2025年高考物理二轮专题复习课件 22 第一阶段 专题六 第16讲 电学实验

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突破点一　基本仪器的读数与使用
突破点二　以“测电阻”为核心的实验
随堂练 临考预测 名师押题
突破点三　“以测电源的电动势和内阻”为核心的实验
1．游标卡尺(1)弄清精确度：10分度——0.1 mm，20分度——0.05 mm，50分度——0.02 mm。(2)读出测量结果：测量值＝主尺刻度整毫米数＋n×精确度(mm)。2．螺旋测微器测量值＝固定刻度整毫米数＋半毫米数＋可动刻度读数(含估读值)×0.01 mm
4．多用电表的使用(1)使用多用电表时，不管测量什么，电流都要从电表的“＋”插孔(红表笔)流入电表，从“－”插孔(黑表笔)流出电表，即“红入黑出”。(2)测电阻时每变换一次挡位，都要重新进行欧姆调零。(3)电阻挡的读数①为了减小读数误差，指针应指在表盘中央刻度附近；②电阻值等于指针示数与所选倍率的乘积。
提醒：电表的“三用”如果知道电表的内阻，电流表、电压表就既可以测电流，也可以测电压，还可以作为定值电阻来用，即“一表三用”。
[典例1]　(基本仪器的读数)请正确填写下列基本仪器的读数：
(1)图甲读数为________ cm。(2)图乙读数为___________________________ mm。(3)图丙若为“×10”倍率挡，读数为________ Ω。
2.987(2.985～2.989均正确)
(4)图丁读数为__________ Ω。(5)图戊读数为__________ A。(6)图己读数为_______________________ V。
2.25(2.23～2.27均正确)
[解析]　(1)游标尺零刻度线对应的主尺上整数部分为11 mm，游标尺第14条刻度线与主尺25 mm刻度线对齐，则游标卡尺读数为11 mm＋14×0.05 mm＝11.70 mm＝1.170 cm。(2)螺旋测微器读数为2.5 mm＋48.7×0.01 mm＝2.987 mm。(3)多用电表测电阻时，电阻的测量值＝表的示数×倍率，故答案为24×10 Ω＝240 Ω。
(4)电阻箱的读数方法：将每个旋钮上指针所指的数值(都为整数)乘以各自的倍率，从最高位依次往下读，即可得到电阻箱的实际阻值，故读数为 84 580.2 Ω。(5)电流表使用的是0～0.6 A的量程，刻度盘上每一小格表示0.02 A，只需半格估读，则读数为 0.34 A。 (6)电压表使用的是0～3 V的量程，刻度盘上每一小格表示0.1 V，需估读到最小分度值下一位，则读数为2.25 V。
[典例2]　(多用电表的使用)(2024·安徽统考一模)多用电表是一种多功能、多量程的电学仪表，可测量直流电流、直流电压、交流电压、电阻等物理量。
(1)指针式多用电表使用前应该调整____________________，使指针指向“0”。
(2)某电阻阻值约为几百欧姆，现用该电表测此电阻，测量前，需要以下操作，其顺序是________。(填写序号)A．将红表笔和黑表笔直接接触B．把选择开关旋转到“×10”位置C．调节欧姆调零旋钮使指针指向欧姆“0”点正确进行实验操作后，电表的读数如图甲所示，该读数是_______ Ω。
(3)图乙是某同学设计的多用电表测电阻的欧姆调零原理图，电池的负极应接________(选填“红”或“黑”)表笔。图中G为表头，量程100 μA，内阻Rg＝2.5 kΩ，RT＝0.5 kΩ，通过调节a、b间的触点，使G满偏。已知R2＝4.8 kΩ，电池电动势为1.50 V(电池内阻可忽略)，触点在a端时G满偏，则R1＝________ kΩ。
[解析]　(1)指针式多用电表使用前应该调整指针定位螺丝，使指针指向“0”。(2)用指针式多用电表测几百欧姆电阻时，应先将选择开关旋转到“×10”位置，再将红表笔和黑表笔直接接触，最后调节欧姆调零旋钮使指针指向欧姆“0”点，所以正确的顺序是BAC。该电阻的阻值为19.3×10 Ω＝193 Ω。
[典例3]　(电流表和电压表改装)(2024·辽宁名校联考)在学校社团活动中，某实验小组欲将一只量程为0～250 μA的微安表头G改装为能够测量电流和电压的双量程电表，首先利用如图甲所示的电路测量微安表的内阻，可供选择的实验器材有：
A．待改装的微安表头G(量程为0～250 μA，内阻为几百欧姆)B．微安表G1(量程为0～300 μA)C．滑动变阻器R滑1(0～10 kΩ)D．滑动变阻器R滑2(0～50 kΩ)E．电阻箱R(0～9 999 Ω)F．电源E(电动势约为9 V)G．开关、导线若干
(1)为顺利完成实验，变阻器1应选择________，变阻器2应选择________。(从C、D、E中选择)(2)实验时，除了微安表G1的示数I1和微安表G的示数I2，还需要记录的数据是________________(写出待测物理量及其字母)，则待测微安表的内阻rg＝________(用上述物理量字母表示)。
(3)现将待测微安表接入如图乙所示的电路，当接线柱1、3接入电路时，改装成的电压表的量程为___________________。(用待测微安表的满偏电流Ig、内阻rg及定值电阻阻值R1、R2表示)
1．滑动变阻器分压式与限流式接法的选择(1)“以小控大用分压，相差无几用限流”。①当采用分压式接法时，一般应选用最大阻值较小、而额定电流较大的滑动变阻器。②当采用限流式接法时，一般应选用最大阻值比待测电阻稍大或差不多的滑动变阻器。
(2)必须采用分压式接法的三种情况。①要求电压从0开始变化；②滑动变阻器阻值太小，不能起到限流的作用；③限流式接法不能获取有区分度的多组数据。
3．测电阻的方法(1)最常用的测量方法——伏安法(及其变式)
(2)最精确的测量方法——等效替代法
(3)最“专一”的测量方法——半偏法测电表内阻①用半偏法测电流表内阻，如图甲所示，电阻箱和电流表并联，然后与大电阻滑动变阻器串联，R测R真。
[典例4]　(测水的电阻率)(2024·江西卷)某小组欲设计一种电热水器防触电装置，其原理是：当电热管漏电时，利用自来水自身的电阻，可使漏电电流降至人体安全电流以下。为此，需先测量水的电阻率，再进行合理设计。(1)如图(a)所示，在绝缘长方体容器左右两侧安装可移动的薄金属板电极，将自来水倒入其中，测得水的截面宽d＝0.07 m和高h＝0.03 m。
(2)现有实验器材：电流表(量程300 μA，内阻RA＝2 500 Ω)、电压表(量程0～3 V或10～15 V，内阻未知)、直流电源(3 V)、滑动变阻器、开关和导线。请在图(a)中画线完成电路实物连接。
(3)连接好电路，测量26 ℃的水在不同长度l时的电阻值Rx。将水温升到65 ℃，重复测量。绘出26 ℃和65 ℃水的Rx-l图线，分别如图(b)中甲、乙所示。
(4)若Rx-l图线的斜率为k，则水的电阻率表达式为ρ＝________(用k、d、h表示)。实验结果表明，温度________(选填“高”或“低”)的水更容易导电。(5)测出电阻率后，拟将一段塑料水管安装于热水器出水口作为防触电装置。为保证出水量不变，选用内直径为8.0×10-3 m的水管。若人体的安全电流为1.0×10-3 A，热水器出水温度最高为65 ℃，忽略其他电阻的影响(相当于热水器220 V的工作电压直接加在水管两端)，则该水管的长度至少应设计为________ m。(保留两位有效数字)
[典例5]　(伏伏法测电阻)(2024·新课标卷)学生实验小组要测量量程为3 V的电压表 的内阻RV。可选用的器材有：多用电表，电源E(电动势5 V)，电压表 (量程0～5 V，内阻约 3 kΩ)，定值电阻R0(阻值为800 Ω)，滑动变阻器R1(最大阻值50 Ω)，滑动变阻器R2(最大阻值 5 kΩ)，开关S，导线若干。完成下列填空：
(1)利用多用电表粗测待测电压表的内阻。首先应________(把下列实验步骤前的字母按正确操作顺序排列)；A．将红、黑表笔短接B．调节欧姆调零旋钮，使指针指向零欧姆C．将多用电表选择开关置于电阻挡“×10”位置
再将多用电表的红、黑表笔分别与待测电压表的___________(选填“正极、负极”或“负极、正极”)相连；电阻表的指针位置如图(a)中虚线Ⅰ所示，为了减少测量误差，应将选择开关旋转到电阻挡________(选填“×1”“×100”或“×1 k”)位置。重新调节后，测量得到指针位置如图(a)中实线Ⅱ所示，则粗测得到的该电压表内阻为______ kΩ(结果保留一位小数)；
(2)为了提高测量精度，他们设计了如图(b)所示的电路，其中滑动变阻器应选________(选填“R1”或“R2”)，闭合开关S前，滑动变阻器的滑片应置于________(选填“a”或“b”)端；
(3)闭合开关S，滑动变阻器滑片滑到某一位置时，电压表 、待测电压表的示数分别为U1、U，则待测电压表内阻RV＝________(用U1、U和R0表示)；(4)测量得到U1＝4.20 V，U＝2.78 V，则待测电压表内阻RV＝________ kΩ(结果保留三位有效数字)。
[解析]　(1)使用多用电表粗测电阻的步骤应为①机械调零：使用前，若指针没有指在左端“∞”位置，要用螺丝刀转动指针定位螺丝，使指针指在“∞”位置；②选挡：估计待测电阻的大小，旋转选择开关，使其置于电阻挡的合适挡位；③欧姆调零：将红、黑表笔短接，调整调零旋钮，使指针指在表盘右端“0”刻度处；④测量示数：将两表笔分别与待测电阻的两端接触，指针示数乘以倍率即为待测电阻阻值。故该实验中正确的操作顺序应为CAB；由于多用电表在使用时电流流向为“红进黑出”，且通过电压表的电流流向为“正进负出”，所以在用多用电表粗测电压表内阻时多用电表的红、黑表笔应分别与待测电压表的负极、正极相连；由题图(a)中的虚线Ⅰ可知，待测电压表的内阻约为 1 500 Ω， 则为使指针指在中央刻度线附近，应将选择开关旋转到电阻挡“×100”位置；由题图(a)中的实线Ⅱ可知该电压表的内阻为R粗＝16×100 Ω＝1.6 kΩ。
测电动势和内阻的常用方法：1．伏安法测电动势和内阻(1)闭合电路方程为E＝U＋Ir，利用两组数据，联立方程求解E和r；(2)作出U-I图像，图线的纵截距表示电源的电动势，斜率的绝对值表示电源的内阻。
4．等效电源法测电源内阻当电源内阻r过小时，如果直接测量，测出电源的内阻误差较大，可以用等效电源法来测量。如图所示，用一个适当的定值电阻R0与电源串联，并把它们看成一个等效电源，这个等效电源的内阻r0＝R0＋r，其中r是被测电源的内阻。测出这个等效电源的内阻r0，则被测电源的内阻r＝r0－R0。
提醒：对实验的两点说明(1)任何一种实验方法，一定要紧扣闭合电路欧姆定律E＝U＋Ir，其中最关键的是看电路中如何测量出路端电压U和电路中的总电流I。(2)利用图像得出电动势和内阻是常见的方法，对于不同的电路设计，在作图像时都要画出倾斜直线，即得到有关电动势和内阻的一次函数关系，再利用图像中的斜率与截距求解。
[典例6]　(伏阻法测电源电动势和内阻)(2024·吉林卷)某探究小组要测量电池的电动势和内阻。可利用的器材有：电压表、电阻丝、定值电阻(阻值为R0)、金属夹、刻度尺、开关S、导线若干。他们设计了如图所示的实验电路原理图。
(1)实验步骤如下：①将电阻丝拉直固定，按照图(a)连接电路，金属夹置于电阻丝的________(选填“A”或“B”)端；②闭合开关S，快速滑动金属夹至适当位置并记录电压表示数U，断开开关S，记录金属夹与B端的距离L；③多次重复步骤②，根据记录的若干组U、L的值，作出图(c)中图线Ⅰ；
④按照图(b)将定值电阻接入电路，多次重复步骤②，再根据记录的若干组U、L的值，作出图(c)中图线Ⅱ。
[典例7]　(安阻法测电源的电动势和内阻)(2024·河南洛阳测试卷)一个同学想要测定某电源的电动势和内阻，所使用的器材有：待测电源、电流表A(量程0～0.6 A，内阻RA小于1 Ω)、电流表A1(内阻未知)、电阻箱R1(0～999.99 Ω)、滑动变阻器R2(0～10 Ω)、电阻表、单刀双掷开关S、单刀单掷开关K各一个、导线若干。(计算结果均保留两位有效数字)
(2)该同学又设计了如图乙所示电路进行实验操作。①实物电路图有一处未连接好，请在图丙中补全电路。②利用该电路测电流表A的内阻：闭合开关K，将开关S与D接通，通过调节电阻箱R1和滑动变阻器R2，读取电流表A的示数为0.24 A、电流表A1的示数为0.60 A，电阻箱R1的示数为0.64 Ω，则电流表A的内阻RA＝________ Ω。
(2)①实物连接如图所示。②开关S与D接通，电流表A的示数为0.24 A、电流表A1的示数为0.60 A，电阻箱R1的示数为 0.64 Ω， 则(I1－I)R1＝IRA，解得RA＝0.96 Ω。
1．(创新考法：电桥法测电阻)在“测量金属丝的电阻率”实验中，某小组的同学用刻度尺测出待测金属丝接入电路的长度l＝0.5 m，用游标卡尺测量金属丝的直径d，并设计了如图(a)所示的实验电路图测量金属丝的电阻。
(1)用游标卡尺测量金属丝横截面的直径时，示数如图(b)所示，则金属丝横截面的直径d＝________ mm。
(2)图(a)所示电路中，R2为阻值已知的定值电阻，AC为一段粗细均匀的电阻丝，闭合开关，调节滑动触头使电流计示数为0，则要测出金属丝的电阻Rx，还需要测量的物理量有__________________________，金属丝电阻的阻值Rx＝________(用上一空所填及题中所给物理量的字母表示)。
AB和BC的长度lAB、lBC
2．(结合半偏法测电流表内阻来测电池组电动势和内阻)某探究小组为了测量一个电池组的电动势和内阻，实验室提供下列器材：A．电池组(电动势约为 3.0 V，内阻约为0.3 Ω)；B．直流毫安表(量程为0～10 mA，内阻约为100 Ω)；C．电阻箱R1(最大阻值为999.9 Ω)；D．电阻箱R2(最大阻值为999.9 Ω)；E．定值电阻R0(阻值为100 Ω)；F．开关、导线若干。设计了如图甲所示的电路。
(1)请用笔画线代替导线，根据图甲的电路图，在图乙中完成实物连线。
(2)闭合开关S1，调节电阻箱R1的阻值，使毫安表的示数为10 mA，再闭合开关S2，调节电阻箱R2使毫安表的示数为5 mA，记下电阻箱的阻值为R2，可认为毫安表的内阻RA＝________。调节R1的阻值，得到多组毫安表的读数I和R1的阻值，则通过电池组的电流为________。
[解析]　(1)实物连线如图所示。
(2)闭合开关S1，调节电阻箱R1的阻值，使毫安表的示数为满偏电流10 mA，再闭合开关S2，调节电阻箱R2，使毫安表的示数为5 mA，电流减半了，可认为毫安表的内阻RA＝R2。调节R1的阻值，得到多组毫安表的读数I和R1的阻值，则通过电池组的电流是通过毫安表电流的2倍，应为2I。
1．(2024·江苏连云港统考一模)精密仪器中常用到金属膜电阻，它是通过金属电镀工艺将金属层溅射到绝缘陶瓷基底的表面形成的。如图甲所示，某金属膜电阻长度为L，金属膜厚度为h。实验室提供的器材有：干电池2节，电压表V(量程0～3 V，内阻约3 kΩ)，电流表(0～5 mA，内阻约为50 Ω)，滑动变阻器(最大阻值10 Ω)，开关S，导线若干。某同学用图乙所示电路测量该金属膜电阻的电阻率，请回答以下问题：
(1)闭合S前，应将滑动变阻器的滑片置于________(选填“a”或“b”)端。(2)用螺旋测微器测量镀膜后的陶瓷管直径D，示数如图丙所示，则D＝________ mm。
(3)闭合开关后，移动滑片，测出多组电表示数的U、I值，并画出U-I图像如图丁所示，可得金属膜电阻的阻值R＝________ Ω。
(4)用字母D、L、R、h表示金属膜电阻的电阻率ρ＝________。(5)金属膜电阻的电阻率测量值偏大，试写出产生误差的主要原因____________。
[解析]　(1)分压式接法滑片置于待测电路分压最小的位置，目的是保护待测电路。闭合S前，应将滑动变阻器的滑片置于a端，从而使闭合开关之后分压部分电路电压从零开始变化。(2)根据螺旋测微器读数规则，由题图丙可知固定刻度为3.5 mm，可动刻度为20.0×0.01 mm，得镀膜后的陶瓷管直径D为D＝3.5 mm＋20.0×0.01 mm＝3.700 mm。
2．(2024·1月九省联考贵州卷)掺氟氧化锡(FTO)玻璃在太阳能电池研发、生物实验、电化学实验等领域有重要应用，它由一层厚度均匀、具有导电性能的薄膜和不导电的玻璃基板构成。为了测量该薄膜厚度d，某兴趣小组开展了如下实验：
(1)选取如图(a)所示的一块长条形FTO玻璃，测出其长度为L，宽度为b。
(2)用电阻表接薄膜M、N两端，测得薄膜电阻Rx约为40 Ω。为了获得多组数据，进一步精确测量Rx的阻值，有如下器材可供选用：A．电源E(电动势为3 V，内阻约为0.2 Ω)；B．电压表V(量程0～1 V，已测得内阻RV＝1 000 Ω)；C．电流表A1(量程0～0.6 A，内阻约为1 Ω)；D．电流表A2(量程0～100 mA，内阻约为3 Ω)；E．滑动变阻器R(最大阻值为10 Ω)；F．定值电阻R1＝20 Ω；G．定值电阻R2＝2 000 Ω； H．开关一个，导线若干。
(3)其中，电流表应选________(选填“A1”或“A2”)，定值电阻应选________(选填“R1”或“R2”)。(4)根据以上要求，将图(b)所示的器材符号连线，组成测量电路图。
(5)已知该薄膜的电阻率为ρ，根据以上实验，测得其电阻值为Rx，则该薄膜的厚度d＝________(用ρ、L、b和Rx表示)。(6)实验后发现，所测薄膜的厚度偏大，其原因可能是________(填正确答案前的序号)。①电压表内阻RV测量值比实际值偏大②电压表内阻RV测量值比实际值偏小③选用的定值电阻标定值比实际值偏大④选用的定值电阻标定值比实际值偏小
3．(2024·河北卷)某种花卉喜光，但阳光太强时易受损伤。某兴趣小组决定制作简易光强报警器，以便在光照过强时提醒花农。该实验用到的主要器材如下：学生电源、多用电表、数字电压表(0～20 V)、数字电流表(0～20 mA)、滑动变阻器R(最大阻值 50 Ω，1.5 A)、白炽灯、可调电阻R1(0～50 kΩ)、发光二极管LED、光敏电阻RG、NPN型三极管VT、开关和若干导线等。
(1)判断发光二极管的极性使用多用电表的“×10 k”电阻挡测量二极管的电阻。如图1所示，当黑表笔与接线端M接触、红表笔与接线端N接触时，多用电表指针位于表盘中a位置(见图2)；对调红、黑表笔后指针位于表盘中b位置(见图2)。由此判断M端为二极管的________(选填“正极”或“负极”)。
(2)研究光敏电阻在不同光照条件下的伏安特性
①采用图3中的器材进行实验，部分实物连接已完成。要求闭合开关后电压表和电流表的读数从0开始。导线L1、L2和L3的另一端应分别连接滑动变阻器的________、________、________接线柱(以上三空均选填接线柱标号“A”“B”“C”或“D”)。
②图4为不同光照强度下得到的光敏电阻伏安特性曲线，图中曲线Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ对应光敏电阻受到的光照由弱到强。由图像可知，光敏电阻的阻值随其表面受到光照的增强而______(选填“增大”或“减小”)。
[解析]　(1)使用多用电表时，通过多用电表的电流流向遵循“红进黑出”，使用多用电表的电阻挡时，当黑表笔与M端接触、红表笔与N端接触时，若有电流，则二极管中电流方向为M→N，而由题图2可知此时多用电表指针位于a位置，即此时二极管电阻无穷大，由二极管的单向导电性可知，此时二极管所接电压为反向电压，则M端为二极管的负极。
(2)①由于要求闭合开关后电压表和电流表的读数从0开始，则滑动变阻器应采用分压式接法，L1、L2的另一端应接A接线柱，L3另一端应接C(或D)接线柱。②I-U图像上某点与坐标原点连线的斜率的倒数表示光敏电阻的阻值，由题图4可知，光照增强时，光敏电阻的阻值减小，即光敏电阻的阻值随其表面受到光照的增强而减小。
4．(2024·福建漳州统考二模)为测量一硅光电池的电动势和内电阻，某兴趣小组设计了如图甲所示的实验电路，图中R为滑动变阻器， 电压表的量程为0～3 V， 内阻约为3 kΩ，电流表的量程为0～300 mA，内阻为2 Ω。在光照强度保持不变的条件下进行下述实验：(1)根据所选实验电路图连接好电路，使滑动变阻器滑片位于适当位置，闭合开关，记录电流表和电压表对应的读数I和U；改变滑动变阻器滑片位置，记录多组电表读数。
(2)根据数据作出U-I图像，如图乙所示。可求得该硅光电池的电动势E＝________ V。
(3)当U＝2.00 V，此时硅光电池的内阻为______ Ω(结果保留2位有效数字)；根据图像可知，电池的内阻________(选填“是”或“不是”)常数。(4)若将阻值为24 Ω的定值电阻接在该电池两端，则电阻的实际功率是________ W。
[解析]　(2)由题图乙可知电流为零时所对应的电压为电池电动势2.60 V。(3)电压为2.00 V时，由题图乙可知电流为210 mA，由闭合电路欧姆定律可得E＝U＋I(r＋RA)，代入数据解得r≈0.86 Ω，根据题图乙可知电池的内阻不是常数。
(4)在U-I图像中作一条过原点的直线表示24 Ω的定值电阻的U-I图线，如图所示，由图线可知该直线与该电源的U-I曲线的交点坐标为 (100 mA，2.40 V)，其横、纵坐标的乘积表示电阻的实际功率P＝UI＝2.40 V×0.1 A＝0.24 W。