21微专题14电学实验与创新

微专题14电学实验与创新实验装置图归纳总结考查热点观察电容器的充、放电现象①安装：按实验装置图连接好电路②观察：开关S接1或2，仔细观察电压表、电流表示数的变化特点①考现象：充、放电时电路中的电流情况②考图像：描绘I－t曲线③考计算：由I－t曲线下的面积求电荷量用多用电表测量电学中的物理量①测电压、电流挡：相当于电压表、电流表②测欧姆挡：闭合电路欧姆定律③调零：机械调零、欧姆调零④电流方向：红表笔进，黑表笔出①考读数：电压、电流、电阻挡的读数②考使用：欧姆表选挡、调零、规范操作等③考黑箱：多用电表探测黑箱内的元件④电表改装：所需电阻或改后量程的计算测定金属的电阻率①测Rx：Rx＝eq\f(U,I)(伏安法)②算ρ：Rx＝ρeq\f(L,S)，ρ＝eq\f(SRx,L)①考读数：U、I、L及d②考电路：电路设计或选择、实物连线，器材选择③考运算：由U－I图像求Rx、ρ测量电源的电动势和内阻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考电路：电路设计或选择、实物连线或改错，器材选择②考作图：描点连线画图线③考运算：由U－I或eq\f(1,I)－R或eq\f(1,U)－eq\f(1,R)图像，求E、r探究影响感应电流方向的因素①安装：按装置连接电路②操作：观察线圈绕向、电流方向③记录：实验现象④分析：感应电流磁场方向①考连线：正确连接电路②考现象：分析指针偏转方向③考分析：分析多种实验电路及实验现象④考运用：结论的运用探究变压器原副线圈电压与匝数的关系①估计：被测电压的大致范围②选择：交流电压挡适当量程③组装：把两个线圈穿在可拆变压器铁芯上，闭合铁芯④测量：输入、输出电压①考操作：改变电压、线圈匝数前均要先断开开关②考注意：电压不能超过12V，不能用手接触裸露部件③考选挡：先用最大量程挡试测，再选用适当量程测量考向一探究电压表内阻对测量结果的影响1．(2023·江苏卷)小明通过实验探究电压表内阻对测量结果的影响．所用器材有：干电池(电动势约1.5V，内阻不计)2节；双量程电压表(量程0～3V，内阻约3kΩ；量程0～15V，内阻约15kΩ)1个；滑动变阻器(最大阻值50Ω)1个；定值电阻(阻值50Ω)21个；开关1个及导线若干．实验电路如图甲所示．甲乙(1)电压表量程应选用____(填“3V”或“15V”).(2)图乙为该实验的实物电路(右侧未拍全).先将滑动变阻器的滑片置于如图所示的位置，然后用导线将电池盒上接线柱A与滑动变阻器的接线柱________(填“B”“C”或“D”)连接，再闭合开关，开始实验．(3)将滑动变阻器滑片移动到合适位置后保持不变，依次测量电路中O与1，2，…，21之间的电压．某次测量时，电压表指针位置如图丙所示，其示数为________V．根据测量数据作出电压U与被测电阻值R的关系图线，如图丁中实线所示．丙丁(4)在图甲所示的电路中，若电源电动势为E，电压表视为理想电压表，滑动变阻器接入的阻值为R1，定值电阻的总阻值为R2，当被测电阻为R时，其两端的电压U＝________(用E、R1、R2、R表示)，据此作出U－R理论图线如图丁中虚线所示．小明发现被测电阻较小或较大时，电压的实测值与理论值相差较小．(5)分析可知，当R较小时，U的实测值与理论值相差较小，是因为电压表的分流小，电压表内阻对测量结果影响较小．小明认为，当R较大时，U的实测值与理论值相差较小，也是因为相同的原因．你是否同意他的观点？请简要说明理由．答案：(1)3V(2)D(3)1.50(4)eq\f(ER,R1＋R2)(5)见解析解析：(1)所用电源为两节干电池，电动势为3V，则所用电压表量程为3V.(2)闭合开关之前，滑动变阻器阻值应该调到最大，则由图可知，电池盒上的接线柱A应该与滑动变阻器的接线柱D连接．(3)电压表最小刻度为0.1V，则读数为1.50V.(4)由闭合电路欧姆定律可得I＝eq\f(E,R1＋R2)，当被测电阻阻值为R时电压表读数U＝IR＝eq\f(ER,R1＋R2).(5)不同意；当R较大时，则电压表内阻不能忽略，则电路中的电流I＝eq\f(E,R1＋(R2－R)＋\f(RRV,R＋RV))，则电压表读数为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较大，当R＝R2时，R最大，此时U＝eq\f(E,\f(R1(R2＋RV),R2RV)＋1)＝eq\f(E,\f(R1,RV)＋\f(R1,R2)＋1)，因RV≫R1，则电压表读数接近于U＝eq\f(E,\f(R1,R2)＋1)＝eq\f(ER2,R1＋R2).考向二探究不同电压下电容器的充、放电过程2．(2023·山东卷)电容储能已经在电动汽车，风、光发电、脉冲电源等方面得到广泛应用．某同学设计图甲所示电路，探究不同电压下电容器的充、放电过程，器材如下：甲电容器C(额定电压10V，电容标识不清)电源E(电动势12V，内阻不计)电阻箱R1(阻值0～99999.9Ω)滑动变阻器R2(最大阻值20Ω，额定电流2A)电压表V(量程15V，内阻很大)发光二极管D1、D2，开关S1、S2，电流传感器，计算机，导线若干．(1)按照图甲连接电路，闭合开关S1，若要升高电容器C的充电电压，滑动变阻器R2的滑片应向________(填“a”或“b”)端滑动．(2)调节滑动变阻器R2的滑片位置，电压表表盘如图乙所示，示数为________V(保留一位小数).乙(3)继续调节滑动变阻器R2的滑片位置，电压表V示数为8.0V时，开关S2掷向1，得到电容器C的充电过程的I－t图像，如图丙所示．借鉴“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中估算油膜面积的方法，根据图像可估算出充电结束后，电容器C存储的电荷量为________C(结果保留两位有效数字).丙(4)本电路中所使用电容器C的电容约为________F(结果保留两位有效数字).(5)电容器C充电后，将开关S2掷向2，发光二极管________(填“D1”或“D2”)闪光．答案：(1)b(2)6.5(3)3.6×103(4)4.5×104(5)D1解析：(1)滑动变阻器R2分压式接法，故向b端滑动充电电压升高．(2)电压表量程为15V，每个小格为0.5V，故示数为6.5V.(3)I－t图像所围的面积，等于电容器C存储的电荷量，36个小格，故电容器C存储的电荷量为3.6×103C.(4)由电容的定义式C＝eq\f(q,U)得C＝4.5×104C.(5)开关S2掷向2，电容器放电，故D1闪光．考向1探究型实验(2023·苏州三模)某同学用传感器观察电容器的放电过程，实验操作如下：(1)本实验的电路如图甲所示，请在图乙中用笔画线代替导线连接实物图(传感器正常工作时电流从红鳄鱼夹流入，从黑鳄鱼夹流出).甲乙(2)为校验电阻箱阻值，在电路断开的情况下该同学用欧姆表“×1k”挡测量了电阻箱的阻值，测量结果如图丙所示，则电表读数为________Ω.丙(3)已知蓄电池的电动势为6V，内阻不计，实验结束后描绘的电容器放电i－t图像如图丁所示，根据图像求得该电容器的电容大小约为________F(保留两位有效数字).丁(4)实验结果表明，电容的测量值小于标识值，请写出导致该现象的一个主要原因__________.(5)将电容器放电后，该同学用欧姆表“×10”档检测电容器，当红、黑表笔与电容器两极连接后，发现指针先大角度向右偏转，然后偏角逐渐减小，经t1时间后返回；将该电容器放电后换用“×100”挡再次检测，指针经t2时间后返回，则t1________(填“大于”“小于”或“等于”)t2.答案：(1)见解析(2)60000(3)4.6×104(4)电容器的放电时间比较长，而实验测量的时间有限，所以测得的电荷量偏小，导致电容的测量值偏小(5)小于解析：(1)实物图如图所示．(2)电表读数为60×1000Ω＝60000Ω(3)根据公式Q＝It可知图丙图线与坐标轴围成的面积为整个放电过程中释放的电荷量，图丙中一个小方格对应的电荷量为Q0＝10×106×5C＝5×105C故整个放电过程释放的电荷量为Q＝55Q0＝55×5×105C＝2.75×103C可得该电容器的电容大小为C＝eq\f(Q,U)＝eq\f(Q,E)＝eq\f(2.75×103C,6V)≈4.6×104F.(4)导致该现象的一个主要原因为电容器的放电时间比较长，而实验测量的时间有限，所以测得的电荷量偏小，导致电容的测量值偏小．(5)将电容器放电后与欧姆表连接，相当于先对电容器充电，充电完毕后相当于断开，所以指针先大角度向右偏转，然后偏角逐渐减小；欧姆表“×10”挡时的内阻较小，可知此时的充电电流较大，根据Q＝CU，选用不同挡位时，充电结束后电容器的带电荷量相同，由于欧姆表“×10”挡时的充电电流较大，结合公式Q＝It，可知此时充电时间较小，即t1＜t2.在分析探究型实验时，先确定要探究的两个物理量，然后根据相关的物理规律(或定律)找到两个物理量之间的定量关系．而在利用图像表示两个物理量之间的关系时，呈正比例函数或线性关系更直观，如果当两个物理量作出的图像是曲线时，此时可以采取“化曲为直”的方法来得到两物理量的正比例函数或线性关系图像．(2023·南外、金陵、海安三校联考)某同学研究标有额定电压为3.8V字样(额定功率字迹不清)的小灯泡的伏安特性，使用实验室里的电压表、电流表和滑动变阻器等常规器材进行实验，测得的数据如表所示．次数123456U/V00.100.200.400.601.00I/A00.0800.1000.1180.1280.160次数789101112U/V1.602.202.603.003.403.80I/A0.2000.2380.2580.2780.2910.310(1)在虚线框中画出实验电路图．(2)在如图甲所示的坐标系中，根据表格中的数据，描出第7、8次的数据点，再画出小灯泡的伏安特性曲线.甲(3)实验中小灯泡两端的电压从零变化到额定电压的过程中，小灯泡的最大电阻约为________Ω(保留三位有效数字)；根据你的电路设计，考虑电流表、电压表带来的系统误差时，小灯泡最大电阻的测量值比此时的真实值偏________．(4)将本实验用的小灯泡接入如图乙所示的电路，电源电压恒为6.0V，定值电阻R1＝30Ω，电流表(内阻不计)读数为0.45A.根据你描绘出的小灯泡的伏安特性曲线，此时小灯泡消耗的实际功率约为________W(保留两位有效数字).乙答案：(1)见解析(2)见解析(3)12.3小(4)0.63解析：(1)该实验中需要测量较多数据，滑动变阻器应采用分压式接法，小灯泡电阻较小，电流表采用外接法，实验电路图如图所示．(2)在坐标系中描出第7、8次的数据点，用平滑曲线连接各点，使各点落在曲线上，或均匀分布在两侧，远离的点舍去，伏安特性曲线如图所示．(3)当电流最大时，温度最高，此时对应的电阻最大，则有Rm＝eq\f(U,I)＝eq\f(3.80,0.31)Ω≈12.3Ω电压表与电阻并联有分流作用，电流表的测量值大于通过电阻电流的真实值，根据欧姆定律可知小灯泡最大电阻的测量值比此时的真实值偏小．(4)通过R1的电流为I1＝eq\f(U,R1)＝0.2A通过小灯泡的电流为I2＝I－I1＝0.25A由伏安特性曲线可知，小灯泡两端的电压为UL＝2.5V故灯泡的功率为PL＝ULI2＝0.63W.考向2测量型实验(2023·苏北四市调研)某同学测量一段粗细均匀金属丝的电阻率，器材如下：金属丝Rx，电源E(电动势3V、内阻不计)，电流表(量程0～0.6A、内阻0.5Ω)，电压表(量程0～3V、内阻约3kΩ)，滑动变阻器R(最大阻值15Ω)，毫米刻度尺，开关S及导线若干．实验步骤如下：(1)首先用毫米刻度尺测出接入电路中金属丝的长度l＝50.00cm，再用螺旋测微器测金属丝直径，示数如图甲所示，金属丝直径的测量值d＝________mm.eq\o(\s\up7(),\s\do5(甲))(2)为减小误差，应选用图乙中的________(填“a”或“b”)连接线路．eq\o(\s\up7(),\s\do5(a))eq\o(\s\up7(),\s\do5(b))乙(3)实验过程中，改变滑动变阻器的滑片位置，并记录两电表的读数，作出如图丙所示的U－I图像，可得金属丝的电阻R＝____Ω，电阻率ρ＝____Ω·m(结果均保留两位有效数字).eq\o(\s\up7(),\s\do5(丙))(4)电路保持闭合，若测量时间较长，会使电阻率的测量结果________(填“偏大”“偏小”或“不变”).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)金属丝直径的测量值d＝0.5mm＋0×0.01mm＝0.500mm.(2)由于电源内阻不计，而电压表的内阻未知，电流表的内阻已知，为减小误差，应选用图乙中的“a”连接线路．(3)根据图a，可得U＝I(Rx＋RA)，作出如图丙所示的U－I图像，可得直线斜率为k＝eq\f(ΔU,ΔI)＝eq\f(2.70－0.90,0.60－0.20)Ω＝4.5Ω＝RA＋Rx，可得金属丝的电阻Rx＝4.0Ω；根据电阻定律可得，电阻率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)电路保持闭合，若测量时间较长，金属丝发热，温度升高，会使金属丝的电阻率增大，所以测量结果将偏大．该实验要明确一个基本的测量电路和一个原理(闭合电路的欧姆定律)，在实际的考查中，可能会进行一定的变换，如电路中缺少某一电表，遇到这种情况，首先要紧扣闭合电路的欧姆定律的公式E＝U＋Ir，分析题目中所缺少的电表是哪一个电表，然后根据题目中所提供的器材想办法得出所缺电表要测的那个物理量．(2023·常州期末)某同学测量一新型电源的电动势和内阻，器材有：一个满偏电流为100μA、内阻为2500Ω的表头，一个开关，电阻箱(0～999.9Ω)，滑动变阻器R0(最大阻值100Ω，允许最大电流1.5A)，若干导线，刻度尺和记号笔．(1)由于表头量程偏小，该同学将表头与电阻箱连接，将表头改装成量程为50mA的电流表，该电阻箱阻值应为________Ω(保留两位有效数字).(2)该同学用改装后的电流表测量电源的电动势和内阻，请用笔画线代替导线，完成表头改装和实验电路的实物图连接．(3)开关闭合前，借助刻度尺和记号笔将滑动变阻器的电阻丝螺线管均分成5等份，将相应位置标记为n＝0、1、2、3、4、5，闭合开关，将滑动变阻器滑片依次置于不同标记点n，并记录改装后电流表的示数，即可得到下表的5组数据，请在坐标系中作出eq\f(1,I)－n图像．n54321I/mA16.019.123.832.150.0eq\f(1,I)/A162.552.442.031.220.0(4)求出该电源的电动势E＝________V，内阻r＝________Ω(均保留两位有效数字).答案：(1)5.0(2)见解析(3)见解析(4)1.8～1.913～14解析：(1)将小量程的电流表改装成大量程的电流表需要并联一个电阻，根据欧姆定律可知并联电阻的阻值为R＝eq\f(IgRg,IA－Ig)＝eq\f(100×106×2500,50×103－100×106)Ω＝5.0Ω，故电阻箱阻值应为5.0Ω.(2)将电流表与电阻箱并联，与其他元件串联，实物图连接如图所示．(3)根据表格中数据在坐标系中描点，用直线连线，让大部分点落在直线上或均匀分布在直线两侧，距离较大的点舍去．图像如图所示．(4)改装后电流表的内阻R内＝eq\f(IgRg,IA)＝eq\f(100×106×2500,50×103)Ω＝5.0Ω，根据闭合电路欧姆定律有E＝Ieq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(R内＋r＋\f(nR0,5)))，即eq\f(1,I)＝eq\f(R内＋r,E)＋eq\f(nR0,5E)，图像的斜率为eq\f(R0,5E)＝eq\f(70－10,5.6)A1，图像纵轴截距为eq\f(R内＋r,E)＝10A1，代入数据解得E＝1.9V，r＝14Ω.考向3创新型实验(2023·苏锡常镇调研二)某兴趣小组尝试研究一块太阳能电池的相关性能．为控制光照强度，他们采用一个18W的台灯作为光源，并在距离光源40cm处将太阳能电池正对灯管进行实验．(1)该小组采用图甲所示电路研究该太阳能电池路端电压U与电流I的关系，通过实验记录及运算，获得了如下U和I的数据表．序号123456I/mA0.110.150.170.190.220.26U/V1.051.361.351.341.331.31序号789101112I/mA0.320.400.550.800.860.90U/V1.271.211.100.720.430.10他们在U－I坐标中描绘了序号为1～9的数据点．请完成序号为10～12的数据点的描绘，并绘制U－I图线．甲乙(2)从描绘的各数据点来看，序号为1的数据存在实验错误，其可能的原因有________(填字母).A．电阻箱实际接入阻值大于电阻箱记录值B．电阻箱实际接入阻值小于电阻箱记录值C．测量该数据时将太阳能电池的朝向弄偏了D．测量该数据时将太阳能电池向灯靠近了(3)通过实验图线可知，该太阳能电池的电动势为________V；若将该太阳能电池直接与R＝900Ω的定值电阻相连，则此时该电池的内阻约为________Ω(结果均保留三位有效数字).(4)对太阳能电池来讲，最大输出功率是其重要参数．根据以上数据可以估算这块太阳能电池在该光照条件下的最大输出功率为________mW(结果保留两位有效数字).答案：(1)见解析(2)AC(3)1.40(1.37～1.43)875(825～890)(4)0.63(0.60～0.65)解析：(1)根据表格数据在U－I图像中描绘序号为10～12的数据点，作出U－I图线如图所示．(2)从描绘的各数据点来看，序号为1的数据存在实验错误．电阻箱实际接入阻值大于电阻箱记录值，根据U＝IR，可知电压测量值小于真实值，故A正确，B错误；测量该数据时将太阳能电池的朝向弄偏了，则测量时电动势偏小，电流和电压测量值偏小，故C正确；测量该组数据时将太阳能电池向灯靠近了，则测量时电动势偏大，电流和电压测量值偏大，故D错误．(3)当电流I＝0时，通过实验图线可知，该太阳能电池的电动势为E＝1.40V，若将该太阳能电池直接与R＝900Ω的定值电阻相连，在图像中作出定值电阻的U－I图线，如图所示，根据图像交点可知，此时外电压为0.70V，电流为I＝0.80mA，根据闭合电路欧姆定律可得E＝U＋Ir，解得此时该电池的内阻为r＝eq\f(E－U,I)＝eq\f(1.40－0.70,0.80×103)Ω＝875Ω.(4)这块太阳能电池的输出功率为P＝UI，由U－I图像可知，这块太阳能电池在该光照条件下的最大输出功率约为Pm＝0.9×0.7mW＝0.63mW.实验的基本原理和实验方法是考查的核心，所以在分析这类实验时，应明确实