21微專題14電學實驗與創(chuàng)新

微專題14電學實驗與創(chuàng)新實驗裝置圖歸納總結(jié)考查熱點觀察電容器的充、放電現(xiàn)象①安裝：按實驗裝置圖連接好電路②觀察：開關(guān)S接1或2，仔細觀察電壓表、電流表示數(shù)的變化特點①考現(xiàn)象：充、放電時電路中的電流情況②考圖像：描繪I－t曲線③考計算：由I－t曲線下的面積求電荷量用多用電表測量電學中的物理量①測電壓、電流擋：相當于電壓表、電流表②測歐姆擋：閉合電路歐姆定律③調(diào)零：機械調(diào)零、歐姆調(diào)零④電流方向：紅表筆進，黑表筆出①考讀數(shù)：電壓、電流、電阻擋的讀數(shù)②考使用：歐姆表選擋、調(diào)零、規(guī)范操作等③考黑箱：多用電表探測黑箱內(nèi)的元件④電表改裝：所需電阻或改后量程的計算測定金屬的電阻率①測Rx：Rx＝eq\f(U,I)(伏安法)②算ρ：Rx＝ρeq\f(L,S)，ρ＝eq\f(SRx,L)①考讀數(shù)：U、I、L及d②考電路：電路設(shè)計或選擇、實物連線，器材選擇③考運算：由U－I圖像求Rx、ρ測量電源的電動勢和內(nèi)阻①伏安法：E＝U＋Ir②安阻法：E＝I(R＋r)③伏阻法：E＝U＋eq\f(U,R)r①考電路：電路設(shè)計或選擇、實物連線或改錯，器材選擇②考作圖：描點連線畫圖線③考運算：由U－I或eq\f(1,I)－R或eq\f(1,U)－eq\f(1,R)圖像，求E、r探究影響感應電流方向的因素①安裝：按裝置連接電路②操作：觀察線圈繞向、電流方向③記錄：實驗現(xiàn)象④分析：感應電流磁場方向①考連線：正確連接電路②考現(xiàn)象：分析指針偏轉(zhuǎn)方向③考分析：分析多種實驗電路及實驗現(xiàn)象④考運用：結(jié)論的運用探究變壓器原副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系①估計：被測電壓的大致范圍②選擇：交流電壓擋適當量程③組裝：把兩個線圈穿在可拆變壓器鐵芯上，閉合鐵芯④測量：輸入、輸出電壓①考操作：改變電壓、線圈匝數(shù)前均要先斷開開關(guān)②考注意：電壓不能超過12V，不能用手接觸裸露部件③考選擋：先用最大量程擋試測，再選用適當量程測量考向一探究電壓表內(nèi)阻對測量結(jié)果的影響1．(2023·江蘇卷)小明通過實驗探究電壓表內(nèi)阻對測量結(jié)果的影響．所用器材有：干電池(電動勢約1.5V，內(nèi)阻不計)2節(jié)；雙量程電壓表(量程0～3V，內(nèi)阻約3kΩ；量程0～15V，內(nèi)阻約15kΩ)1個；滑動變阻器(最大阻值50Ω)1個；定值電阻(阻值50Ω)21個；開關(guān)1個及導線若干．實驗電路如圖甲所示．甲乙(1)電壓表量程應選用____(填“3V”或“15V”).(2)圖乙為該實驗的實物電路(右側(cè)未拍全).先將滑動變阻器的滑片置于如圖所示的位置，然后用導線將電池盒上接線柱A與滑動變阻器的接線柱________(填“B”“C”或“D”)連接，再閉合開關(guān)，開始實驗．(3)將滑動變阻器滑片移動到合適位置后保持不變，依次測量電路中O與1，2，…，21之間的電壓．某次測量時，電壓表指針位置如圖丙所示，其示數(shù)為________V．根據(jù)測量數(shù)據(jù)作出電壓U與被測電阻值R的關(guān)系圖線，如圖丁中實線所示．丙丁(4)在圖甲所示的電路中，若電源電動勢為E，電壓表視為理想電壓表，滑動變阻器接入的阻值為R1，定值電阻的總阻值為R2，當被測電阻為R時，其兩端的電壓U＝________(用E、R1、R2、R表示)，據(jù)此作出U－R理論圖線如圖丁中虛線所示．小明發(fā)現(xiàn)被測電阻較小或較大時，電壓的實測值與理論值相差較?。?5)分析可知，當R較小時，U的實測值與理論值相差較小，是因為電壓表的分流小，電壓表內(nèi)阻對測量結(jié)果影響較?。∶髡J為，當R較大時，U的實測值與理論值相差較小，也是因為相同的原因．你是否同意他的觀點？請簡要說明理由．答案：(1)3V(2)D(3)1.50(4)eq\f(ER,R1＋R2)(5)見解析解析：(1)所用電源為兩節(jié)干電池，電動勢為3V，則所用電壓表量程為3V.(2)閉合開關(guān)之前，滑動變阻器阻值應該調(diào)到最大，則由圖可知，電池盒上的接線柱A應該與滑動變阻器的接線柱D連接．(3)電壓表最小刻度為0.1V，則讀數(shù)為1.50V.(4)由閉合電路歐姆定律可得I＝eq\f(E,R1＋R2)，當被測電阻阻值為R時電壓表讀數(shù)U＝IR＝eq\f(ER,R1＋R2).(5)不同意；當R較大時，則電壓表內(nèi)阻不能忽略，則電路中的電流I＝eq\f(E,R1＋(R2－R)＋\f(RRV,R＋RV))，則電壓表讀數(shù)為U＝eq\f(E,R1＋(R2－R)＋\f(RRV,R＋RV))·eq\f(RRV,R＋RV)＝eq\f(E,\f((R1＋R2－R)(R＋RV),RRV)＋1).若R較大，當R＝R2時，R最大，此時U＝eq\f(E,\f(R1(R2＋RV),R2RV)＋1)＝eq\f(E,\f(R1,RV)＋\f(R1,R2)＋1)，因RV?R1，則電壓表讀數(shù)接近于U＝eq\f(E,\f(R1,R2)＋1)＝eq\f(ER2,R1＋R2).考向二探究不同電壓下電容器的充、放電過程2．(2023·山東卷)電容儲能已經(jīng)在電動汽車，風、光發(fā)電、脈沖電源等方面得到廣泛應用．某同學設(shè)計圖甲所示電路，探究不同電壓下電容器的充、放電過程，器材如下：甲電容器C(額定電壓10V，電容標識不清)電源E(電動勢12V，內(nèi)阻不計)電阻箱R1(阻值0～99999.9Ω)滑動變阻器R2(最大阻值20Ω，額定電流2A)電壓表V(量程15V，內(nèi)阻很大)發(fā)光二極管D1、D2，開關(guān)S1、S2，電流傳感器，計算機，導線若干．(1)按照圖甲連接電路，閉合開關(guān)S1，若要升高電容器C的充電電壓，滑動變阻器R2的滑片應向________(填“a”或“b”)端滑動．(2)調(diào)節(jié)滑動變阻器R2的滑片位置，電壓表表盤如圖乙所示，示數(shù)為________V(保留一位小數(shù)).乙(3)繼續(xù)調(diào)節(jié)滑動變阻器R2的滑片位置，電壓表V示數(shù)為8.0V時，開關(guān)S2擲向1，得到電容器C的充電過程的I－t圖像，如圖丙所示．借鑒“用油膜法估測油酸分子的大小”實驗中估算油膜面積的方法，根據(jù)圖像可估算出充電結(jié)束后，電容器C存儲的電荷量為________C(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字).丙(4)本電路中所使用電容器C的電容約為________F(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字).(5)電容器C充電后，將開關(guān)S2擲向2，發(fā)光二極管________(填“D1”或“D2”)閃光．答案：(1)b(2)6.5(3)3.6×103(4)4.5×104(5)D1解析：(1)滑動變阻器R2分壓式接法，故向b端滑動充電電壓升高．(2)電壓表量程為15V，每個小格為0.5V，故示數(shù)為6.5V.(3)I－t圖像所圍的面積，等于電容器C存儲的電荷量，36個小格，故電容器C存儲的電荷量為3.6×103C.(4)由電容的定義式C＝eq\f(q,U)得C＝4.5×104C.(5)開關(guān)S2擲向2，電容器放電，故D1閃光．考向1探究型實驗(2023·蘇州三模)某同學用傳感器觀察電容器的放電過程，實驗操作如下：(1)本實驗的電路如圖甲所示，請在圖乙中用筆畫線代替導線連接實物圖(傳感器正常工作時電流從紅鱷魚夾流入，從黑鱷魚夾流出).甲乙(2)為校驗電阻箱阻值，在電路斷開的情況下該同學用歐姆表“×1k”擋測量了電阻箱的阻值，測量結(jié)果如圖丙所示，則電表讀數(shù)為________Ω.丙(3)已知蓄電池的電動勢為6V，內(nèi)阻不計，實驗結(jié)束后描繪的電容器放電i－t圖像如圖丁所示，根據(jù)圖像求得該電容器的電容大小約為________F(保留兩位有效數(shù)字).丁(4)實驗結(jié)果表明，電容的測量值小于標識值，請寫出導致該現(xiàn)象的一個主要原因__________.(5)將電容器放電后，該同學用歐姆表“×10”檔檢測電容器，當紅、黑表筆與電容器兩極連接后，發(fā)現(xiàn)指針先大角度向右偏轉(zhuǎn)，然后偏角逐漸減小，經(jīng)t1時間后返回；將該電容器放電后換用“×100”擋再次檢測，指針經(jīng)t2時間后返回，則t1________(填“大于”“小于”或“等于”)t2.答案：(1)見解析(2)60000(3)4.6×104(4)電容器的放電時間比較長，而實驗測量的時間有限，所以測得的電荷量偏小，導致電容的測量值偏小(5)小于解析：(1)實物圖如圖所示．(2)電表讀數(shù)為60×1000Ω＝60000Ω(3)根據(jù)公式Q＝It可知圖丙圖線與坐標軸圍成的面積為整個放電過程中釋放的電荷量，圖丙中一個小方格對應的電荷量為Q0＝10×106×5C＝5×105C故整個放電過程釋放的電荷量為Q＝55Q0＝55×5×105C＝2.75×103C可得該電容器的電容大小為C＝eq\f(Q,U)＝eq\f(Q,E)＝eq\f(2.75×103C,6V)≈4.6×104F.(4)導致該現(xiàn)象的一個主要原因為電容器的放電時間比較長，而實驗測量的時間有限，所以測得的電荷量偏小，導致電容的測量值偏?。?5)將電容器放電后與歐姆表連接，相當于先對電容器充電，充電完畢后相當于斷開，所以指針先大角度向右偏轉(zhuǎn)，然后偏角逐漸減??；歐姆表“×10”擋時的內(nèi)阻較小，可知此時的充電電流較大，根據(jù)Q＝CU，選用不同擋位時，充電結(jié)束后電容器的帶電荷量相同，由于歐姆表“×10”擋時的充電電流較大，結(jié)合公式Q＝It，可知此時充電時間較小，即t1＜t2.在分析探究型實驗時，先確定要探究的兩個物理量，然后根據(jù)相關(guān)的物理規(guī)律(或定律)找到兩個物理量之間的定量關(guān)系．而在利用圖像表示兩個物理量之間的關(guān)系時，呈正比例函數(shù)或線性關(guān)系更直觀，如果當兩個物理量作出的圖像是曲線時，此時可以采取“化曲為直”的方法來得到兩物理量的正比例函數(shù)或線性關(guān)系圖像．(2023·南外、金陵、海安三校聯(lián)考)某同學研究標有額定電壓為3.8V字樣(額定功率字跡不清)的小燈泡的伏安特性，使用實驗室里的電壓表、電流表和滑動變阻器等常規(guī)器材進行實驗，測得的數(shù)據(jù)如表所示．次數(shù)123456U/V00.100.200.400.601.00I/A00.0800.1000.1180.1280.160次數(shù)789101112U/V1.602.202.603.003.403.80I/A0.2000.2380.2580.2780.2910.310(1)在虛線框中畫出實驗電路圖．(2)在如圖甲所示的坐標系中，根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)，描出第7、8次的數(shù)據(jù)點，再畫出小燈泡的伏安特性曲線.甲(3)實驗中小燈泡兩端的電壓從零變化到額定電壓的過程中，小燈泡的最大電阻約為________Ω(保留三位有效數(shù)字)；根據(jù)你的電路設(shè)計，考慮電流表、電壓表帶來的系統(tǒng)誤差時，小燈泡最大電阻的測量值比此時的真實值偏________．(4)將本實驗用的小燈泡接入如圖乙所示的電路，電源電壓恒為6.0V，定值電阻R1＝30Ω，電流表(內(nèi)阻不計)讀數(shù)為0.45A.根據(jù)你描繪出的小燈泡的伏安特性曲線，此時小燈泡消耗的實際功率約為________W(保留兩位有效數(shù)字).乙答案：(1)見解析(2)見解析(3)12.3小(4)0.63解析：(1)該實驗中需要測量較多數(shù)據(jù)，滑動變阻器應采用分壓式接法，小燈泡電阻較小，電流表采用外接法，實驗電路圖如圖所示．(2)在坐標系中描出第7、8次的數(shù)據(jù)點，用平滑曲線連接各點，使各點落在曲線上，或均勻分布在兩側(cè)，遠離的點舍去，伏安特性曲線如圖所示．(3)當電流最大時，溫度最高，此時對應的電阻最大，則有Rm＝eq\f(U,I)＝eq\f(3.80,0.31)Ω≈12.3Ω電壓表與電阻并聯(lián)有分流作用，電流表的測量值大于通過電阻電流的真實值，根據(jù)歐姆定律可知小燈泡最大電阻的測量值比此時的真實值偏?。?4)通過R1的電流為I1＝eq\f(U,R1)＝0.2A通過小燈泡的電流為I2＝I－I1＝0.25A由伏安特性曲線可知，小燈泡兩端的電壓為UL＝2.5V故燈泡的功率為PL＝ULI2＝0.63W.考向2測量型實驗(2023·蘇北四市調(diào)研)某同學測量一段粗細均勻金屬絲的電阻率，器材如下：金屬絲Rx，電源E(電動勢3V、內(nèi)阻不計)，電流表(量程0～0.6A、內(nèi)阻0.5Ω)，電壓表(量程0～3V、內(nèi)阻約3kΩ)，滑動變阻器R(最大阻值15Ω)，毫米刻度尺，開關(guān)S及導線若干．實驗步驟如下：(1)首先用毫米刻度尺測出接入電路中金屬絲的長度l＝50.00cm，再用螺旋測微器測金屬絲直徑，示數(shù)如圖甲所示，金屬絲直徑的測量值d＝________mm.eq\o(\s\up7(),\s\do5(甲))(2)為減小誤差，應選用圖乙中的________(填“a”或“b”)連接線路．eq\o(\s\up7(),\s\do5(a))eq\o(\s\up7(),\s\do5(b))乙(3)實驗過程中，改變滑動變阻器的滑片位置，并記錄兩電表的讀數(shù)，作出如圖丙所示的U－I圖像，可得金屬絲的電阻R＝____Ω，電阻率ρ＝____Ω·m(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字).eq\o(\s\up7(),\s\do5(丙))(4)電路保持閉合，若測量時間較長，會使電阻率的測量結(jié)果________(填“偏大”“偏小”或“不變”).答案：(1)0.500(0.499～0.501)(2)a(3)4.0(3.9～4.1)1.6×106(4)偏大解析：(1)金屬絲直徑的測量值d＝0.5mm＋0×0.01mm＝0.500mm.(2)由于電源內(nèi)阻不計，而電壓表的內(nèi)阻未知，電流表的內(nèi)阻已知，為減小誤差，應選用圖乙中的“a”連接線路．(3)根據(jù)圖a，可得U＝I(Rx＋RA)，作出如圖丙所示的U－I圖像，可得直線斜率為k＝eq\f(ΔU,ΔI)＝eq\f(2.70－0.90,0.60－0.20)Ω＝4.5Ω＝RA＋Rx，可得金屬絲的電阻Rx＝4.0Ω；根據(jù)電阻定律可得，電阻率ρ＝eq\f(πRxd2,4l)＝eq\f(3.14×4.0×(0.500×103)2,4×50.00×102)Ω·m≈1.6×106Ω·m.(4)電路保持閉合，若測量時間較長，金屬絲發(fā)熱，溫度升高，會使金屬絲的電阻率增大，所以測量結(jié)果將偏大．該實驗要明確一個基本的測量電路和一個原理(閉合電路的歐姆定律)，在實際的考查中，可能會進行一定的變換，如電路中缺少某一電表，遇到這種情況，首先要緊扣閉合電路的歐姆定律的公式E＝U＋Ir，分析題目中所缺少的電表是哪一個電表，然后根據(jù)題目中所提供的器材想辦法得出所缺電表要測的那個物理量．(2023·常州期末)某同學測量一新型電源的電動勢和內(nèi)阻，器材有：一個滿偏電流為100μA、內(nèi)阻為2500Ω的表頭，一個開關(guān)，電阻箱(0～999.9Ω)，滑動變阻器R0(最大阻值100Ω，允許最大電流1.5A)，若干導線，刻度尺和記號筆．(1)由于表頭量程偏小，該同學將表頭與電阻箱連接，將表頭改裝成量程為50mA的電流表，該電阻箱阻值應為________Ω(保留兩位有效數(shù)字).(2)該同學用改裝后的電流表測量電源的電動勢和內(nèi)阻，請用筆畫線代替導線，完成表頭改裝和實驗電路的實物圖連接．(3)開關(guān)閉合前，借助刻度尺和記號筆將滑動變阻器的電阻絲螺線管均分成5等份，將相應位置標記為n＝0、1、2、3、4、5，閉合開關(guān)，將滑動變阻器滑片依次置于不同標記點n，并記錄改裝后電流表的示數(shù)，即可得到下表的5組數(shù)據(jù)，請在坐標系中作出eq\f(1,I)－n圖像．n54321I/mA16.019.123.832.150.0eq\f(1,I)/A162.552.442.031.220.0(4)求出該電源的電動勢E＝________V，內(nèi)阻r＝________Ω(均保留兩位有效數(shù)字).答案：(1)5.0(2)見解析(3)見解析(4)1.8～1.913～14解析：(1)將小量程的電流表改裝成大量程的電流表需要并聯(lián)一個電阻，根據(jù)歐姆定律可知并聯(lián)電阻的阻值為R＝eq\f(IgRg,IA－Ig)＝eq\f(100×106×2500,50×103－100×106)Ω＝5.0Ω，故電阻箱阻值應為5.0Ω.(2)將電流表與電阻箱并聯(lián)，與其他元件串聯(lián)，實物圖連接如圖所示．(3)根據(jù)表格中數(shù)據(jù)在坐標系中描點，用直線連線，讓大部分點落在直線上或均勻分布在直線兩側(cè)，距離較大的點舍去．圖像如圖所示．(4)改裝后電流表的內(nèi)阻R內(nèi)＝eq\f(IgRg,IA)＝eq\f(100×106×2500,50×103)Ω＝5.0Ω，根據(jù)閉合電路歐姆定律有E＝Ieq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(R內(nèi)＋r＋\f(nR0,5)))，即eq\f(1,I)＝eq\f(R內(nèi)＋r,E)＋eq\f(nR0,5E)，圖像的斜率為eq\f(R0,5E)＝eq\f(70－10,5.6)A1，圖像縱軸截距為eq\f(R內(nèi)＋r,E)＝10A1，代入數(shù)據(jù)解得E＝1.9V，r＝14Ω.考向3創(chuàng)新型實驗(2023·蘇錫常鎮(zhèn)調(diào)研二)某興趣小組嘗試研究一塊太陽能電池的相關(guān)性能．為控制光照強度，他們采用一個18W的臺燈作為光源，并在距離光源40cm處將太陽能電池正對燈管進行實驗．(1)該小組采用圖甲所示電路研究該太陽能電池路端電壓U與電流I的關(guān)系，通過實驗記錄及運算，獲得了如下U和I的數(shù)據(jù)表．序號123456I/mA0.110.150.170.190.220.26U/V1.051.361.351.341.331.31序號789101112I/mA0.320.400.550.800.860.90U/V1.271.211.100.720.430.10他們在U－I坐標中描繪了序號為1～9的數(shù)據(jù)點．請完成序號為10～12的數(shù)據(jù)點的描繪，并繪制U－I圖線．甲乙(2)從描繪的各數(shù)據(jù)點來看，序號為1的數(shù)據(jù)存在實驗錯誤，其可能的原因有________(填字母).A．電阻箱實際接入阻值大于電阻箱記錄值B．電阻箱實際接入阻值小于電阻箱記錄值C．測量該數(shù)據(jù)時將太陽能電池的朝向弄偏了D．測量該數(shù)據(jù)時將太陽能電池向燈靠近了(3)通過實驗圖線可知，該太陽能電池的電動勢為________V；若將該太陽能電池直接與R＝900Ω的定值電阻相連，則此時該電池的內(nèi)阻約為________Ω(結(jié)果均保留三位有效數(shù)字).(4)對太陽能電池來講，最大輸出功率是其重要參數(shù)．根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以估算這塊太陽能電池在該光照條件下的最大輸出功率為________mW(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字).答案：(1)見解析(2)AC(3)1.40(1.37～1.43)875(825～890)(4)0.63(0.60～0.65)解析：(1)根據(jù)表格數(shù)據(jù)在U－I圖像中描繪序號為10～12的數(shù)據(jù)點，作出U－I圖線如圖所示．(2)從描繪的各數(shù)據(jù)點來看，序號為1的數(shù)據(jù)存在實驗錯誤．電阻箱實際接入阻值大于電阻箱記錄值，根據(jù)U＝IR，可知電壓測量值小于真實值，故A正確，B錯誤；測量該數(shù)據(jù)時將太陽能電池的朝向弄偏了，則測量時電動勢偏小，電流和電壓測量值偏小，故C正確；測量該組數(shù)據(jù)時將太陽能電池向燈靠近了，則測量時電動勢偏大，電流和電壓測量值偏大，故D錯誤．(3)當電流I＝0時，通過實驗圖線可知，該太陽能電池的電動勢為E＝1.40V，若將該太陽能電池直接與R＝900Ω的定值電阻相連，在圖像中作出定值電阻的U－I圖線，如圖所示，根據(jù)圖像交點可知，此時外電壓為0.70V，電流為I＝0.80mA，根據(jù)閉合電路歐姆定律可得E＝U＋Ir，解得此時該電池的內(nèi)阻為r＝eq\f(E－U,I)＝eq\f(1.40－0.70,0.80×103)Ω＝875Ω.(4)這塊太陽能電池的輸出功率為P＝UI，由U－I圖像可知，這塊太陽能電池在該光照條件下的最大輸出功率約為Pm＝0.9×0.7mW＝0.63mW.實驗的基本原理和實驗方法是考查的核心，所以在分析這類實驗時，應明確實