电学实验探究基础(学生版)

专题十一电学实验探究基础[人教版必修第三册]1.阅读课本第十一章第3节“游标卡尺”“螺旋测微器”相关内容，理解游标卡尺和螺旋测微器的工作原理及读数方法。分别整理出游标卡尺、螺旋测微器的读数方法和注意事项。2.阅读课本第十一章第5节内容，认识多用电表各部分名称，知道多用电表的使用方法和读数方法。并指出测量电流、电压、电阻时分别使用的刻度位置。3.阅读课本第十一章第4节“电压表和电流表的电路结构”这一内容，分别指出改装成大量程的电压表和电流表的改装原理，并说明电压表和电流表的内阻有何特点。4.课本第十一章第4节【练习与应用】T1、T2。由以上两题可看出滑动变阻器有两种接法，分压电路有何优点？5.请完成课本第十一章第4节【练习与应用】T3。考点一测量仪器的使用一、游标卡尺1.构造：主尺、游标尺(主尺和游标尺上各有一个内、外测量爪)，游标尺与深度尺是一个整体(如图所示)。2.原理：利用主尺的最小分度与游标尺的最小分度的差值制成。不管游标尺上有多少个小等分刻度，它的刻度部分的总长度比主尺上的同样多的小等分刻度少1mm。常见的游标卡尺的游标尺上小等分刻度有10格的、20格的、50格的，其读数见下表：刻度格数(分度)刻度总长度每小格与1mm的差值精确度(可准确到)109mm2019mm5049mm3.读数：若用x表示从主尺上读出的整毫米数，K表示从游标尺上读出与主尺上某一刻线对齐的游标的格数，则记录结果为(x＋K×)mm。注意：对于游标卡尺，无论哪种规格，读数(x＋K×精确度)mm中的K值均向后估读一位。【方法规律】游标卡尺的读数要“三看”(1)第一看→精确度。例如(如图所示)：易错读成11mm＋＝正确读数为mm，游标卡尺不需估读，后面不能随意加零，也不能随意去零。(2)第二看→游标尺上的0刻度线位置，区分零刻度与游标尺最前端。例如(如图所示)：易错读成11mm＋＝正确读数为14mm＋＝。(3)第三看→游标尺的哪条刻度线与上的刻度线对齐。二、螺旋测微器1.构造：如图，B为固定刻度，H为可动刻度。2.原理：可动刻度H上的刻度为50等分，则螺旋测微器的精确度为。3.读数(1)测量时被测物体长度的半毫米数由固定刻度读出，不足半毫米部分由可动刻度读出。(2)测量值(mm)＝固定刻度数(mm)(注意半毫米刻度线是否露出)＋(估读一位)×0.01(mm)【方法规律】螺旋测微器的读数勿忘估读最后一位数字为估读数字，读数和记数时估读位为有效数字的最后一位。例如(如图所示)：固定刻度上读得示数为，可动刻度上读得示数为，得到的读数为＋＝。三、电压表、电流表1.量程选择选择合适量程：使得测量时指针偏转角度要尽可能大，一般要求超过量程的，但又不能超过量程。2.注意事项(1)使用前应先进行调整(机械调零)。(2)红表笔插“＋”插孔，黑表笔插“－”插孔。(3)红表笔接电势高处，黑表笔接电势低处，即电流从红表笔，从黑表笔。3.电表估读(1)最小分度是“1、、、…”时，估读到最小分度的(即估读到最小分度的下一位)。(2)最小分度是“2、、、…”时，估读到最小分度的(即估读到最小分度的本位)。(3)最小分度是“5、、、…”时，估读到最小分度的(即估读到最小分度的本位)。如图甲、乙所示的两把游标卡尺，它们的游标尺分别为9mm长10等分、19mm长20等分，则读数依次为________mm、________mm。(2)在测定一根粗细均匀合金丝电阻率的实验中，利用螺旋测微器测定合金丝直径的过程如图丙、丁所示，校零时的读数为________mm，测得合金丝的直径为________mm。(3)图戊所示是电流表的刻度线，若使用量程时，对应刻度盘上每一小格代表________A，表针的示数是________A；若使用3A量程时，对应刻度盘上每一小格代表________A，图中表针示数为________A。(4)若使用15V量程，则这时表盘刻度每小格表示________V，图中表针指示的是________V。(5)如图庚所示为旋钮式电阻箱，电流从接线柱A流入，从B流出，则接入电路的电阻为________Ω。今欲将接入电路的电阻改为2087Ω，最简单的操作方法是__________________________________________________________________________________________________________________________。若用两个这样的电阻箱，则可得到的电阻值范围为______________。仪器使用读数注意的问题1.注意量程的选取。2.注意仪器的精度。3.熟练掌握读数规则，按需要进行估读。(1)如图a、b所示的两把游标卡尺，它们的读数依次为________mm、________mm。(2)完成下列螺旋测微器的读数(如图所示)。c.________mmd.________mme.________mmf.________mm(3)正确读出图中各电表的读数：①如图g，接0～3V量程时读数为________V；接0～15V量程时读数为________V。②如图h，接0～3A量程时读数为________A；接0～量程时读数为________A。考点二测量电路与控制电路的选择一、控制电路1.滑动变阻器两种接法的比较限流接法分压接法两种接法电路图负载R上电压调节范围（不计电源内阻）eq\f(RE,R＋R0)≤U≤E0≤U≤E负载R上电流调节范围（不计电源内阻）eq\f(E,R＋R0)≤I≤eq\f(E,R)0≤I≤eq\f(E,R)闭合S前触头位置2.两种接法的选择采用分压接法①要求待测电阻两端的电压从零开始变化，或精确性要求较高时②滑动变阻器的最大阻值远小于待测电阻或串联的其他电阻的阻值时③题设条件中所提供的电表量程或电阻的最大允许电流不够时采用限流接法①待测电阻接近或略小于滑动变阻器的最大阻值时②电源的放电电流或滑动变阻器的额定电流太小，不能满足分压接法的要求时③没有很高的精确性要求，考虑安装简捷和节能因素时二、测量电路1.电压表和电流表的内、外接法(1)两种接法比较内接法外接法电路图误差原因电流表分压U测＝Ux＋UA电压表分流I测＝Ix＋IV电阻测量值R测＝eq\f(U测,I测)＝Rx＋RA＞Rx测量值大于真实值R测＝eq\f(U测,I测)＝eq\f(RxRV,Rx＋RV)＜Rx测量值小于真实值适用条件RA≪RxRV≫Rx适用于测量大阻值电阻小阻值电阻(2)电流表两种接法选择①阻值比较法：先将待测电阻的估计值与电压表、电流表内阻进行比较，若Rx较小，宜采用电流表；若Rx较大，宜采用电流表。简单概括为“大内偏大，小外偏小”。②临界值计算法：Rx＜eq\r(RVRA)时，用电流表；Rx＞eq\r(RVRA)时，用电流表。图1③实验试触法：按图1所示接好电路，让连接电压表的导线P先后与a、b处接触一下，如果电压表的示数有较大的变化，而电流表的示数变化不大，说明电流表分压更明显，则可采用电流表外接法；如果电流表的示数有较大的变化，而电压表的示数变化不大，说明电压表分流更明显，则可采用电流表内接法。在伏安法测电阻的实验中，待测电阻Rx约为200Ω，电压表的内阻约为2kΩ，电流表的内阻约为10Ω，测量电路中电流表的连接方式如图(a)或(b)所示，结果由公式Rx＝eq\f(U,I)计算得出，式中U与I分别为电压表和电流表的示数。若将图(a)和图(b)中电路测得的电阻值分别记为Rx1和Rx2，则________(选填“Rx1”或“Rx2”)更接近待测电阻的真实值，且测量值Rx1________(选填“大于”“等于”或“小于”)真实值，测量值Rx2________(选填“大于”“等于”或“小于”)真实值。在设计“伏安法测小灯泡的电阻”实验电路时，要思考以下两个问题：(1)电流表内接还是外接？如图2所示，某同学采用试接的方法，让电压表的一端接在A点，另一端先后接到B点和C点。他发现电压表示数有明显变化，而电流表示数无明显变化，说明小灯泡的阻值与________(填写“电流表”或“电压表”)的阻值接近，应选择电流表__________(填写“内接”或“外接”)的电路。图2(2)如何选择滑动变阻器？图3有三种规格的滑动变阻器，它们的最大阻值分别是R1＝20Ω，R2＝200Ω，R3＝1750Ω。将它们分别接入图3所示电路。保持M、N间电压恒定，从左向右移动滑片P，研究小灯泡两端的电压U与滑片的滑动距离L(滑片从左向右滑动的最大距离为L0)的关系，如图4所示中“×”为根据实验数据描出的点，请你结合如图4所示判断该实验中选择哪一种规格的滑动变阻器最合适______，并简要说明理由。图41.理解限流分压两种控制电路的输出电压RL一定，随R0的减小输出电压变化范围(UL)减小RL一定时，随R0的增大R2两端电压(UL)线性关系变差2.熟练掌握四种基本测量电路限流外接限流内接分压内接分压外接为测量“12V、5W”的小灯泡在不同电压下的功率，给定了以下器材：电源：12V，内阻不计；电流表：量程0～、0～3A，内阻约为；电压表：量程0～3V、0～15V，内阻约为15kΩ；滑动变阻器：0～20Ω，允许最大电流1A；开关一个，导线若干，实验要求加在小灯泡上的电压可从零开始调节。(1)以下四个电路图你认为最合适的是________。(2)在本实验中，电流表的量程可选________。为了测定阻值约为10Ω、额定电流为的电阻器的电阻，现准备有下列器材：A.电源E：电动势E＝6V、内阻不计；B.电流表A1：量程为0～3A、内阻约为；C.电流表A2：量程为0～、内阻约为； D.电压表V1：量程为0～15V、内阻约为5×104Ω；E.电压表V2：量程0～5V、内阻约为104Ω；F.滑动变阻器R1：量程为0～20Ω，额定电流为3A；G.滑动变阻器R2：量程为0～800Ω，额定电流为；H.开关S和导线若干。(1)实验中要求通过待测电阻的电流能从起逐渐增大，为尽可能较精确地测出该电阻的阻值，并且实验中电表示数调节方便，电流表应选择________(填写器材前面的代码)，电压表应选择_________(填写器材前面的代码)，滑动变阻器应选择________(填写器材前面的代码)。(2)在方框中画出符合要求的实验电路图。考点三电表的改装1.小量程电流表(表头)(1)工作原理：主要由磁场和放入其中可转动的组成。当线圈中有电流通过时，线圈在安培力作用下带动指针一起偏转，电流越大，指针偏转的角度，从表盘上可直接读出电流值。(2)三个参数：满偏电流Ig，表头电阻Rg，满偏电压Ug，它们的关系：Ug＝IgRg。2.电压表、电流表的改装(1)半偏法测电表的内阻实验原理半偏法测电表内阻的两种情况①半偏法测电流表的内阻RA：如图甲所示，闭合S1，断开S2，调节滑动变阻器R1，使电流表eq\o\ac(○,A)达到满偏值I0；保持R1不变，闭合S2，调节电阻箱R2，使电流表的读数等于eq\f(I0,2)，然后读出电阻箱R2的阻值R2′，则有RA＝R2′。②半偏法测电压表的内阻RV：如图乙所示，闭合S，将电阻箱R4的阻值调为零，调节滑动变阻器R3，使电压表达到满偏值U0；保持R3的阻值不变，调节R4，使电压表的示数为eq\f(U0,2)，记下此时电阻箱的示数R4′，则有RV＝R4′。方法突破：两种半偏法的比较(结合图甲、乙)测电流表内阻RA测电压表内阻RV实验条件R1≫RAR3≪RV误差产生原因闭合S2后，总电流变大，IR2>eq\f(I0,2)R4连入后，与R4两端的总电压变大，UR4>eq\f(U0,2)测量结果RA测＝R2′<RARV测＝R4′>RV说明：半偏法测电流表的内阻时，只有当R1≫RA(R1≫R2)时，RA测≈RA。R1≫RA、R1≫R2为选器材提供依据，即R1应选阻值较大的电阻；在安全范围内电源应选电动势较大的。半偏法测电压表的内阻时，只有当R3≪RV(R3≪R4)时，RV测≈RV。同理，R3≪RV、R3≪R4也为选器材提供依据，即R3应选阻值较小的电阻；在安全范围内，电源应选电动势较大的。(2)根据测量结果和改装原理，计算分压电阻或分流电阻；电流表、电压表都是由小量程的电流表(表头)改装而成的。它们的改装原理见下表：改装成电压表改装成大量程电流表原理串联较大电阻分压并联较小电阻分流改装原理图分压电阻或分流电阻U＝Ig(Rg＋R)所以R＝eq\f(U,Ig)－Rg＝(n－1)Rgn＝eq\f(U,Ug)IgRg＝(I－Ig)·R所以R＝eq\f(IgRg,I－Ig)＝eq\f(Rg,n－1)n＝eq\f(I,Ig)改装后电表内阻RV＝Rg＋R＝nRg>Rg(n为量程扩大倍数)RA＝eq\f(RRg,R＋Rg)＝eq\f(Rg,n)<Rg(n为量程扩大倍数)(3)改装与校准表头G改装成电压表表头G改装成电流表改装电路校准电路如图所示是三量程直流电表的原理图，三个量程分别是10mA、1A、10V。已知表头G的满偏电流Ig＝5mA，内阻Rg＝10Ω，则定值电阻R1、R2、R3的阻值为()A.、、995Ω B.、、995ΩC.1Ω、99Ω、1000Ω D.10Ω、990Ω、995Ω(2023高考·海南卷)用如图所示的电路测量一个量程为100μA，内阻约为2000Ω的微安表头的内阻，所用电源的电动势约为12V，有两个电阻箱可选，R1(0~9999.9Ω)，R2(99999.9Ω)(1)RM应选_________，RN应选_________；(2)根据电路图，请把实物连线补充完整_________；(3)下列操作顺序合理排列是______：①将变阻器滑动头P移至最左端，将RN调至最大值；②闭合开关S2，调节RM，使微安表半偏，并读出RM阻值；③断开S2，闭合S1，调节滑动头P至某位置再调节RN使表头满偏；④断开S1、S2，拆除导线，整理好器材(4)如图是RM调节后面板，则待测表头的内阻为_________，该测量值_________(填“大于”、“小于”、“等于”)真实值。(5)将该微安表改装成量程为2V的电压表后，某次测量指针指在图示位置，则待测电压为_________V(保留3位有效数字)。(6)某次半偏法测量表头内阻的实验中，S2断开，电表满偏时读出RN值，在滑动头P不变，S2闭合后调节电阻箱RM，使电表半偏时读出RM，若认为OP间电压不变，则微安表内阻为_________(用RM、RN表示)。理解和认识电表的三种属性：(1)电阻属性，电表本质上是一个“聪明”的电阻，电流表是已知自身电流的阻值较小的电阻，电压表是一个已知自身两端电压阻值较大的电阻；(2)测量属性，电流表用来测电流，电压表用来测电压；(3)“兼职”属性，电流表已知内阻可以做为电压表，电压表已知内阻可以做为电流表。当已知电表内阻时要三思：改装、替代、精确测量。(多选)四个相同的小量程电流表(表头)分别改装成两个电流表A1、A2和两个电压表V1、V2.已知电流表A1的量程大于A2的量程，电压表V1的量程大于V2的量程，改装好后把它们按如图所示连接法连入电路，则()A.电流表A1的读数大于电流表A2的读数B.电流表A1指针的偏转角小于电流表A2指针的偏转角C.电压表V1的读数小于电压表V2的读数D.电压表V1指针的偏转角等于电压表V2指针的偏转角(2019·全国卷Ⅰ)某同学要将一量程为250μA的微安表改装为量程为20mA的电流表。该同学测得微安表内阻为1200Ω，经计算后将一阻值为R的电阻与该微安表连接，进行改装。然后利用一标准毫安表，根据图(a)所示电路对改装后的电表进行检测(虚线框内是改装后的电表)。(1)根据图(a)和题给条件，将图(b)中的实物连线。(2)当标准毫安表的示数为时，微安表的指针位置如图I所示。由此可以推测出所改装的电表量程不是预期值，而是________。(填正确答案标号)A.18mAB.21mAC.25mAD.28mA(3)产生上述问题的原因可能是________。(填正确答案标号)A.微安表内阻测量错误，实际内阻大于1200ΩB.微安表内阻测量错误，实际内阻小于1200ΩC.R值计算错误，接入的电阻偏小D.R值计算错误，接入的电阻偏大(4)要达到预期目的，无论测得的内阻值是否正确，都不必重新测量，只需要将阻值为R的电阻换为一个阻值为kR的电阻即可，其中k＝________。考点四测量电阻的常见方法1.伏安法测电阻伏安法测电阻是电学实验的基础，它渗透在电学实验的各个环节中，如测未知电阻、测电阻率、测电表内阻等。电路图电路图外接法：内接法：特点：大内大，小外小(测大电阻时应用内接法，测量值比真实值大；测小电阻时应采用外接法，测量值比真实值小)。2.伏伏法测电阻(电压表的灵活选用)已知内阻的电压表可作电流表使用，在缺少合适的电流表的情况下，常用电压表代替电流表使用(如图甲)，这是设计电路中的高频考点。3.安安法测电阻(电流表的灵活选用)已知内阻的电流表可作电压表使用，在缺少合适的电压表的情况下，常用电流表代替电压表使用(如图乙)，这是电学设计电路的高频考点。4.用“替代法”测电阻(1)实验原理(如图所示)(2)实验步骤S先与2相接，记录eq\o\ac(○,A)的示数，再与1相接，调节R值使eq\o\ac(○,A)示数与原值相等，则Rx＝R。(3)说明b.也可以用一只电压表测量。5.电桥法测电阻如图所示，在a、b间接一灵敏电流计，当其读数为零时Uab＝0，相当于a、b间断路，此时φa＝φb，则有IR1＝I′R3，IR2＝I′R4，两式相除得eq\f(R1,R2)＝eq\f(R3,R4)，所以知道其中任意三个电阻的阻值就可以求出第四个电阻的阻值。(2021·浙江6月选考，19)小李在实验室测量一电阻Rx的阻值。(1)因电表内阻未知，用如图5所示的电路来判定电流表该内接还是外接。正确连线后，合上开关S，将滑动变阻器的滑片P移至合适位置。单刀双掷开关K掷到1，电压表的读数U1＝，电流表的示数如图6所示，其读数I1＝________A；将K掷到2，电压表和电流表的读数分别为U2＝，I2＝。由此可知应采用电流表______(填“内”或“外”)接法。(2)完成上述实验后，小李进一步尝试用其他方法进行实验：①器材与连线如图7所示，请在虚线框中画出对应的电路图；②先将单刀双掷开关掷到左边，记录电流表读数，再将单刀双掷开关掷到右边，调节电阻箱的阻值，使电流表的读数与前一次尽量相同，电阻箱的示数如图7所示。则待测电阻Rx＝______Ω。此方法______(填“有”或“无”)明显的实验误差，其理由是___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。如图所示的实验电路可以用来测量电阻，可供选用的实验器材如下：A.待测电阻Rx(阻值约为55Ω)B.定值电阻R0(阻值为16Ω)C.电压表V1(0～3V，内阻很大，可看成理想电压表)D.电压表V2(0～15V，内阻很大，可看成理想电压表)E.滑动变阻器R1(5Ω，2A)F.滑动变阻器R2(50Ω，2A)G.蓄电池(电动势，内阻忽略不计)H.单刀双掷开关、导线等(1)要完成本实验且较准确进行测量，电压表应该选用________，滑动变阻器应该选用________。(填器材前面的序号)(2)实验步骤如下：①按照电路图连接实验器材，单刀双掷开关空置，把滑动变阻器触头滑到最左端；②将单刀双掷开关掷于“1”，调节滑动变阻器触头，使得电压表读数为；③将单刀双掷开关掷于“2”，________(填“向左滑动”“向右滑动”或“不再滑动”)滑动变阻器触头，观察并记录电压表读数为。(3)根据实验数据，被测电阻的测量值Rx＝________Ω。(4)由于蓄电池内阻r的存在，Rx测量值将________真实值(填“大于”“小于”或“等于”)。某同学利用如图(a)所示的电路测量一微安表(量程为100μA，内阻大约为2500Ω)的电阻箱Rz(最大阻值为99999.9Ω)；电源E(电动势约为1.5V)；开关S1和S2.C、D分别为两个滑动变阻器的滑片．(1)按原理图(a)将图(b)中的实物连线。(2)完成下列填空：①R1的阻值为________Ω(填“20”或“2000”)；②为了保护微安表，开始时将R1的滑片C滑到接近图(a)中滑动变阻器的________端(填“左”或“右”)对应的位置；将R2的滑片D置于中间位置附近；③将电阻箱Rz的阻值置于2500.0Ω，接通S1.将R1的滑片置于适当位置，再反复调节R2的滑片D的位置，最终使得接通S2前后，微安表的示数保持不变，这说明S2接通前B与D所在位置的电势________(填“相等”或“不相等”)；④将电阻箱Rz和微安表位置对调，其他条件保持不变，发现将Rz的阻值置于2601.0Ω时，在接通S2前后，微安表的示数也保持不变．待测微安表的内阻为______Ω(结果保留到个位)。(3)写出一条提高测量微安表内阻精度的建议：。电阻的测量方法虽然较多，但基本原理均为欧姆定律或串并联知识中电流电压的分配与阻值间的关系，在实验中注意原理应用中电流、电压的获取方法，灵活运用相关知识便可理解测量原理及误差分析，平时训练时注意分析、归纳和总结提升。1.某同学用伏安法测量待测电阻的阻值。现有器材为：待测电阻R(阻值约为5Ω)，电源(电动势3V)，滑动变阻器(阻值范围0～10Ω)，电流表(量程，3A)，电压表(量程3V，15V)，开关，导线若干。实验要求在测量电路中将电流表外接，滑动变阻器起限流作用。回答下列问题：(1)按照实验要求在图(a)中画出实物连线图。(2)若已按实验要求接线，闭合开关后移动滑动变阻器的滑片，电压表的示数始终约为3V，电流表的示数始终接近0。写出产生这种现象的一个原因：。(3)在连线正确后，闭合开关。电压表和电流表的示数分别如图(b)和图(c)所示。由图可知，电压表读数为________V，电流表读数为______