专题09 电学实验压轴题的5大命题点及破解策略（原卷版）[共20页]

1、“强基计划”尖子生的自我修养系列(一)电学实验的3大创新考查角度在高考中对电学实验一般不直接考查课本上的学生实验,而是在学生实验的基础上进行创新,比如常常在实验原理、实验器材、数据处理等方面加以改进；学生应以常规实验为依据,从实验电路图入手,结合实验的具体要求进行推理分析。角 度 一 对实验原理的创新考查在高考的电学实验中,并不仅仅测量电阻的阻值或测定电源的电动势和内阻,有时可能会测定二极管的导电特性、电容器的充、放电规律等。处理此类问题时,首先要掌握被测实验器材的电学特性,其次要熟练把握控制电路、测量电路的特点。例1二极管具有独特的单向导电性,当在二极管两极之间所加正向电压小于某值时,二极管

2、的电阻很大(1106 ,甚至更大),而当正向电压超过某值时,二极管的电阻随两端电压的升高而急剧减小。为了探究二极管的导电特性：(1)实验小组先用多用电表判断二极管的极性。步骤如下：A将多用电表置于欧姆表“100”挡,短接红、黑表笔,调整_,使指针指向表盘右侧“0”位置；B将二极管串接在两表笔之间,多用电表示数如图甲中a所示；C将二极管两极对调,多用电表示数如图甲中b所示,则此时与红表笔接触的是二极管的_(填“正”或“负”)极。(2)实验小组设计了如图乙所示的实验电路,通过实验测得相关数据如下表。正向电压U/V0.100.200.300.400.500.550.600.650.680.70正向电

3、流I/mA0000.020.260.561.131.792.373.00由二极管的特性和表中数据可知,当电压表示数为00.30 V时,图乙中开关S一定接在位置_；根据表中数据,在图丙中作出二极管的伏安特性曲线(要求保留所描的点迹),由图线可知,二极管是_(填“线性”或“非线性”)元件。(3)若此二极管为发光二极管,正常发光时通过的电流为3.00 mA,若用1.5 V的电源供电,则应该给二极管_(填“串”或“并”)联一个约_ 的电阻。对点训练1(2016全国卷)某同学用图中所给器材进行与安培力有关的实验。两根金属导轨ab和a1b1固定在同一水平面内且相互平行,足够大的电磁铁(未画出)的N极位于两

4、导轨的正上方,S极位于两导轨的正下方,一金属棒置于导轨上且与两导轨垂直。(1)在图中画出连线,完成实验电路。要求滑动变阻器以限流方式接入电路,且在开关闭合后,金属棒沿箭头所示的方向移动。(2)为使金属棒在离开导轨时具有更大的速度,有人提出以下建议：A适当增加两导轨间的距离B换一根更长的金属棒C适当增大金属棒中的电流其中正确的是_(填入正确选项前的标号)。角 度 二 对实验器材的创新考查在测量电表的内阻时,要把电表当作能读数的电阻,充分利用待测电表自身的测量效用,即电流表可测定通过自身的电流,电压表可测定自身两端的电压,不需要其他的电表来测量。例2某校进行实验电路设计比赛,实验台上备有下列器材：

5、A电压表V1(量程约2 V,内阻约1 k)B电压表V2(量程为6 V,内阻为2 k)C电流计G(量程为3 mA,内阻约500 )D电流表A(量程为0.6 A,内阻为0.5 )E滑动变阻器R1(015 ,0.5 A)F滑动变阻器R2(01 k,0.1 A)G电阻箱R3(0999.9 ,0.1 A)H电阻箱R4(09 999.9 ,0.2 A)I电源(6 V,0.5 A)J开关、导线若干(1)利用以上器材在图中虚线框内设计最佳测量电路,要求既能确定电压表V1的量程,又能尽量准确地测定其内阻,在图中标明选用器材的符号。图中滑动变阻器R应选择_(填写元件符号)。(2)若已知电压表V1量程为2 V,则下

6、列实验小组设计的电路图中,能用来测定电压表V1的内阻且设计合理的是_。对点训练2要测量电压表V1的内阻RV,其量程为2 V,内阻约为2 k。实验室提供的器材有：电流表A,量程0.6 A,内阻约0.1 ；电压表V2,量程5 V,内阻为5 k；定值电阻R1,阻值为30 ；定值电阻R2,阻值为3 k；滑动变阻器R3,阻值为100 ,额定电流为1.5 A；电源E,电动势为6 V,内阻约0.5 ；开关S一个,导线若干。(1)有人拟将待测电压表V1和电流表A串联接入电压合适的测量电路中,测出V1的电压和电流,再计算出RV。该方案实际上不可行,其最主要的原因是_。(2)请从上述器材中选择必要的器材,设计一个

7、测量电压表V1的内阻RV的实验电路。要求测量尽量准确,实验须在同一电路中,且在不增减元件的条件下完成。试画出符合要求的实验电路图(图中电源与开关已连接好),并标出所选元件的相应字母代号。(3)由(2)所画电路图写出电压表V1的内阻RV的表达式,说明式中各测量量的物理意义。3实际电压表内阻并不是无限大,可等效为理想电流表与较大的电阻的串联。现要测量一只量程已知的电压表的内阻,器材如下：A待测电压表一只(量程3 V,内阻约3 k)；B电流表一只(量程3 A,内阻0.01 )；C电池组(电动势约为3 V,内阻不计)；D滑动变阻器一个；E变阻箱一个(可以读出电阻值,09 999 )；F开关和导线若干。

8、某同学利用上面所给器材,进行如下实验操作：(1)该同学设计了如图甲、乙两个实验电路。为了更准确地测出该电压表内阻的大小,你认为其中相对比较合理的是_(填“甲”或“乙”)电路。(2)用你选择的电路进行实验时,闭合开关S,改变阻值,记录需要直接测量的物理量：电压表的读数U和_(填上文字和符号)。(3)由所测物理量选择下面适当坐标轴,能作出相应的直线图线、计算出电压表内阻的是()AUIBUC.R DUR(4)设直线图像的斜率为k、截距为b,请写出待测电压表内阻表达式RV_。角 度 三 对数据处理的创新考查在实验中,数据处理的常用方法有公式法、列表法、图像法、逐差法等,恰当的数据处理方法可以提高实验的

9、准确程度、减少测量误差、节约解题时间。例3某物理学习小组为了测定某太阳能硅光电池组的电动势和内阻,设计了如图1所示的电路,在一定光照条件下进行实验：(1)请根据图1完成图2中实物的连线。12345678U/V1.771.751.701.651.541.271.000.50I/A1230486068768086 (2)该小组成员将测量出来的数据记录在表格中,请在图3中作出该硅光电池组的UI图线。(3)由所作的UI图线可知该硅光电池组的电动势E_ V,电池组的内阻随输出电流的变化而改变,在电流为80 A时,该电池组的内阻r_ (保留两位有效数字)。对点训练4(2016全国卷)某同学利用如图甲所示电

10、路测量量程为2.5 V的电压表的内阻(内阻为数千欧姆),可供选择的器材有：电阻箱R(最大阻值99 999.9 ),滑动变阻器R1(最大阻值50 ),滑动变阻器R2(最大阻值5 k),直流电源E(电动势3 V),开关1个,导线若干。实验步骤如下：按电路原理图甲连接线路；甲将电阻箱阻值调节为0,将滑动变阻器的滑片移到与图甲中最左端所对应的位置,闭合开关S；调节滑动变阻器,使电压表满偏；保持滑动变阻器滑片的位置不变,调节电阻箱阻值,使电压表的示数为2.00 V,记下电阻箱的阻值。回答下列问题：(1)实验中应选择滑动变阻器_(填“R1”或“R2”)。(2)根据图甲所示电路将图乙中实物图连线。乙(3)实

11、验步骤中记录的电阻箱阻值为630.0 ,若认为调节电阻箱时滑动变阻器上的分压不变,计算可得电压表的内阻为_ (结果保留到个位)。(4)如果此电压表是由一个表头和电阻串联组成的,可推断该表头的满刻度电流为_(填正确参考答案标号)。A100 AB250 AC500 A D1 mA(二)电学实验压轴题的5大命题点及破解策略对实验压轴题考生们最感头痛,很难拿到高分,其根本原因是试题考查的知识面广,涉及的实验方法也千变万化,所以对考生的能力要求也就很高。实验压轴题考查的热点主要有基本仪器的选择和使用、实验原理与操作步骤、数据处理、误差分析等,所以对实验压轴题的破解方法就是要在熟悉(用足够的时间和精力)考

12、纲规定的所有实验仪器的原理、正确使用方法的基础上,对探究性实验的思想方法(等效法、累积法、控制变量法、转换法、模拟法、留迹法等)进行深入研究,掌握这些原理、方法所引起的系统误差的根源,同时还要掌握一些处理数据的方法与方法技巧,如作图法及数形结合方法等。一、实验电路及器材的选取首先考虑安全性与准确性选择电学实验仪器要遵循安全性原则(不使电学元件受损)和准确性原则(尽量减小误差)。比如选择电表时,首先保证流过电流表的电流和加在电压表上的电压均不超过使用量程,然后再合理选择量程使指针有较大偏转(要达到满偏的1/3),以尽量减小测量的相对误差。而一些实验压轴题的难点往往就放在对安全性原则和准确性原则的

13、理解上。实际上在选取电表时要灵活运用以上两个原则。当遇到某一待测电阻不需要一定达到某一电压或电流的情况时,即使电源电动势较大,待测电阻的最大电流或最大电压也较大,超过了比较小的电表的量程,但此时如果用较大量程的电表读数又会小于1/3量程,那么在滑动变阻器控制电压或电流保证安全的情况下,我们还是要选取较小量程的电表进行测量以便减小误差。例1在描绘标有“6 V3 W”的小灯泡的伏安特性曲线的实验中,要求灯泡两端的电压由零逐渐增加到6.0 V,并便于操作。实验室提供的器材有：A学生电源(电动势为9 V,内阻约1 )B电流表(量程为00.6 A,内阻约0.2 ；量程为03 A,内阻约0.04 )C电压

14、表(量程为03 V,内阻约3 k；量程为015 V,内阻约15 k)D滑动变阻器(最大阻值10 ,最大允许电流1 A)E滑动变阻器(最大阻值1 500 ,最大允许电流0.3 A)F开关一个、导线若干(1)为了完成实验,应选用的滑动变阻器是_(填“D”或“E”),选用的实验电路图应为图1中的_(填“甲”或“乙”)。(2)请根据(1)中所选的电路图,补充完成图2中实物图的连线。(3)闭合开关,改变滑动变阻器滑动触头的位置,并记录对应的电流表示数I、电压表示数U。某次测量中电流表、电压表示数如图3所示,可知该状态下小灯泡电阻的测量值为Rx_ (计算结果保留两位有效数字)。(4)根据实验数据,画出小灯

15、泡的IU图线如图4所示。由此可知,当小灯泡两端的电压增加时,小灯泡的电阻值将_(选填“变大”或“变小”)。对点训练1某实验小组要判定两种元件的制作材料,已知其中一种是由金属材料制成的,它的电阻随温度的升高而增大,而另一种是由半导体材料制成的,它的电阻随温度的升高而减小。准备的器材有：A电源E(电动势为3.0 V,内阻不计)B电压表V1(量程03 V,内阻约1 k)C电压表V2(量程015 V,内阻约4 k)D电流表A1(量程03 A,内阻约0.1 )E电流表A2(量程00.6 A,内阻约0.6 )F滑动变阻器R1(05 ,3.0 A)G滑动变阻器R2(0200 ,1.25 A)H开关和若干导线

16、该小组成员对其中的一个元件进行了测试,测得通过其中的电流与加在它两端的电压数据如下表所示。U/V0.400.600.801.001.201.501.58I/A0.200.450.801.251.802.813.00请完成以下内容。(1)实验中电压表应选用_,电流表应选用_,滑动变阻器应选用_(请填写器材前对应的字母)。 (2)请根据表中数据在图中作出该元件的IU图线,该元件可能是由_(选填“金属”或“半导体”)材料制成的。(3)在(2)的基础上,该同学进一步分析,如果让一节电动势为1.5 V、内阻为0.5 的干电池只对该元件供电,则该元件消耗的功率为_ W(结果保留两位有效数字)。二、系统误差

17、的分析多数情况下从实验方法上找根源尽量减小误差是物理实验的基本原则,所以误差分析作为实验题的难点是近年来命题的热点方向之一。物理学中把测量误差按其产生的原因与性质分为系统误差和偶然误差,其中又以寻找系统误差产生的根源作为考查重点。产生系统误差的原因主要有两类：由仪器本身存在一定的缺陷或不精密造成的,如仪器零点不准、仪器水平或铅直未调整等；实验方法不完善或这种方法所依据的理论本身具有近似性,例如用单摆测量重力加速度时忽略空气对摆球的阻力的影响,测量电阻时不考虑电表内阻的影响等所引入的误差。这些原因就是我们分析误差的重要依据和突破方向。例2国际规定自来水在15 时电阻率应大于13 m。某同学利用如

18、图甲所示的电路测量15 时自来水的电阻率,其中内径均匀的圆柱体玻璃管侧壁连接一细管,细管上有一阀门K以控制管内自来水的水量,玻璃管两端接有导电活塞(活塞电阻可忽略),右活塞固定,左活塞可自由移动。实验器材还有：电源(电动势约为3 V,内阻可忽略),电压表V1(量程为3 V,内阻很大),电压表V2(量程为3 V,内阻很大),定值电阻R1(阻值4 k),定值电阻R2(阻值2 k),电阻箱R(最大阻值9 999 ),单刀双掷开关S,导线若干,游标卡尺,刻度尺等。甲实验步骤如下：A用游标卡尺测量玻璃管的内径d；B向玻璃管内注满自来水,并用刻度尺测量水柱长度L；C把S拨到1位置,记录电压表V1示数；D把

19、S拨到2位置,调节电阻箱阻值,使电压表V2示数与电压表V1示数相同,记录电阻箱的阻值R；E改变玻璃管内水柱长度,重复实验步骤C、D,记录每一次水柱长度L和电阻箱阻值R；F断开S,整理好器材。(1)测玻璃管内径d时游标卡尺示数如图乙所示,则d_ mm。(2)玻璃管内水柱的电阻Rx的表达式为Rx_(用R1、R2、R表示)。(3)利用记录的多组水柱长度L和对应的电阻箱阻值R的数据,绘制出如图丙所示的R关系图像,则自来水的电阻率_ m(保留两位有效数字)。(4)本实验中若电压表V1内阻不是很大,则自来水电阻率测量结果将_(填“偏大”“不变”或“偏小”)。对点训练2为了测量一电阻的阻值Rx,现实验室提供

20、了以下器材：蓄电池E,电流表A,电压表V,滑动变阻器R,电阻箱RP,开关S1、S2,导线若干。某活动小组设计了如图甲所示的电路。实验的主要步骤：a闭合S1,断开S2,调节R和RP,使电流表和电压表示数合适,记下两表示数分别为I1、U1；b闭合S2,保持RP阻值不变,记下电流表和电压表示数分别为I2、U2。(1)按图甲中的电路图在图乙所示实物图中连线；(2)写出被测电阻的表达式Rx_(用两电表的读数表示)；(3)由于电流表、电压表都不是理想电表,则被测电阻Rx的测量值_(不考虑偶然误差和测量精度,填“大于”“小于”或“等于”)真实值。三、应用图像处理数据细心推导找关系,数形转换是关键应用图像处理

21、实验数据也常常成为实验压轴题的难点。要实现此类难点的突破就要数形结合找出关系,所以数形转换成为实验数据处理必备的物理思想方法。利用图像法处理数据又有两种方法：(1)如果只有横坐标和纵坐标两个变量,且成线性关系时,则可以利用两个变量的关系进行求解,如用斜率、面积、截距等来处理实验研究的问题。此类问题一般都要经过以下数形转变过程才能顺利处理实验研究的问题：先根据物理规律写出物理方程或物理关系,然后再根据实验要求写出纵轴(y)和横轴(x)的线性关系方程ykxb的形式,从而确定其斜率、面积、截距等的物理含义,然后再结合图像的信息求解即可。(2)如果除横坐标和纵坐标两个变量外还有第三个变量,即纵轴(y)

22、和横轴(x)两个变量不成线性关系时,则不能根据图像的斜率、面积、截距等关系求解,只好借助作图法,利用图像截距、交点的物理含义来求解实验问题。例3某实验小组甲、乙两同学要测量一节干电池的电动势和内阻。实验室有如下器材可供选择：A待测干电池(电动势约为1.5 V,内阻约为0.8 )B电压表V(量程15 V)C电流表A1(量程03 mA,内阻RA110 )D电流表A2(量程00.6 A,内阻RA20.1 )E定值电阻R(阻值为50 )F电阻箱R0(09 999.9 )G滑动变阻器(020 ,1.0 A)H开关、导线若干(1)甲同学采用伏安法测量,为了尽量减小实验误差,在下列四个实验电路中应选用_。(

23、2)甲同学根据实验所测(或经过转换)的数据描绘出电源的UI图线如图甲所示,则被测电池的电动势E_ V,内阻r_ (结果均保留三位有效数字)。(3)乙同学利用电流表和电阻箱进行测量,所用电路图如图乙所示,闭合开关后,改变电阻箱阻值,当电阻箱阻值为R1时,电流表示数为I1；当电阻箱阻值为R2时,电流表示数为I2。请你用RA2、R1、R2、I1、I2表示出电池的电动势E_,电池的内阻r_。对点训练3要测绘一个标有“3 V0.6 W”小灯泡的伏安特性曲线,灯泡两端的电压需要由零逐渐增加到3 V,并便于操作。已选用的器材有：电池组(电动势为4.5 V,内阻约1 )；电流表(量程为0250 mA,内阻约5

24、 )；电压表(量程为03 V,内阻约3 k)；开关一个、导线若干。(1)实验中所用的滑动变阻器应选下列中的_(填字母代号)。A滑动变阻器(最大阻值20 ,额定电流1 A)B滑动变阻器(最大阻值1 750 ,额定电流0.3 A)(2)实验的电路图应选用下列的图_(填字母代号)。(3)实验得到小灯泡的伏安特性曲线如图所示。如果将这个小灯泡接到电动势为1.5 V、内阻为5 的电源两端,小灯泡消耗的功率是_ W。四、电学实验的创新循“路”理“线”析原理“路”可谓电路,“线”可谓线索,即实验原理、实验方法等。电学实验的压轴题常常把学生实验中的实验原理和实验方法加以改进,让考生一下找不到依据,似乎无法下手。破解此类题应以掌握常规实验原理、实验方法、规范操作程序、数据处理方法等为根本依据,从题目给出的电路原理图入手分析,再结合已有的电学知识(如串并联关系、闭合电路欧姆定律等)和实验方法进行推理,往往可以找到突破方向。例5如图甲所示是测量阻值为几十欧的未知电阻Rx的原理图,图中R0是保护电阻(10 ),R1是电阻箱(099.9 ),R是滑动变阻器,A1和A2是电流表,E是电源(电动势10 V,内阻很小)。甲在保证安全和满足要求的情况下,使测量范围尽可能大。实验具体步骤如下：连接好电路,将滑动变阻器R调到最大。闭合S,从最大值