專題20電學(xué)實驗二多用表和電容及傳感器實驗（講義）-（原卷版）

專題18電學(xué)實驗二多用表和電容及傳感器實驗01專題網(wǎng)絡(luò)·思維腦圖02考情分析·解密高考03高頻考點·以考定法04核心素養(yǎng)·難點突破05創(chuàng)新好題·輕松練考點內(nèi)容學(xué)習(xí)目標(biāo)多用表原理及使用1.掌握多用表原理，會使用多用表；2.掌握兩種電表改裝方法及功率測量；3.掌握傳感器和電學(xué)創(chuàng)新實驗，掌握電容器充放電實驗電表改裝和功率測量傳感器、電容實驗多用電表原理多用電表可以用來測量電流、電壓、電阻等，并且每一種測量項目都有幾個量程．外形如圖所示：上半部分為表盤，表盤上有電流、電壓、電阻等多種量程的刻度；下半部分為選擇開關(guān)，它的四周刻有各種測量項目和量程．多用電表面板上還有：歐姆表的歐姆調(diào)零旋鈕(使電表指針指在右端零歐姆處)、指針定位螺絲(使電表指針指在左端的“0”位置)、表筆的正、負(fù)插孔(紅表筆插入“＋”插孔，黑表筆插入“－”插孔)．用多用電表測量小燈泡的電壓和電流按如圖甲所示的電路圖連好電路，將多用電表選擇開關(guān)置于直流電壓擋，測小燈泡兩端的電壓．紅表筆接電勢高(填“高”或“低”)的點．按如圖乙所示的電路圖連好電路，將選擇開關(guān)置于直流電流擋，測量通過小燈泡的電流．此時電流從紅色表筆流入電表．用多用電表測定值電阻的阻值電路圖I與Rx的對應(yīng)關(guān)系相當(dāng)于待測電阻Rx＝0，調(diào)節(jié)R使I＝Ig＝eq\f(E,Rg＋r＋R)，此時指針指在Ig處(RΩ＝Rg＋r＋R)相當(dāng)于待測電阻Rx＝∞，此時I＝0，指針不偏轉(zhuǎn)待測電阻為Rx，I＝eq\f(E,RΩ＋Rx)，指針指到某確定位置，此時Rx＝eq\f(E,I)－RΩ刻度特點表頭電流滿偏I(xiàn)g處，對應(yīng)歐姆表零刻度(最右側(cè))表頭電流I＝0處，對應(yīng)歐姆表∞刻度(最左側(cè))表頭電流I與電阻Rx一一對應(yīng)，但不是線性關(guān)系，表盤刻度不均勻注意：1）黑表筆與電源的正極連接，紅表筆與電源的負(fù)極連接，電流方向為“紅進黑出”．2）當(dāng)多用電表指針指在中央時eq\f(Ig,2)＝eq\f(E,RΩ＋R中)，知中值電阻R中＝RΩ.測量步驟估測待測電阻阻值，選擇合適的量程．歐姆調(diào)零．將被測電阻接在紅黑表筆之間．讀數(shù)：指針示數(shù)乘以倍率．使用完畢：選擇開關(guān)置于“OFF”擋，長期不用應(yīng)取出電池．注意事項區(qū)分“機械零點”與“歐姆零點”．機械零點是表盤刻度左側(cè)的“0”位置，機械調(diào)零對應(yīng)的是表盤下邊中間的指針定位螺絲；歐姆零點是指刻度盤右側(cè)的“0”位置，歐姆調(diào)零對應(yīng)的是歐姆調(diào)零旋鈕．使指針指在中值附近，否則換擋．測電阻時每換一次擋必須重新歐姆調(diào)零．手不能接觸表筆的金屬桿．測量電阻時待測電阻要與其他元件和電源斷開．電容器的充放電實驗原理電容器的充電過程：如圖所示，當(dāng)開關(guān)S接1時，電容器接通電源，在靜電力的作用下自由電子從正極板經(jīng)過電源向負(fù)極板移動，正極板因失去電子而帶正電，負(fù)極板因獲得電子而帶負(fù)電．正、負(fù)極板帶等量的正、負(fù)電荷．電荷在移動的過程中形成電流．在充電開始時電流比較大(填“大”或“小”)，以后隨著極板上電荷的增多，電流逐漸減小(填“增大”或“減小”)，當(dāng)電容器兩極板間電壓等于電源電壓時，電荷停止定向移動，電流I＝0.電容器的放電過程：如圖所示，當(dāng)開關(guān)S接2時，相當(dāng)于將電容器的兩極板直接用導(dǎo)線連接起來，電容器正、負(fù)極板上電荷發(fā)生中和．在電子移動過程中，形成電流．放電開始電流較大(填“大”或“小”)，隨著兩極板上的電荷量逐漸減小，電路中的電流逐漸減小(填“增大”或“減小”)，兩極板間的電壓也逐漸減小到零．實驗步驟按圖連接好電路．把單刀雙擲開關(guān)S打在上面，使觸點1與觸點2連通，觀察電容器的充電現(xiàn)象，并將結(jié)果記錄在表格中．將單刀雙擲開關(guān)S打在下面，使觸點3與觸點2連通，觀察電容器的放電現(xiàn)象，并將結(jié)果記錄在表格中．記錄好實驗結(jié)果，關(guān)閉電源．注意事項電流表要選用小量程的靈敏電流計．要選擇大容量的電容器．實驗要在干燥的環(huán)境中進行．常見的傳感器傳感器的工作原理：能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等被測量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為便于傳送和處理的可用信號輸出．通常轉(zhuǎn)換成的可用信號是電壓、電流等電學(xué)量，或轉(zhuǎn)換為電路的通斷．把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，可以很方便地進行測量、傳輸、處理和控制．傳感器應(yīng)用的一般模式如圖所示：傳感器的核心元件敏感元件：能直接感受或響應(yīng)外界被測非電學(xué)量的部分．轉(zhuǎn)換元件：能將敏感元件輸出的信號直接轉(zhuǎn)換成電信號的部分．信號調(diào)整與轉(zhuǎn)換電路：能把輸出的微弱的電信號放大的部分．傳感器的分類工作原理舉例物理傳感器利用物質(zhì)的物理特性或物理效應(yīng)感知并檢測出待測對象信息力傳感器、磁傳感器、聲傳感器等化學(xué)傳感器利用電化學(xué)反應(yīng)原理，把無機或有機化學(xué)物質(zhì)的成分、濃度轉(zhuǎn)換為電信號離子傳感器、氣體傳感器等生物傳感器利用生物活性物質(zhì)的選擇性來識別和測定生物化學(xué)物質(zhì)酶傳感器、微生物傳感器、細(xì)胞傳感器等光敏電阻特點：光照越強，電阻越小．原因：光敏電阻的構(gòu)成物質(zhì)為半導(dǎo)體材料，無光照時，載流子極少，導(dǎo)電性能差；隨著光照的增強，載流子增多，導(dǎo)電性變好．作用：把光照強弱這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量．熱敏電阻和金屬熱電阻熱敏電阻：熱敏電阻一般由半導(dǎo)體材料制成，其電阻隨溫度的變化明顯，溫度升高電阻減小，如圖甲所示為某一熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性曲線．金屬熱電阻：有些金屬的電阻率隨溫度的升高而增大，這樣的電阻也可以制作溫度傳感器，稱為熱電阻，如圖乙所示為某金屬導(dǎo)線電阻的溫度特性曲線．作用：熱敏電阻和金屬熱電阻都能夠把溫度這個熱學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量．注意：在工作溫度范圍內(nèi)，電阻值隨溫度上升而增加的是正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻器；電阻值隨溫度上升而減小的是負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器．電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片的作用：電阻應(yīng)變片能夠把物體形變這個力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量．電子秤的組成及敏感元件：由金屬梁和電阻應(yīng)變片組成，敏感元件是應(yīng)變片．電子秤的工作原理eq\x(金屬梁自由端受力F)?eq\x(金屬梁發(fā)生彎曲)?eq\x(應(yīng)變片的電阻變化)?eq\x(兩應(yīng)變片上電壓的差值變化)考向一：多用表的使用【探究重點】用多用電表測二極管的正、反向電阻認(rèn)識二極管：晶體二極管由半導(dǎo)體材料制成，它的符號如圖所示，左端為正極，右端為負(fù)極．特點：當(dāng)給二極管加正向電壓時電阻很小，當(dāng)給二極管加反向電壓時電阻很大．用歐姆擋判斷二極管的正負(fù)極將多用電表歐姆擋調(diào)零之后，若多用電表指針偏角很大，則黑表筆接觸二極管的正極，紅表筆接觸二極管的負(fù)極(如圖甲)；若多用電表指針偏角很小，則黑表筆接觸二極管的負(fù)極，紅表筆接觸二極管的正極(如圖乙)．探索黑箱內(nèi)的電學(xué)元件判斷目的應(yīng)用擋位現(xiàn)象電源電壓擋兩接線柱正、反接時均無示數(shù)，說明無電源電阻歐姆擋兩接線柱正、反接時示數(shù)相同二極管歐姆擋正接時示數(shù)很小，反接時示數(shù)很大【高考解密】(2022·湖南卷·12)小夢同學(xué)自制了一個兩擋位(“×1”“×10”)的歐姆表，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，R0為調(diào)零電阻(最大阻值為R0m)，Rs、Rm、Rn為定值電阻(Rs＋R0m<Rm<Rn)，電流計G的內(nèi)阻為RG(Rs?RG)．用此歐姆表測量一待測電阻的阻值，回答下列問題：(1)短接①②，將單刀雙擲開關(guān)S與m接通，電流計G示數(shù)為Im；保持電阻R0滑片位置不變，將單刀雙擲開關(guān)S與n接通，電流計G示數(shù)變?yōu)镮n，則Im________In(選填“大于”或“小于”)；(2)將單刀雙擲開關(guān)S與n接通，此時歐姆表的擋位為________(選填“×1”或“×10”)；(3)若從“×1”擋位換成“×10”擋位，調(diào)整歐姆零點(歐姆零點在電流計G滿偏刻度處)時，調(diào)零電阻R0的滑片應(yīng)該________調(diào)節(jié)(選填“向上”或“向下”)；(4)在“×10”擋位調(diào)整歐姆零點后，在①②間接入阻值為100Ω的定值電阻R1，穩(wěn)定后電流計G的指針偏轉(zhuǎn)到滿偏刻度的eq\f(2,3)；取走R1，在①②間接入待測電阻Rx，穩(wěn)定后電流計G的指針偏轉(zhuǎn)到滿偏刻度的eq\f(1,3)，則Rx＝________Ω.考向預(yù)測】(2023·江蘇無錫市模擬)(1)如圖甲所示，是歐姆表測未知電阻Rx阻值的原理圖，電路中電池的電動勢為E、內(nèi)阻為r，R0為調(diào)零電阻，Rg為表頭內(nèi)阻，則電流I與待測電阻的阻值Rx關(guān)系式為I＝________；(調(diào)零電阻接入電路的部分阻值用R0表示)(2)I－Rx的關(guān)系圖像如圖乙所示，由圖像判斷下列說法正確的是________；A．指針偏角越小，測量的誤差越小B．歐姆調(diào)零是當(dāng)Rx＝0時，調(diào)節(jié)R0使電路中的電流I＝IgC．Rx越小，相同的電阻變化量對應(yīng)的電流變化量越大，所以歐姆表的示數(shù)左密右疏D．測量中，當(dāng)Rx的阻值為圖乙中的R2時，指針位于表盤中央位置的右側(cè)(3)用歐姆擋粗測電阻，選用“×10”倍率擋測量，發(fā)現(xiàn)指針偏轉(zhuǎn)角度過小，因此需選擇________(選填“×1”或“×100”)倍率的擋位，換擋后應(yīng)重新進行________(選填“歐姆”或“機械”)調(diào)零，測量時多用電表的示數(shù)如圖丙所示，測量結(jié)果為Rx＝________Ω考向二：電表改裝和電功率測量【探究重點】電表的兩種改裝的比較改裝成大量程電壓表改裝成大量程電流表內(nèi)部電路改裝原理串聯(lián)分壓并聯(lián)分流所需電阻阻值R＝eq\f(U,Ig)－RgR＝eq\f(Ug,I－Ig)改裝后的量程U＝Ig(Rg＋R)I＝eq\f(R＋Rg,R)Ig校準(zhǔn)電路【高考解密】(2022·遼寧·高考真題)某同學(xué)要將一小量程電流表(滿偏電流為，內(nèi)阻為)改裝成有兩個量程的電流表，設(shè)計電路如圖(a)所示，其中定值電阻，。(1)當(dāng)開關(guān)S接A端時，該電流表的量程為___________；(2)當(dāng)開關(guān)S接B端時，該電流表的量程比接在A端時___________(填“大”或“小”)(3)該同學(xué)選用量程合適的電壓表(內(nèi)阻未知)和此改裝電流表測量未知電阻的阻值，設(shè)計了圖(b)中兩個電路。不考慮實驗操作中的偶然誤差，則使用___________(填“甲”或“乙”)電路可修正由電表內(nèi)阻引起的實驗誤差?！究枷蝾A(yù)測】某實驗小組要測量一個用電器L的額定功率(額定電壓為10V、額定功率在12～15W之間)，測量電路的部分導(dǎo)線已經(jīng)接好(如圖所示)．實驗室有下列器材可供選用：直流電源：E1(電動勢為3V，內(nèi)阻很小)E2(電動勢為15V，內(nèi)阻很小)直流電流表：A1(量程0～0.6A，內(nèi)阻約為0.5Ω)A2(量程0～3A，內(nèi)阻約為0.1Ω)直流電壓表：V(量程為3V、內(nèi)阻為3kΩ)滑動變阻器：R1(阻值范圍0～20Ω)R2(阻值范圍0～200Ω)定值電阻：R3＝3kΩ、R4＝9kΩ、R5＝25kΩ開關(guān)一個，導(dǎo)線若干為使測量盡可能準(zhǔn)確、方便，請回答下列問題：(1)電源應(yīng)該選擇________(填“E1”或“E2”)；(2)電流表應(yīng)該選擇________(填“A1”或“A2”)；(3)滑動變阻器應(yīng)該選擇________(填“R1”或“R2”)；(4)由于電壓表的量程不夠，要利用一個定值電阻進行改裝．請選擇合適的定值電阻，在圖中用筆畫線代替導(dǎo)線連接好測量電路的剩余部分．考向三：傳感器、電容實驗【探究重點】電容器的充、放電：①充電：使電容器帶電的過程，充電后電容器兩極板帶上等量的異種電荷，電容器中儲存電場能．②放電：使充電后的電容器失去電荷的過程，放電過程中電場能轉(zhuǎn)化為其他形式的能．霍爾元件的工作原理：E、F間通入恒定的電流I，同時外加與薄片垂直的磁場B時，薄片中的載流子就在洛倫茲力作用下，向著與電流和磁場都垂直的方向漂移，使M、N間出現(xiàn)電壓(如圖所示)．霍爾元件在電流、電壓穩(wěn)定時，載流子所受靜電力和洛倫茲力二力平衡．霍爾電壓：UH＝keq\f(IB,d)(d為薄片的厚度，k為霍爾系數(shù))．其中UH與B成正比，所以霍爾元件能夠把磁感應(yīng)強度這個磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學(xué)量．【高考解密】（2023·山東·統(tǒng)考高考真題）電容儲能已經(jīng)在電動汽車，風(fēng)、光發(fā)電、脈沖電源等方面得到廣泛應(yīng)用。某同學(xué)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：電容器C（額定電壓，電容標(biāo)識不清）；電源E（電動勢，內(nèi)阻不計）；電阻箱（阻值）；滑動變阻器（最大阻值，額定電流）；電壓表V（量程，內(nèi)阻很大）；發(fā)光二極管，開關(guān)，電流傳感器，計算機，導(dǎo)線若干?；卮鹨韵聠栴}：（1）按照圖甲連接電路，閉合開關(guān)，若要升高電容器充電電壓，滑動變阻器滑片應(yīng)向端滑動（填“a”或“b”）。（2）調(diào)節(jié)滑動變阻器滑片位置，電壓表表盤如圖乙所示，示數(shù)為V（保留1位小數(shù)）。（3）繼續(xù)調(diào)節(jié)滑動變阻器滑片位置，電壓表示數(shù)為時，開關(guān)擲向1，得到電容器充電過程的圖像，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，電容器存儲的電荷量為C（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）。（4）本電路中所使用電容器的電容約為F（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）。（5）電容器充電后，將開關(guān)擲向2，發(fā)光二極管（填“”或“”）閃光。(2023·山西·統(tǒng)考高考真題)在“觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”實驗中，所用器材如下：電池、電容器、電阻箱、定值電阻、小燈泡、多用電表、電流表、秒表、單刀雙擲開關(guān)以及導(dǎo)線若干。(1)用多用電表的電壓擋檢測電池的電壓。檢測時，紅表筆應(yīng)該與電池的___________(填“正極”或“負(fù)極”)接觸。(2)某同學(xué)設(shè)計的實驗電路如圖(a)所示。先將電阻箱的阻值調(diào)為，將單刀雙擲開關(guān)S與“1”端相接，記錄電流隨時間的變化。電容器充電完成后，開關(guān)S再與“2”端相接，相接后小燈泡亮度變化情況可能是___________。(填正確答案標(biāo)號)A．迅速變亮，然后亮度趨于穩(wěn)定B．亮度逐漸增大，然后趨于穩(wěn)定C．迅速變亮，然后亮度逐漸減小至熄滅(3)將電阻箱的阻值調(diào)為，再次將開關(guān)S與“1”端相接，再次記錄電流隨時間的變化情況。兩次得到的電流I隨時間t變化如圖(b)中曲線所示，其中實線是電阻箱阻值為___________(填“R1”或“R2”)時的結(jié)果，曲線與坐標(biāo)軸所圍面積等于該次充電完成后電容器上的___________(填“電壓”或“電荷量”)?！究枷蝾A(yù)測】(2023·山東省實驗中學(xué)模擬)電容器是一種重要的電學(xué)元件，在電工、電子技術(shù)中應(yīng)用廣泛．使用圖甲所示電路觀察電容器的充、放電過程．電路中的電流傳感器與計算機相連，可以顯示電路中電流隨時間的變化關(guān)系．圖甲中直流電源電動勢E＝8V，實驗前電容器不帶電．先使S與“1”端相連給電容器充電，充電結(jié)束后，使S與“2”端相連，直至放電完畢．計算機記錄的電流隨時間變化的i－t曲線如圖乙所示．(1)乙圖中陰影部分的面積S1________S2；(選填“>”“<”或“＝”)(2)計算機測得S1＝1203mA·s，則該電容器的電容為________F；(保留兩位有效數(shù)字)(3)由甲、乙兩圖可判斷阻值R1________R2.(選填“>”“<”或“＝”)(2023·江蘇南通市模擬)某實驗小組測量一新材料制成的粗細(xì)均勻金屬絲的電阻率，金屬絲的長度已知．(1)用螺旋測微器量金屬絲的直徑，示數(shù)如圖甲所示，其直徑為________mm.(2)用多用電表粗測金屬絲的阻值．當(dāng)用電阻“×10”擋時，發(fā)現(xiàn)指針偏轉(zhuǎn)角度過大，進行一系列正確操作后，指針靜止時位置如圖乙所示，其讀數(shù)為________Ω.(3)為了精確地測量金屬絲的電阻Rx，實驗室提供了下列器材：A．電流表A1(量程500μA，內(nèi)阻1kΩ)B．電流表A2(量程0.3A，內(nèi)阻約0.1Ω)C．滑動變阻器R1(0～5Ω，額定電流1.0A)D．滑動變阻器R2(0～1Ω，額定電流1.0A)E．電阻箱R(阻值范圍為0～9999.9Ω)F．電源(電動勢3.0V，內(nèi)阻約0.2Ω)G．開關(guān)S、導(dǎo)線若干①實驗小組設(shè)計的實驗電路圖如圖丙所示．由于沒有電壓表，需要把電流表A1串聯(lián)電阻箱R改為量程為3V的電壓表，則電阻箱的阻值調(diào)為________Ω.滑動變阻器應(yīng)選擇________(選填“R1”或“R2”)②正確連接電路后，閉合開關(guān)，調(diào)節(jié)滑動變阻器測得5組電流表A1、A2的值I1、I2，數(shù)據(jù)見下表．請根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，在方格紙上作出I1－I2圖像，并由圖像求出Rx＝________Ω(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)，進而可以求出金屬絲的電阻率．I1/(×103μA)0.1210.1650.2180.2660.306I2/A0.1000.1500.1900.2300.280③關(guān)于本實驗的誤差，下列說法正確的是_______________________________________．A．用螺旋測微器測量金屬絲直徑時，由于讀數(shù)引起的誤差屬于系統(tǒng)誤差B．用I1－I2圖像處理實驗數(shù)據(jù)求出金屬絲阻值可以減小偶然誤差C．需要將得到的幾組電表示數(shù)取平均值以減小誤差D．為減小讀數(shù)時的誤差，電表讀數(shù)時應(yīng)多估讀幾位數(shù)（2023·江蘇省南通市高三下學(xué)期第三次調(diào)研）學(xué)習(xí)小組為研究黑盒a、b兩端電壓隨電流變化的規(guī)律．實驗室提供如下器材：A．黑盒B．電流表A（0.6A，內(nèi)阻約0.5Ω）C．電壓表V1（3V，內(nèi)阻約3kΩ）D．電壓表V2（6V，內(nèi)阻約6kΩ）E．滑動變阻器R（0~20Ω）F．開關(guān)，導(dǎo)線若干（1）學(xué)習(xí)小組設(shè)計了如圖甲所示的電路，閉合開關(guān)S，移動滑動變阻器R的滑片，記錄相應(yīng)的電壓表示數(shù)U和電流表示數(shù)I如下表，請根據(jù)表中數(shù)據(jù)在圖乙中作出UI圖線_____。U/V1.951.731.521.301.100.88I/A0.180.220.260.300.340.38（2）將黑盒視為一個電源，根據(jù)作出的圖線可得黑盒的等效電動勢E0=_____V（結(jié)果保留三位有效數(shù)字）。（3）圖甲中電壓表應(yīng)選用_____（選填“C”或“D”）。（4）因電表內(nèi)阻影響，黑盒等效電動勢E0測量值_____（選填“偏大”或“偏小”），原因是_____。（5）打開黑盒，內(nèi)部電路如圖丙所示，其中電阻R1=7.5Ω，R2=7.5Ω，R3=10.0Ω，電池E（電動勢9.0V，內(nèi)阻不計）。甲圖中電壓表的正、負(fù)接線柱分別與a、b相連，電阻R4的阻值最接近_____。A．2.0ΩB．10.0ΩC．50.0Ω(2023·江蘇徐州市模擬)某同學(xué)利用如圖甲所示電路觀察電容器的充、放電現(xiàn)象，電流傳感器與