1、电学中的设计性实验(45分钟100分)1.(16分)现有一只量程为3 mA、内阻约为100 的灵敏电流表(表头)。为了较准确地测量它的内阻,采用了如图甲所示的实验电路,实验室提供的器材除电源(电动势为2 V,内阻不计)、电阻箱(最大阻值为999.9 )、开关和若干导线外,还有多个滑动变阻器和定值电阻可供选择。A.滑动变阻器R1(05 ,1 A)B.滑动变阻器R2(0200 ,0.5 A)C.滑动变阻器R3(01 750 ,0.1 A)D.定值电阻R01(阻值为200 )E.定值电阻R02(阻值为25 )F.定值电阻R03(阻值为5 )(1)按照实验电路,用笔画线代替导线,在如图乙所示的方框中完
2、成实物图连接(部分导线已画出)。(2)连接好电路之后,实验小组进行了以下操作:第一,先将滑动变阻器的滑片移到最右端,调节电阻箱的阻值为零;第二,闭合开关S,将滑片缓慢左移,使灵敏电流表满偏;第三,保持滑片不动(可认为a,b间电压不变),调节电阻箱R的阻值使灵敏电流表的示数恰好为满刻度的。若此时电阻箱的示数如图丙所示,则灵敏电流表内阻的测量值Rg为_。(3)为较好地完成实验,尽量减小实验误差,实验中应选择的滑动变阻器和定值电阻分别为_和_(填表格中器材前的字母)。(4)要临时把该灵敏电流表改装成3.0 V量程的电压表使用,则应将其与电阻箱_(选填“串联”或“并联”),并把电阻箱的电阻值调为_。【
3、解题指南】解答该题注意以下问题(1)由原理图可对应画出实物图,注意导线不能交叉。(2)由电阻箱的读数方法可明确其读数。(3)由实验的安全和准确性原则可得出对应的定值电阻和滑动变阻器。(4)根据电表的改装原理可求得应串联的电阻。【解析】(1)根据原理图可得出对应的实物图,如图所示:(2)由电阻箱的读数方法可得:R=1100 +21 +50.1 =102.5 。(3)定值电阻起保护作用,防止电源短路,则由欧姆定律可知定值电阻选F即可;滑动变阻器采用分压接法,故滑动变阻器选择A。(4)要使电流表改装成3.0 V的电压表,应串联一个电阻;由欧姆定律可知:Ig(Rg+R)=3.0,解得:R=897.5
4、。答案:(1)见解析图(2)102.5(3)FA(4)串联897.52.(16分)用直流电源(内阻不计)、电阻箱、单刀双掷开关、导线若干,在如图所示的电路上,完成测多用电表直流2.5 V挡内阻RV的实验。在不拆卸电路的情况下,完成相关操作:(1)在使用多用电表前,发现指针不在左边“0”刻度线处,应先调整右图中多用电表的_(选填“A”“B”或“C”)。(2)将多用电表选择开关旋到_挡,把开关S打向_(选填“a”或“b”),电表示数如图所示U1,断开开关S。(3)适当调节电阻箱的阻值为R,把开关S打向_(选填“a”或“b”),读出并记录电表示数U2。(4)求得RV=_(用以上测得的物理量U1、U2
5、、R表示)【解析】(1)因指针不指左边零处,故应进行机械调零;故应调整A旋钮。(2)因测量直流2.5 V的内阻;故应将开关旋到直流2.5 V挡,开关打在b处,只将电压表和电源相连。(3)将电阻箱接入,故开关接在a处。(4)开关接a时,电阻箱与电压表串联,电阻箱两端的电压U=U1-U2,由欧姆定律可知:RV=。答案:(1)A(2)直流2.5 Vb(3)a(4)3.(16分)(2020遵义模拟)某实验小组为了较准确测量阻值约为20 的电阻Rx,实验室提供的器材有:A.待测定值电阻Rx:阻值约20 B.定值电阻R1:阻值30 C.定值电阻R2:阻值20 D.灵敏电流计G:量程3 mA,0刻度在表盘中
6、央,内阻约50 E.电阻箱R3:最大阻值999.99 F.直流电源E,电动势1.5 V,内阻很小G.滑动变阻器R4(20 ,0.2 A)H.单刀单掷开关S,导线若干该小组设计的实验电路图如图,连接好电路,并进行下列操作。(1)闭合开关,调节滑动变阻器,使电流计示数适当。(2)若灵敏电流计G中的电流由C流向D,再调节电阻箱R3,使电阻箱R3的阻值_(选填“增大”或“减小”),直到G中的电流为_(选填“满偏”“半偏”或“0”)。(3)读出电阻箱连入电路的电阻R3,计算出Rx。用R1、R2、R3表示Rx的表达式为Rx=_。【解析】(2)本实验采取电桥法测电阻,所以当电流由C流向D时,说明C点电势高,
7、所以应该增大电阻箱R3的阻值使回路电阻增大,电流减小,C点电势降低,直到C、D两点电势相同,电流计中电流为零。(3)根据C、D两点电势相同,可得:IR3=IRx,IR1=IR2,联立解得Rx=。答案:(2)增大0(3)4.(16分)某同学想要描绘标有“3.8 V0.3 A”字样小灯泡L的伏安特性曲线,要求测量数据尽量精确、绘制曲线完整。可供该同学选用的器材除开关、导线外,还有:电压表V1(量程03 V,内阻等于3 k)电压表V2(量程015 V,内阻等于15 k)电流表A1(量程0200 mA,内阻等于10 )电流表A2(量程03 A,内阻等于0.1 )滑动变阻器R1(010 ,额定电流2 A
8、)滑动变阻器R2(01 k,额定电流0.5 A)定值电阻R3(阻值等于1 )定值电阻R4(阻值等于10 )定值电阻R5(阻值等于1 k)电源E(E=6 V,内阻不计)(1)请画出实验电路图,并将各元件字母代码标在该元件的符号旁。(2)该同学描绘出的I-U图像应是图中的_。【解题指南】解答本题时应从以下四点进行分析:(1)器材的选取要遵从安全性原则和准确性原则。(2)电压表和电流表的改装原理。(3)电流表的内接法和外接法。(4)滑动变阻器的分压式接法和限流式接法。【解析】(1)用电压表V1和定值电阻R5串联,可改装成量程为U=(rg+R5)=(3+1) V=4 V的电压表;用量程为200 mA的
9、电流表A1与定值电阻R4并联可改装为量程为I=Ig+=0.2 A+ A=0.4 A的电流表;描绘小灯泡的伏安特性曲线,电压、电流要求从零开始取值,因此滑动变阻器用分压式接法;该接法中用小阻值的滑动变阻器操作方便,故选用滑动变阻器R1;待测小灯泡的阻值较小,电流表的阻值不能忽略,因此电流表应该选用外接法;故电路如图。(2)小灯泡的阻值随温度的升高而增大,故该同学描绘的I-U图像应该是B。答案:(1)见解析图(2)B【总结提升】实物图连线的技巧(1)总的原则:先串后并,接线到柱,注意量程和正负。(2)对限流电路,只需用笔画线当作导线,从电源正极开始,把电源、开关、滑动变阻器、“伏安法”部分依次串联
10、起来即可(注意电表的正负接线柱和量程,滑动变阻器应调到阻值最大处)。(3)对分压电路,应该先把电源、开关和滑动变阻器的全部电阻丝三部分用导线连接起来,然后在滑动变阻器电阻丝两端之中任选一个接头,比较该接头和滑动头的电势高低,根据“伏安法”部分电表正负接线柱的情况,将“伏安法”部分接入该两点间。(注意滑动变阻器应调到使“伏安法”部分所接的两点间阻值最小处)5.(18分)(2019大同模拟)现提供如下器材:电压表V1(量程6 V,内阻约为30 k)电压表V2(量程3 V,内阻约为3 k)电池E(电动势6 V,内阻不计)定值电阻R1=3 k滑动变阻器R2 (最大阻值为20 )电键S一个,导线若干(1
11、)在所给的两只电压表中,能较准确地测出电压表_的内阻(选填“V1”或“V2”);(2)根据你的选择,请在方框中画出实验电路原理图(标注所用器材符号);(3)实验中,要读出的物理量有_(写出物理量名称并用相应字母表示);(4)请用已知量和测量量对应字母表示被测电压表内阻的表达式Rv=_。【解析】 (1)当电表的读数较大时,测量比较准确,因此将V2与定值电阻R1串联然后与V1并联可准确的测量V2的电阻。(2)根据实验原理得出实验电路原理图如图所示:(3)根据实验电路原理,测量出电压表V1的示数U1,电压表V2的示数U2,则可知电阻R1两端的电压为U1-U2,然后求出其电流,则可计算电压表的内阻。(
12、4)根据原理图,电阻R1两端的电压为U=U1-U2,根据电路的串联可知,流过电压表V2的电流为:I=,故电压表V2的内阻为Rv=。答案:(1)V2(2)见解析图(3)电压表V1的示数U1,电压表V2的示数U2(4)6.(18分)(2020昆明模拟)某同学为了测量一个量程为3 V的电压表的内阻,做了如下实验,请你完成相应的填空:(1)该同学先用多用电表粗测该电压表的内阻,他将多用电表的选择开关调到电阻“1 k”挡,进行正确的操作后应将_表笔与待测电压表的“+”接线柱相连,另一表笔与“-”接线柱相连,连接后发现指针位于图中位置a,则应换用_(选填“100或“10 k”)挡重新进行测量,重新进行正确
13、操作后指针位于图中位置b,则该电压表的内阻约为_。(2)为了更加准确地进行测量,除了待测电压表外,该同学还找来了以下实验器材,并设计了如图甲所示的测量电路。A.滑动变阻器:最大阻值2 000 B.滑动变阻器:最大阻值10 C.电阻箱:最大阻值9 999.9 D.电阻箱:最大阻值99.9 E.电池组:电动势E约6 V,内阻可忽略F.开关、导线若干为了使测量更精确,滑动变阻器应选用_(选填“A”或“B”),电阻箱应选用_(选填“C”或“D”)。按图甲连接好电路,在闭合开关S前应将滑动变阻器R的滑片P滑到_ (选填“a”或“b”)端,将电阻箱R0的阻值调到0。闭合开关S后,移动滑动变阻器的滑片P的位
14、置,使电压表的指针指到3.00 V位置,然后保持滑动变阻器R的滑片P的位置不变,调节电阻箱R0的阻值,使电压表的指针指到1.50 V位置,此时电阻箱R0的旋钮位置如图乙所示,则电压表内阻RV的测量值为_;该测量值_(选填“大于”或“小于”)电压表内阻的真实值。【解析】(1)黑表笔连内部电源的正极,所以与电压表“+”接线柱连接;使用“1 k”挡时指针偏转过大,说明待测电阻很小,应该换用“100”挡,换挡后读得指针b指在“16”的位置,乘以倍率得1 600 。(2)滑动变阻器采用分压接法,应选择最大阻值较小的B;由于要能够调节到与待测电压表阻值相近的数值,电阻箱应选择C。实验开始前,将滑片滑到a端
15、,保护电路。读数读得电压表内阻阻值为1 586 ,当电压表由满偏到偏转为一半时,电阻箱实际电压大于1.5 V,所以测量得到的电阻值大于电压表的真实值。答案:(1)黑1001 600(2)BCa1 586大于【补偿训练】“黑盒子”表面有a、b、c三个接线柱,盒内总共有两个电学元件,每两个接线柱之间只可能连接一个元件。为了探明盒内元件的种类及连接方式,某位同学用多用电表进行了如下探测:第一步:用电压挡,对任意两接线柱正、反向测量,指针不发生偏转;第二步:用电阻“100 ”挡,对任意两个接线柱正、反向测量,指针偏转情况如图1所示。(1)第一步测量结果表明盒内_。(2)图2示出了图11和图12中欧姆表
16、指针所处的位置,其对应的阻值是_;图3示出了图13中欧姆表指针所指的位置,其对应的阻值是_。(3)请在图4的接线柱间,用电路图符号画出盒内的元件及连接情况。【解析】(1)使用电压挡进行测量,目的是看盒内是否有电源,由于指针不发生偏转,因此盒内不存在电源。(2)使用欧姆表读数时注意其零刻度在右侧,因此读数时要从右侧读,读出结果后乘挡位倍率即为所测电阻阻值。所以图2示数为12100 =1 200 ,图3读数为5100 =500 。(3)使用欧姆挡进行测量时,注意黑表笔是和内部电源的正极相连的,观察图1 中的12可知,在测量b、c之间的电阻时,对两个接线柱进行正反测量,其阻值相同,说明b、c之间接有
17、一个定值电阻; 观察图1中的34可知,在测量a、c之间电阻时,黑表笔接c时电阻很小,接a时电阻很大,说明a、c之间有二极管,而且c应该接二极管的正极;观察图1中的5可知,黑表笔接b时电阻比3中黑表笔接c时电阻大,说明了a、c、b之间串联了二极管、电阻两个元件,由图6可知,a、b之间电阻无穷大,因此a、b之间应该是断路。故盒内元件的连接如图所示。答案:(1)不存在电源(2)1 200500(3)见解析图【总结提升】多用电表探索黑箱内电学元件的方法(1)电源的判断:用多用电表的电压挡试触如有示数,则说明存在电源。(2)电阻的判断:欧姆表两表笔正、反接测量,如果示数不变,则为电阻。(3)二极管的判断:欧姆表两表笔正、反接测量,如果示数差别很大,则为二极管。(4)电容器的判断:欧姆表两表笔正、反接测量,如为电容器,则示数均很大。