高考物理一輪講義高考必考題突破講座（八）電學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的思想方法及解題策略

高考必考題突破講座(八)電學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的思想方法及解題策略題型特點(diǎn)考情分析命題趨勢(shì)電學(xué)實(shí)驗(yàn)是高考每年必考內(nèi)容，其中電學(xué)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)又成為近幾年高考的熱點(diǎn)．主要體現(xiàn)在運(yùn)用新的實(shí)驗(yàn)方法或新的數(shù)據(jù)處理方法處理新情景下的物理實(shí)驗(yàn)問題，考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新和原理遷移能力．2016·全國(guó)卷Ⅰ，232016·全國(guó)卷Ⅲ，222016·四川卷，8(Ⅱ)2019年高考命題主要側(cè)重以下幾個(gè)方面考查：(1)實(shí)驗(yàn)原理的理解；(2)實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)(實(shí)驗(yàn)電路的補(bǔ)充連線)；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理(尤其是結(jié)合解析或分析圖象)；(4)實(shí)驗(yàn)誤差分析1．電阻的常規(guī)測(cè)量流程圖2．涉及問題(1)若Rx<eq\r(RVRA)時(shí)，用電流表外接法，Rx測(cè)量值偏?。蝗鬜x>eq\r(RVRA)時(shí)，用電流表內(nèi)接法，Rx測(cè)量值偏大．(2)限流式接法適合控制阻值較小的電阻的電壓，分壓式接法適合控制阻值較大的電阻的電壓．(3)若要求工作電路部分的電壓從0開始增大，則采取分壓式接法．(4)安全性：電流、電壓不允許超過電流表、電壓表的最大量程．(5)精確性：電表指針偏轉(zhuǎn)的角度應(yīng)不小于滿偏角度的eq\f(1,3).?解題方法1．電流表內(nèi)接、外接法的選擇(1)比值法當(dāng)eq\f(RV,Rx)>eq\f(Rx,RA)時(shí)，用電流表外接法；當(dāng)eq\f(RV,Rx)<eq\f(Rx,RA)時(shí)，用電流表內(nèi)接法．(2)實(shí)驗(yàn)試觸法按如圖所示接好電路，讓電壓表一根接線柱P先后與A、B處接觸一下，如果電壓表的示數(shù)有較大的變化，而電流表的示數(shù)變化不大，則可采用電流表外接法；如果電流表的示數(shù)有較大的變化，而電壓表的示數(shù)變化不大，則可采用電流表內(nèi)接法．2．儀器選擇的一般步驟(1)首先選擇唯一性的器材(2)粗畫電路圖(暫不接電流表和電壓表)(3)估算回路中電流和電壓的最大值，在電表的指針有較大幅度的偏轉(zhuǎn)但又不超過其量程的情況下，結(jié)合已知器材的規(guī)格，確定實(shí)驗(yàn)電路和實(shí)驗(yàn)器材．測(cè)量電阻的方法很多，常用的有三種：第一種用多用電表歐姆擋直接測(cè)量電阻，優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)捷方便，缺點(diǎn)是測(cè)量誤差較大；第二種是用伏安法測(cè)量電阻，優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量誤差較小，精度比第一種高很多，缺點(diǎn)是間接測(cè)量，需計(jì)算修正；第三種是電橋法測(cè)量電阻，優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度最高，缺點(diǎn)是不簡(jiǎn)便，實(shí)驗(yàn)步驟較復(fù)雜．設(shè)計(jì)測(cè)量電阻的實(shí)驗(yàn)，能考查學(xué)生的物理基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，有很好選擇功能受到命題者的青睞．該類試題有如下幾個(gè)命題角度．角度1等效替代法測(cè)電表內(nèi)阻如圖甲所示，先將S2撥至a，閉合S1，調(diào)節(jié)變阻器R2，使電流表A2指示某一值I0.再將S2撥至b，保持R2不變，調(diào)節(jié)電阻箱R1，使A2恢復(fù)到原來的值I0，則被測(cè)電流表A1的內(nèi)阻等于電阻箱R1的值．同理將電流表A1換為電壓表V就可測(cè)量電壓表的內(nèi)阻，如圖乙所示．角度2附加電阻法測(cè)電阻如圖所示，R1為一阻值較大的固定電阻，Rx為待測(cè)電阻．(1)S2斷開，閉合S1，調(diào)節(jié)變阻器R，使電流表、電壓表都有一個(gè)適當(dāng)讀數(shù)，記下兩表讀數(shù)I1、U1.(2)保持變阻器R不變，再閉合S2，記下兩表的讀數(shù)I2、U2.(3)待測(cè)電阻Rx＝eq\f(U1,I1)－eq\f(U2,I2).[例1]為了測(cè)量一微安表頭A的內(nèi)阻，某同學(xué)設(shè)計(jì)了如圖所示的電路．圖中A0是標(biāo)準(zhǔn)電流表，R0和RN分別是滑動(dòng)變阻器和電阻箱，S和S1分別是單刀雙擲開關(guān)和單刀開關(guān)，E是電池．完成下列實(shí)驗(yàn)步驟中的填空：(1)將S撥向接點(diǎn)1，接通S1，調(diào)節(jié)__R0__，使待測(cè)表頭指針偏轉(zhuǎn)到適當(dāng)位置，記下此時(shí)__標(biāo)準(zhǔn)電流表A0__的讀數(shù)I.(2)然后將S撥向接點(diǎn)2，調(diào)節(jié)__RN__，使__標(biāo)準(zhǔn)電流表A0的讀數(shù)仍為I__，記下此時(shí)RN的讀數(shù)．(3)多次重復(fù)上述過程，計(jì)算RN讀數(shù)的__平均值__，此即為待測(cè)微安表頭內(nèi)阻的測(cè)量值．解析本題為用替代法測(cè)未知電流表的內(nèi)阻，其實(shí)驗(yàn)步驟為：(1)將S撥向接點(diǎn)1，接通S1，調(diào)節(jié)R0，使待測(cè)表頭指針偏轉(zhuǎn)到適當(dāng)位置，記下此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)電流表A0的讀數(shù)I；(2)然后將S撥向點(diǎn)2，調(diào)節(jié)RN，使標(biāo)準(zhǔn)電流表A0的讀數(shù)仍為I，記下此時(shí)RN的讀數(shù)；(3)多次重復(fù)上述過程，計(jì)算RN讀數(shù)的平均值，此即為待測(cè)微安表頭內(nèi)阻的測(cè)量值．1．(2018·河北石家莊模擬)如圖為測(cè)量電阻Rx的電路原理圖，R為電阻箱，R′為起保護(hù)作用的滑動(dòng)變阻器，電源E的電動(dòng)勢(shì)約為6V，S為單刀雙擲開關(guān)，電流表量程為0.6A(1)以下四種規(guī)格的滑動(dòng)變阻器，最適合本實(shí)驗(yàn)的是__B__.A．1Ω B．10ΩC．100Ω D．1000Ω(2)請(qǐng)?jiān)趫D中以筆畫線代替導(dǎo)線按實(shí)驗(yàn)原理圖將實(shí)物圖補(bǔ)充完整．(3)請(qǐng)簡(jiǎn)述測(cè)量待測(cè)電阻Rx的實(shí)驗(yàn)步驟．(4)一同學(xué)想利用本實(shí)驗(yàn)電路測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)，需將開關(guān)擲于__b__位置．該電路滑動(dòng)變阻器R′接入電路部分的電阻未知，能否測(cè)出電源的內(nèi)阻r？并簡(jiǎn)單說明原因．解析(1)由實(shí)驗(yàn)電路可知，滑動(dòng)變阻器在電路中起限流作用，因?yàn)殡娫碋的電動(dòng)勢(shì)約為6V，電流表量程為0.6A，要想滑動(dòng)變阻器起到保護(hù)作用，合適的應(yīng)該是10Ω(2)根據(jù)電路圖可將實(shí)物圖補(bǔ)充完整，如圖所示．(3)在測(cè)量Rx時(shí)，先將開關(guān)擲于a，記下電流表示數(shù)I；再將開關(guān)擲于b，調(diào)節(jié)電阻箱R，使電流表示數(shù)達(dá)到I，電阻箱讀數(shù)即為Rx阻值．(4)要測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)，需將開關(guān)擲于b位置，調(diào)節(jié)電阻箱取不同阻值，記錄不同阻值及對(duì)應(yīng)電流值，可求得電源電動(dòng)勢(shì)，而如果不知道滑動(dòng)變阻器的電阻，就只能求出電源內(nèi)阻和滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻之和，無法測(cè)出電源的內(nèi)阻．2．(2018·湖北黃岡模擬)現(xiàn)有一個(gè)阻值為10.0Ω的定值電阻、一個(gè)開關(guān)、若干導(dǎo)線和一個(gè)電壓表(該電壓表盤面上有刻度但無刻度值)，要求用以上器材設(shè)計(jì)一個(gè)能測(cè)定某電源內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)方案．(已知電壓表內(nèi)阻很大，電壓表量程大于電源電動(dòng)勢(shì)，電源內(nèi)阻約為幾歐姆)(1)在右面的方框中畫出實(shí)驗(yàn)電路圖．(2)簡(jiǎn)要寫出完成接線后的實(shí)驗(yàn)步驟．(3)寫出用測(cè)得的量計(jì)算電源內(nèi)阻的表達(dá)式r＝eq\f(N1－N2,N2)R.解析電壓表指針偏轉(zhuǎn)角度與通過電壓表的電流，或者與加在電壓表兩端的電壓成正比，因此電壓表盤面無刻度值也可以用格數(shù)的多少表示電壓的大?。?dāng)斷開開關(guān)時(shí)，電壓表偏轉(zhuǎn)格數(shù)N1表示電源電動(dòng)勢(shì)的大??；當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，N2表示R兩端的電壓；根據(jù)閉合電路歐姆定律，eq\f(N1－N2,r)＝eq\f(N2,R)，得r＝eq\f(N1－N2,N2)R.答案(1)如答圖所示(2)①斷開開關(guān)，記下電壓表偏轉(zhuǎn)格數(shù)N1；②合上開關(guān)，記下電壓表偏轉(zhuǎn)格數(shù)N2.3．(2017·河北衡水一模)某同學(xué)想測(cè)量某導(dǎo)電溶液的電阻率，先在一根均勻的長(zhǎng)玻璃管兩端各裝一個(gè)電極(接觸電阻不計(jì))，兩電極相距L＝0.700m，其間充滿待測(cè)的導(dǎo)電溶液．用如下器材進(jìn)行測(cè)量：電壓表(量程15V，內(nèi)阻約30kΩ)、電流表(量程300μA，內(nèi)阻約50Ω)、滑動(dòng)變阻器(100Ω，1A)、電池組(電動(dòng)勢(shì)E＝12V，內(nèi)阻r＝6Ω)、單刀單擲開關(guān)一個(gè)、導(dǎo)線若干．下表是他測(cè)量通過管中導(dǎo)電液柱的電流及兩端電壓的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．實(shí)驗(yàn)中他還用20U/V01.03.05.07.09.011.0I/μA02265109155175240根據(jù)以上所述請(qǐng)回答下面的問題；(1)玻璃管內(nèi)徑d的測(cè)量值為__3.065__cm.(2)根據(jù)表中數(shù)據(jù)在圖丙的坐標(biāo)中的已描點(diǎn)，請(qǐng)作出U－I圖象，根據(jù)圖象求出電阻R＝__4.6×104(4.4×104～4.8×104均正確)__Ω.(保留兩位有效數(shù)字)(3)計(jì)算導(dǎo)電溶液的電阻率表達(dá)式ρ＝__eq\f(πRd2,4L)__(用R、d、L表示)，測(cè)量值為__49(45～53均正確)__Ω·m.(保留兩位有效數(shù)字)(4)請(qǐng)?jiān)谔摼€框內(nèi)畫出測(cè)量導(dǎo)電溶液電阻的電路圖，并在圖甲中補(bǔ)畫出未連接的導(dǎo)線．解析(1)玻璃管內(nèi)徑d＝30mm＋0.05mm×13＝30.65(2)根據(jù)描點(diǎn)，連線如圖甲所示，由圖可求出電阻R＝4.6×104Ω.(3)由R＝ρeq\f(L,S)和S＝eq\f(1,4)πd2可得ρ＝eq\f(πRd2,4L)，代入數(shù)據(jù)可求得ρ＝49Ω·m.(4)因?yàn)閑q\f(RV,R)<eq\f(R,RA)，所以電流表應(yīng)選內(nèi)接法；由于滑動(dòng)變阻器的最大阻值遠(yuǎn)小于待測(cè)阻值，故滑動(dòng)變阻器應(yīng)用分壓式接法，電路圖及實(shí)物圖分別如圖乙、丙所示．答案(2)見解析圖甲(4)見解析圖乙、丙4．(2017·河北衡水模擬)為測(cè)量電阻Rx(約600Ω)的阻值，實(shí)驗(yàn)室可供選擇的器材有：A．電流表(0～3mA，內(nèi)阻Rg＝100Ω)B．電流表(0～10mA，內(nèi)阻未知)C．定值電阻R1(300Ω)D．定值電阻R2(30Ω)E．滑動(dòng)變阻器R(0～20Ω)F．直流電源(E＝3V，內(nèi)阻不計(jì))G．開關(guān)S及導(dǎo)線若干某同學(xué)用圖甲的電路進(jìn)行測(cè)量，回答下列問題：(1)定值電阻應(yīng)選擇__R1__.(選填“R1”或“R2(2)按圖甲的電路將圖乙的實(shí)物連成實(shí)驗(yàn)電路．(圖中已畫出部分電路)(3)實(shí)驗(yàn)中，正確接入定值電阻后，閉合開關(guān)S，多次移動(dòng)滑動(dòng)觸頭，分別記錄電流表、電流表的示數(shù)I1、I2如下表I1/mA0.921.261.752.122.522.98I2/mA3.004.025.606.808.049.60在圖丙的坐標(biāo)紙上將所缺數(shù)據(jù)點(diǎn)補(bǔ)充完整并作圖，根據(jù)圖線求得斜率k＝__3.2__.(保留兩位有效數(shù)字)(4)根據(jù)圖線求得Rx＝__5.6×102__Ω.(保留兩位有效數(shù)字)解析(1)由圖甲可知，eq\f(Rx＋Rg,R定)＝eq\f(IA－IG,IG)，代入數(shù)據(jù)可得R定＝300Ω，因此定值電阻應(yīng)選擇R1；(2)連接電路實(shí)物圖時(shí)注意電流由電流表正接線柱流入，負(fù)接線柱流出．電流表A的負(fù)接線柱連接滑動(dòng)變