高中物理高考 专题强化十二 实验器材选取与电路设计

专题强化十二专题强化十二 实验器材选取与电路设计实验器材选取与电路设计 命题点一命题点一 测量电路与控制电路的选择测量电路与控制电路的选择 1.电压表和电流表的内、外接法(1)两种接法比较 内接法 外接法 电路图 误差原因 电流表分压 U测UxUA 电压表分流 I测IxIV 电阻测量值 R测U测I测RxRARx 测量值大于真实值 R测U测I测RxRVRxRVRx 测量值小于真实值 适用条件 RARx RVRx 适用于测量 大阻值电阻 小阻值电阻(2)两种电路的选择 阻值比较法：先将待测电阻的估计值与电压表、电流表内阻进行比较，若 Rx较小，宜采用电流表外接法；若 Rx较大，宜采用电流表内接法。简单概括为“大内偏大，小外偏小”。临界值计算法：Rx RVRA时，用电流表外接法；Rx RVRA时，用电流表内接法。实验试触法：按图 1 所示接好电路，让连接电压表的导线 P 先后与 a、b 处接触一下，如果电压表的示数有较大的变化，而电流表的示数变化不大，说明电流表分压更明显，则可采用电流表外接法；如果电流表的示数有较大的变化，而电压表的示数变化不大，说明电压表分流更明显，则可采用电流表内接法。图 1 2.滑动变阻器两种连接方式(1)滑动变阻器两种接法的对比 限流接法 分压接法 对比说明 电路图 串、并联关系不同 负载 R 上电压调节范围(不计电源内阻)RERR0UE 0UE 分压电路调节范围大 负载 R 上电流调节范围(不计电源内阻)ERR0IER 0IER 分压电路调节范围大 闭合 S 前滑片位置 b 端 a 端 都是为保护电路元件(2)滑动变阻器必须接成分压电路的几种情况：要求电压表能从零开始读数。当待测电阻 RxR(滑动变阻器的最大阻值)时。若采用限流式接法，电路中的最小电流仍超过电路中电表、电阻允许的最大电流。(3)滑动变阻器的最大阻值和用电器的阻值差不多且要求电压不从零开始变化，通常情况下，由于限流式结构简单、耗能少，优先使用限流式。【例 1】(2020 北京市第 13 中学开学测试)在设计“伏安法测小灯泡的电阻”实验电路时，要思考以下两个问题：(1)电流表内接还是外接？如图 2 所示，某同学采用试接的方法，让电压表的一端接在 A 点，另一端先后接到 B 点和 C 点。他发现电压表示数有明显变化，而电流表示数无明显变化，说明小灯泡的阻值与_(填写“电流表”或“电压表”)的阻值接近，应选择电流表_(填写“内接”或“外接”)的电路。图 2(2)如何选择滑动变阻器？图 3 有三种规格的滑动变阻器，它们的最大阻值分别是 R120，R2200，R31 750。将它们分别接入图 3 所示电路。保持 M、N 间电压恒定，从左向右移动滑片 P，研究小灯泡两端的电压 U 与滑片的滑动距离 L(滑片从左向右滑动的最大距离为 L0)的关系，如图 4 所示中“”为根据实验数据描出的点，请你结合如图 4所示判断该实验中选择哪一种规格的滑动变阻器最合适_，并简要说明理由。图 4 答案(1)电流表 外接(2)R1 理由见解析 解析(1)如图 2 所示，让电压表的一端接在 A 点，另一端先后接到 B 点和 C 点，观察两次电表的示数变化，电压表示数有明显变化，而电流表示数无明显变化，说明小灯泡 的阻值与电流表的阻值接近，为减小实验误差，应选择电流表外接的电路。(2)由图示图线可知，移动相等长度图甲所示图线电压变化范围小，方便实验操作，另外两图线电压变化范围大，不方便操作，因此应选择电阻 R1。【变式 1】(2020 北京市第二次合格性考试)图 5 为某同学用电流表和电压表测量电阻的部分实验电路图。在某次测量中，电压表的示数为 12.0 V 时，电流表的示数为 0.30 A，根据测量数据可计算出电阻 R_。由于电表内阻的影响，电阻 R 的测量值_(选填“大于”或“小于”)真实值。图 5 答案 40 大于 解析 在该电路中，由欧姆定律可得 RUI12.00.30 40，考虑电表的内阻，电流表有分压作用，故 R 两端电压偏大，电阻 R 的测量值偏大。命题点二命题点二 电阻测量的电阻测量的“三种三种”方法方法 方法一“伏安法”测电阻 1.电路图外接法内接法 2.特点：大内小外(内接法测量值偏大，测大电阻时应用内接法测量，外接法测量值偏小，测小电阻时应采用外接法测量)。【例 2】(2020 山东省等级考试第二次模拟卷)某同学先后用多用电表和伏安法测量一个未知电阻 Rx的阻值。(1)该同学选用倍率为“100”的电阻挡时，指针位置如图 6 甲所示；他应选用倍率为_(填“1”或“10”)的电阻挡再次测量，当其选择合适的倍率后，指针位置如图乙所示，则所测电阻的阻值为_；图 6(2)为更精确测量其阻值，该同学采用了伏安法。实验室备有下列实验器材：A.电压表 V1(量程 3 V，内阻约为 15 k)；B.电压表 V2(量程 15 V，内阻约为 75 k)；C.电流表 A1(量程 250 mA，内阻约为 0.2)；D.电流表 A2(量程 50 mA，内阻约为 1)；E.滑动变阻器 R(最大阻值 150)；F.电池组 E(电动势为 3 V，内阻不计)；G.开关 S，导线若干。为减小实验误差，电压表应选用_，电流表应选用_(填器材前面的序号)，实验电路应选_(填“图丙”或“图丁”)。若该同学选择器材、连接电路等操作均正确，则电阻的测量值_(填“大于”“小于”或“等于”)其真实值，原因是_。答案(1)10 70(2)A D 图丁 小于 电压表分流 解析(1)选用倍率为“100”的电阻挡测量，指针偏角太大，说明所选挡位太大，要较准确的测量该电阻的阻值，应选择“10”电阻挡，重新进行欧姆调零，然后再测电阻；按正常顺序操作后，指针的位置如图中乙，则该电阻的阻值为710 70。(2)电源电动势是 3 V，电压表应选 A，通过待测电阻的最大电流约为 I370 A42.9 mA 电流表选 D 由于RxRA701RvRx1510370214 说明待测电阻较小，则电流表用外接法，即实验电路应选图丁，电流表外接法中，电压表测量的是电阻两端的真实电压，由于电压表的分流作用使电流表的示数大于流过待测电阻的电流，据此可知，电阻的测量值小于其真实值，主要原因为电压表的分流作用。【变式 2】2020 天津市等级考模拟(四)用伏安法测定一个待测电阻 Rx的阻值(阻值约为 200)，实验室提供如下器材：电池组 E：电动势 3 V，内阻不计 电流表 A1：量程 010 mA，内阻约为 40 60 电流表 A2：量程 0500 A，内阻为 1 k 滑动变阻器 R1：阻值范围 020，额定电流 2 A 电阻箱 R2：阻值范围 09 999，额定电流 1 A 开关 S、导线若干 要求实验中应尽可能准确的测量 Rx的阻值，请回答下面问题：(1)上述器材中缺少电压表，需选一只电流表将它改装成电压表进行测量，请在方框中画出测量 Rx阻值的电路图，并在图中标明器材代号；图 7(2)实验中将电阻箱 R2的阻值调到 4 000，再调节滑动变阻器 R1，两表的示数如图 7 所示，可读出电流表 A1的示数是_ mA，电流表 A2的示数是_ A，测得待测电阻 Rx的阻值是_。答案(1)见解析图(2)6.4 240 195 解析(1)因为电流表 A2的额定电流太小，不能作为电流表单独使用，又它的内阻为定值，定值电阻 R2与电流表 A2内阻接近，可将 A2与 R2串联，改装成一个量程为 3 V 的电压表。由 UIg2(Rg2R)，RUIg2Rg23500106 1 000 5 000，改装后电压表的内阻 RVUIg26 000，因为RVRxRxRA，故电流表采用外接法。滑动变阻器的阻值远小于待测电阻，采用限流时，电压的调节范围太小，故变阻器应采用分压式接法，电路图如图所示。(2)由图可知，电流表 A1的示数是 6.4 mA，电流表 A2的示数是 240 A。测得待测电阻 RxI2()R2RA2I1I2195。方法二“半偏法”测电阻【例 3】(2020 河南洛阳市一模)电压表满偏时通过该表的电流是半偏时通过该表电流的两倍。某同学利用这一事实测量电压表的内阻(半偏法)。实验室提供的器材如下：待测电压表V(量程3 V，内阻约为3 000)，电阻箱R0(最大阻值为99 999.9)，滑动变阻器 R1(最大阻值 100，额定电流 2 A)。电源 E(电动势 6 V，内阻不计)，开关两个，导线若干。(1)如图 8 所示，虚线框内为该同学设计的测量电压表内阻的电路图的一部分。将电路图补充完整。(2)将这种方法测出的电压表内阻记为 RV。则 RV_。与电压表内阻的真实值 RV相比，RV_RV(选填“”或“)。图 8 答案(1)见解析图(2)R0 解析(1)待测电压表电阻(3 000)远大于滑动变阻器 R1的电阻值(100)，故滑动变阻器 R1采用分压式接法；电路图如图所示。(2)根据设计的电路进行的实验步骤是：移动滑动变阻器的滑片，以保证通电后电压表所在的支路分压最小；闭合开关 S1、S2，调节 R1，使电压表的指针满偏；保持滑动电阻器滑片位置不变，断开 S2，调节电阻箱 R0，使电压表的指针半偏；读取电阻箱所示的电阻值，此即为测得的电压表内阻；电压表串联电阻箱后认为该支路电压不变，而实际该支路电压变大，则电阻箱分压大于计算值，则会引起测量值的偏大，故 RVRV。方法三“替代法”测电阻 1.实验原理(如图 9)图 9 2.实验步骤 S 先与 2 连接，记录的示数，再与 1 连接，调节 R 值使的示数与原值相等，则 RxR。3.说明 对的要求，只要有刻度且不超过量程即可，与指针是否超23无关，因为电流表示数不参与运算。【例 4】(2020 河南安阳市下学期二模)为了测量一电压表 V 的内阻，某同学设计了如图 10 甲所示的电路。其中 V0是标准电压表，R0和 R 分别是滑动变阻器和电阻箱，S 和 S1分别是单刀双掷开关和单刀单掷开关，E 是电源。甲 乙 图 10(1)用笔画线代替导线，根据如图甲所示的实验原理图将如图乙所示的实物图连接完整。(2)实验步骤如下：将 S 拨向接点 1，接通 S1，调节_，使待测表头指针偏转到适当位置，记下此时_的读数 U；然后将 S 拨向接点 2，保持 R0不变，调节_，使_，记下此时 R 的读数；多次重复上述过程，计算R读数的_，即为待测电压表内阻的测量值。(3)实验测得电压表的阻值可能与真实值之间存在误差，除偶然误差因素外，还有哪 些 可 能 的 原 因，请 写 出 其 中 一 种 可 能 的 原 因：_。答案(1)见解析图(2)R0 标准电压表 V0 R 标准电压表 V0仍为 U 平均值(3)见解析 解析(1)电路连线如图所示。(2)将 S 拨向接点 1，接通 S1，调节 R0，使待测表头指针偏转到适当位置，记下此时标准电压表 V0的读数 U；然后将 S 拨向接点 2，保持 R0不变，调节 R，使标准电压表 V0仍为 U，记下此时 R 的读数；多次重复上述过程，计算 R 读数的平均值，即为待测电压表内阻的测量值。(3)原因：电阻箱阻值不连续；电流通过电阻时电阻发热导致电阻阻值发生变化；电源连续使用较长时间，电动势降低，内阻增大等。命题点三命题点三 电表改装问题电表改装问题 1.主要类型 用灵敏电流计改装为较大量程电流表、电压表和多用电表。2.改装原理(1)电流表的改装利用了并联电路分流的原理。(2)电压表的改装利用了串联电路分压的原理。【例 5】(2019 全国卷，23)某同学要将一量程为 250 A 的微安表改装为量程为 20 mA 的电流表。该同学测得微安表内阻为 1 200，经计算后将一阻值为 R的电阻与该微安表连接，进行改装。然后利用一标准毫安表，根据图 11 甲所示电路对改装后的电表进行检测(虚线框内是改装后的电表)。图 11(1)根据图甲和题给条件，将图乙中的实物连线。(2)当标准毫安表的示数为 16.0 mA 时，微安表的指针位置如图 12 所示。由此可以推测出所改装的电表量程不是预期值，而是_。