例3] (2018届高三·南昌五校联考)用下列器材组装成一个电路，既能测量出电池组的电动势E和内阻r，又能同时描绘小灯泡的伏安特性曲线。
A．电压表V1(量程6 V，内阻很大)
B．电压表V2(量程4 V，内阻很大)
C．电流表A(量程3 A，内阻很小)
D．滑动变阻器R(最大阻值10 Ω，额定电流4 A)
E．小灯泡(2 A,7 W)
F．电池组(电动势E，内阻r)
G．开关一只，导线若干
实验时，调节滑动变阻器的阻值，多次测量后发现：若电压表V1的示数增大，则电压表V2的示数减小。
(1)请将设计的实验电路图在图甲中补充完整。
(2)每一次操作后，同时记录电流表A、电压表V1和电压表V2的示数，组成两个坐标点3.55.5I，U1、(I，U2)，标到U-I坐标系中，经过多次测量，最后描绘出两条图线，如图乙所示，则电池组的电动势E＝__________V，内阻r＝________Ω。(结果保留两位有效数字)
(3)在U-I坐标中两条图线在P点相交，此时滑动变阻器连入电路的阻值应为______Ω，电池组的效率为______。
[解析] (1)伏安法测电源电动势与内阻实验中，电压表测路端电压，电压表示数随滑动变阻器接入电路阻值的增大而增大；描绘小灯泡伏安特性曲线实验中，电流表测流过小灯泡的电流，小灯泡两端电压随滑动变阻器接入电路电阻的增大而减小；由题意知，电压表V1的示数增大，电压表V2的示数减小，则V1测路端电压，V2测小灯泡4
两端电压，电路图如图所示。
(2)电池组的U-I图像是一条倾斜的直线，由图像可知，电池组电动势E＝5.5 V，电源内阻r＝ΔUΔI＝5.5－2.03.5 Ω＝1.0 Ω。
(3)由题图乙所示图像可知，两图线的交点纵坐标即小灯泡电压UL＝3.5 V，此时电路电流I＝2.0 A，电池组电动势E＝Ir＋UL＋IR滑，即5.5 V＝2.0 A×1 Ω＋3.5 V＋2.0 A×R滑，则R滑＝0；电池组的效率η＝P出P总＝UIEI＝ULE＝3.55.5≈64%。
[答案] (1)见解析图 (2)5.5 1.0 (3)0 64%
[通法点拨]
高考试题中出现的电学创新实验，大都是在教材常规实验的基础上，进行重组、包装、拓展、创新，它们源于教材，但高于教材，解决这类创新实验时，应注意以下三点：
(1)无论哪个电学实验，也不管怎么创新都离不开电路，离不开实验仪器的选取，电流表内、外接法的判断，滑动变阻器的分压电路与限流电路的分析。
(2)在解决设计型实验时，要注意条件的充分利用，如对于给定确切阻值的电压表和电流表，电压表可当作电流表使用，电流表也可当作电压表使用，利用这一特点，可以拓展伏安法测电阻的方法，如伏伏法、安安法等。
(3)对一些特殊电阻的测量，如电流表或电压表内阻的测量，电路设计有其特殊性，即首先要注意到其自身量程对电路的影响，其次要充分利用其“自报电流或自报电压”的功能。因此，在测电压表内阻时，无须另并联电压表；测电流表内阻时，无须再串联电流表。
