专题20电学实验二多用表和电容及传感器实验（讲义）-（原卷版）

专题18电学实验二多用表和电容及传感器实验01专题网络·思维脑图02考情分析·解密高考03高频考点·以考定法04核心素养·难点突破05创新好题·轻松练考点内容学习目标多用表原理及使用1.掌握多用表原理，会使用多用表；2.掌握两种电表改装方法及功率测量；3.掌握传感器和电学创新实验，掌握电容器充放电实验电表改装和功率测量传感器、电容实验多用电表原理多用电表可以用来测量电流、电压、电阻等，并且每一种测量项目都有几个量程．外形如图所示：上半部分为表盘，表盘上有电流、电压、电阻等多种量程的刻度；下半部分为选择开关，它的四周刻有各种测量项目和量程．多用电表面板上还有：欧姆表的欧姆调零旋钮(使电表指针指在右端零欧姆处)、指针定位螺丝(使电表指针指在左端的“0”位置)、表笔的正、负插孔(红表笔插入“＋”插孔，黑表笔插入“－”插孔)．用多用电表测量小灯泡的电压和电流按如图甲所示的电路图连好电路，将多用电表选择开关置于直流电压挡，测小灯泡两端的电压．红表笔接电势高(填“高”或“低”)的点．按如图乙所示的电路图连好电路，将选择开关置于直流电流挡，测量通过小灯泡的电流．此时电流从红色表笔流入电表．用多用电表测定值电阻的阻值电路图I与Rx的对应关系相当于待测电阻Rx＝0，调节R使I＝Ig＝eq\f(E,Rg＋r＋R)，此时指针指在Ig处(RΩ＝Rg＋r＋R)相当于待测电阻Rx＝∞，此时I＝0，指针不偏转待测电阻为Rx，I＝eq\f(E,RΩ＋Rx)，指针指到某确定位置，此时Rx＝eq\f(E,I)－RΩ刻度特点表头电流满偏Ig处，对应欧姆表零刻度(最右侧)表头电流I＝0处，对应欧姆表∞刻度(最左侧)表头电流I与电阻Rx一一对应，但不是线性关系，表盘刻度不均匀注意：1）黑表笔与电源的正极连接，红表笔与电源的负极连接，电流方向为“红进黑出”．2）当多用电表指针指在中央时eq\f(Ig,2)＝eq\f(E,RΩ＋R中)，知中值电阻R中＝RΩ.测量步骤估测待测电阻阻值，选择合适的量程．欧姆调零．将被测电阻接在红黑表笔之间．读数：指针示数乘以倍率．使用完毕：选择开关置于“OFF”挡，长期不用应取出电池．注意事项区分“机械零点”与“欧姆零点”．机械零点是表盘刻度左侧的“0”位置，机械调零对应的是表盘下边中间的指针定位螺丝；欧姆零点是指刻度盘右侧的“0”位置，欧姆调零对应的是欧姆调零旋钮．使指针指在中值附近，否则换挡．测电阻时每换一次挡必须重新欧姆调零．手不能接触表笔的金属杆．测量电阻时待测电阻要与其他元件和电源断开．电容器的充放电实验原理电容器的充电过程：如图所示，当开关S接1时，电容器接通电源，在静电力的作用下自由电子从正极板经过电源向负极板移动，正极板因失去电子而带正电，负极板因获得电子而带负电．正、负极板带等量的正、负电荷．电荷在移动的过程中形成电流．在充电开始时电流比较大(填“大”或“小”)，以后随着极板上电荷的增多，电流逐渐减小(填“增大”或“减小”)，当电容器两极板间电压等于电源电压时，电荷停止定向移动，电流I＝0.电容器的放电过程：如图所示，当开关S接2时，相当于将电容器的两极板直接用导线连接起来，电容器正、负极板上电荷发生中和．在电子移动过程中，形成电流．放电开始电流较大(填“大”或“小”)，随着两极板上的电荷量逐渐减小，电路中的电流逐渐减小(填“增大”或“减小”)，两极板间的电压也逐渐减小到零．实验步骤按图连接好电路．把单刀双掷开关S打在上面，使触点1与触点2连通，观察电容器的充电现象，并将结果记录在表格中．将单刀双掷开关S打在下面，使触点3与触点2连通，观察电容器的放电现象，并将结果记录在表格中．记录好实验结果，关闭电源．注意事项电流表要选用小量程的灵敏电流计．要选择大容量的电容器．实验要在干燥的环境中进行．常见的传感器传感器的工作原理：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出．通常转换成的可用信号是电压、电流等电学量，或转换为电路的通断．把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制．传感器应用的一般模式如图所示：传感器的核心元件敏感元件：能直接感受或响应外界被测非电学量的部分．转换元件：能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分．信号调整与转换电路：能把输出的微弱的电信号放大的部分．传感器的分类工作原理举例物理传感器利用物质的物理特性或物理效应感知并检测出待测对象信息力传感器、磁传感器、声传感器等化学传感器利用电化学反应原理，把无机或有机化学物质的成分、浓度转换为电信号离子传感器、气体传感器等生物传感器利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等光敏电阻特点：光照越强，电阻越小．原因：光敏电阻的构成物质为半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能差；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好．作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量．热敏电阻和金属热电阻热敏电阻：热敏电阻一般由半导体材料制成，其电阻随温度的变化明显，温度升高电阻减小，如图甲所示为某一热敏电阻的阻值随温度变化的特性曲线．金属热电阻：有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的电阻也可以制作温度传感器，称为热电阻，如图乙所示为某金属导线电阻的温度特性曲线．作用：热敏电阻和金属热电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量．注意：在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器．电阻应变片电阻应变片的作用：电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量．电子秤的组成及敏感元件：由金属梁和电阻应变片组成，敏感元件是应变片．电子秤的工作原理eq\x(金属梁自由端受力F)⇒eq\x(金属梁发生弯曲)⇒eq\x(应变片的电阻变化)⇒eq\x(两应变片上电压的差值变化)考向一：多用表的使用【探究重点】用多用电表测二极管的正、反向电阻认识二极管：晶体二极管由半导体材料制成，它的符号如图所示，左端为正极，右端为负极．特点：当给二极管加正向电压时电阻很小，当给二极管加反向电压时电阻很大．用欧姆挡判断二极管的正负极将多用电表欧姆挡调零之后，若多用电表指针偏角很大，则黑表笔接触二极管的正极，红表笔接触二极管的负极(如图甲)；若多用电表指针偏角很小，则黑表笔接触二极管的负极，红表笔接触二极管的正极(如图乙)．探索黑箱内的电学元件判断目的应用挡位现象电源电压挡两接线柱正、反接时均无示数，说明无电源电阻欧姆挡两接线柱正、反接时示数相同二极管欧姆挡正接时示数很小，反接时示数很大【高考解密】(2022·湖南卷·12)小梦同学自制了一个两挡位(“×1”“×10”)的欧姆表，其内部结构如图所示，R0为调零电阻(最大阻值为R0m)，Rs、Rm、Rn为定值电阻(Rs＋R0m<Rm<Rn)，电流计G的内阻为RG(Rs≪RG)．用此欧姆表测量一待测电阻的阻值，回答下列问题：(1)短接①②，将单刀双掷开关S与m接通，电流计G示数为Im；保持电阻R0滑片位置不变，将单刀双掷开关S与n接通，电流计G示数变为In，则Im________In(选填“大于”或“小于”)；(2)将单刀双掷开关S与n接通，此时欧姆表的挡位为________(选填“×1”或“×10”)；(3)若从“×1”挡位换成“×10”挡位，调整欧姆零点(欧姆零点在电流计G满偏刻度处)时，调零电阻R0的滑片应该________调节(选填“向上”或“向下”)；(4)在“×10”挡位调整欧姆零点后，在①②间接入阻值为100Ω的定值电阻R1，稳定后电流计G的指针偏转到满偏刻度的eq\f(2,3)；取走R1，在①②间接入待测电阻Rx，稳定后电流计G的指针偏转到满偏刻度的eq\f(1,3)，则Rx＝________Ω.考向预测】(2023·江苏无锡市模拟)(1)如图甲所示，是欧姆表测未知电阻Rx阻值的原理图，电路中电池的电动势为E、内阻为r，R0为调零电阻，Rg为表头内阻，则电流I与待测电阻的阻值Rx关系式为I＝________；(调零电阻接入电路的部分阻值用R0表示)(2)I－Rx的关系图像如图乙所示，由图像判断下列说法正确的是________；A．指针偏角越小，测量的误差越小B．欧姆调零是当Rx＝0时，调节R0使电路中的电流I＝IgC．Rx越小，相同的电阻变化量对应的电流变化量越大，所以欧姆表的示数左密右疏D．测量中，当Rx的阻值为图乙中的R2时，指针位于表盘中央位置的右侧(3)用欧姆挡粗测电阻，选用“×10”倍率挡测量，发现指针偏转角度过小，因此需选择________(选填“×1”或“×100”)倍率的挡位，换挡后应重新进行________(选填“欧姆”或“机械”)调零，测量时多用电表的示数如图丙所示，测量结果为Rx＝________Ω考向二：电表改装和电功率测量【探究重点】电表的两种改装的比较改装成大量程电压表改装成大量程电流表内部电路改装原理串联分压并联分流所需电阻阻值R＝eq\f(U,Ig)－RgR＝eq\f(Ug,I－Ig)改装后的量程U＝Ig(Rg＋R)I＝eq\f(R＋Rg,R)Ig校准电路【高考解密】(2022·辽宁·高考真题)某同学要将一小量程电流表(满偏电流为，内阻为)改装成有两个量程的电流表，设计电路如图(a)所示，其中定值电阻，。(1)当开关S接A端时，该电流表的量程为___________；(2)当开关S接B端时，该电流表的量程比接在A端时___________(填“大”或“小”)(3)该同学选用量程合适的电压表(内阻未知)和此改装电流表测量未知电阻的阻值，设计了图(b)中两个电路。不考虑实验操作中的偶然误差，则使用___________(填“甲”或“乙”)电路可修正由电表内阻引起的实验误差。【考向预测】某实验小组要测量一个用电器L的额定功率(额定电压为10V、额定功率在12～15W之间)，测量电路的部分导线已经接好(如图所示)．实验室有下列器材可供选用：直流电源：E1(电动势为3V，内阻很小)E2(电动势为15V，内阻很小)直流电流表：A1(量程0～0.6A，内阻约为0.5Ω)A2(量程0～3A，内阻约为0.1Ω)直流电压表：V(量程为3V、内阻为3kΩ)滑动变阻器：R1(阻值范围0～20Ω)R2(阻值范围0～200Ω)定值电阻：R3＝3kΩ、R4＝9kΩ、R5＝25kΩ开关一个，导线若干为使测量尽可能准确、方便，请回答下列问题：(1)电源应该选择________(填“E1”或“E2”)；(2)电流表应该选择________(填“A1”或“A2”)；(3)滑动变阻器应该选择________(填“R1”或“R2”)；(4)由于电压表的量程不够，要利用一个定值电阻进行改装．请选择合适的定值电阻，在图中用笔画线代替导线连接好测量电路的剩余部分．考向三：传感器、电容实验【探究重点】电容器的充、放电：①充电：使电容器带电的过程，充电后电容器两极板带上等量的异种电荷，电容器中储存电场能．②放电：使充电后的电容器失去电荷的过程，放电过程中电场能转化为其他形式的能．霍尔元件的工作原理：E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B时，薄片中的载流子就在洛伦兹力作用下，向着与电流和磁场都垂直的方向漂移，使M、N间出现电压(如图所示)．霍尔元件在电流、电压稳定时，载流子所受静电力和洛伦兹力二力平衡．霍尔电压：UH＝keq\f(IB,d)(d为薄片的厚度，k为霍尔系数)．其中UH与B成正比，所以霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量．【高考解密】（2023·山东·统考高考真题）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：电容器C（额定电压，电容标识不清）；电源E（电动势，内阻不计）；电阻箱（阻值）；滑动变阻器（最大阻值，额定电流）；电压表V（量程，内阻很大）；发光二极管，开关，电流传感器，计算机，导线若干。回答以下问题：（1）按照图甲连接电路，闭合开关，若要升高电容器充电电压，滑动变阻器滑片应向端滑动（填“a”或“b”）。（2）调节滑动变阻器滑片位置，电压表表盘如图乙所示，示数为V（保留1位小数）。（3）继续调节滑动变阻器滑片位置，电压表示数为时，开关掷向1，得到电容器充电过程的图像，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，电容器存储的电荷量为C（结果保留2位有效数字）。（4）本电路中所使用电容器的电容约为F（结果保留2位有效数字）。（5）电容器充电后，将开关掷向2，发光二极管（填“”或“”）闪光。(2023·山西·统考高考真题)在“观察电容器的充、放电现象”实验中，所用器材如下：电池、电容器、电阻箱、定值电阻、小灯泡、多用电表、电流表、秒表、单刀双掷开关以及导线若干。(1)用多用电表的电压挡检测电池的电压。检测时，红表笔应该与电池的___________(填“正极”或“负极”)接触。(2)某同学设计的实验电路如图(a)所示。先将电阻箱的阻值调为，将单刀双掷开关S与“1”端相接，记录电流随时间的变化。电容器充电完成后，开关S再与“2”端相接，相接后小灯泡亮度变化情况可能是___________。(填正确答案标号)A．迅速变亮，然后亮度趋于稳定B．亮度逐渐增大，然后趋于稳定C．迅速变亮，然后亮度逐渐减小至熄灭(3)将电阻箱的阻值调为，再次将开关S与“1”端相接，再次记录电流随时间的变化情况。两次得到的电流I随时间t变化如图(b)中曲线所示，其中实线是电阻箱阻值为___________(填“R1”或“R2”)时的结果，曲线与坐标轴所围面积等于该次充电完成后电容器上的___________(填“电压”或“电荷量”)。【考向预测】(2023·山东省实验中学模拟)电容器是一种重要的电学元件，在电工、电子技术中应用广泛．使用图甲所示电路观察电容器的充、放电过程．电路中的电流传感器与计算机相连，可以显示电路中电流随时间的变化关系．图甲中直流电源电动势E＝8V，实验前电容器不带电．先使S与“1”端相连给电容器充电，充电结束后，使S与“2”端相连，直至放电完毕．计算机记录的电流随时间变化的i－t曲线如图乙所示．(1)乙图中阴影部分的面积S1________S2；(选填“>”“<”或“＝”)(2)计算机测得S1＝1203mA·s，则该电容器的电容为________F；(保留两位有效数字)(3)由甲、乙两图可判断阻值R1________R2.(选填“>”“<”或“＝”)(2023·江苏南通市模拟)某实验小组测量一新材料制成的粗细均匀金属丝的电阻率，金属丝的长度已知．(1)用螺旋测微器量金属丝的直径，示数如图甲所示，其直径为________mm.(2)用多用电表粗测金属丝的阻值．当用电阻“×10”挡时，发现指针偏转角度过大，进行一系列正确操作后，指针静止时位置如图乙所示，其读数为________Ω.(3)为了精确地测量金属丝的电阻Rx，实验室提供了下列器材：A．电流表A1(量程500μA，内阻1kΩ)B．电流表A2(量程0.3A，内阻约0.1Ω)C．滑动变阻器R1(0～5Ω，额定电流1.0A)D．滑动变阻器R2(0～1Ω，额定电流1.0A)E．电阻箱R(阻值范围为0～9999.9Ω)F．电源(电动势3.0V，内阻约0.2Ω)G．开关S、导线若干①实验小组设计的实验电路图如图丙所示．由于没有电压表，需要把电流表A1串联电阻箱R改为量程为3V的电压表，则电阻箱的阻值调为________Ω.滑动变阻器应选择________(选填“R1”或“R2”)②正确连接电路后，闭合开关，调节滑动变阻器测得5组电流表A1、A2的值I1、I2，数据见下表．请根据表中的数据，在方格纸上作出I1－I2图像，并由图像求出Rx＝________Ω(结果保留2位有效数字)，进而可以求出金属丝的电阻率．I1/(×103μA)0.1210.1650.2180.2660.306I2/A0.1000.1500.1900.2300.280③关于本实验的误差，下列说法正确的是_______________________________________．A．用螺旋测微器测量金属丝直径时，由于读数引起的误差属于系统误差B．用I1－I2图像处理实验数据求出金属丝阻值可以减小偶然误差C．需要将得到的几组电表示数取平均值以减小误差D．为减小读数时的误差，电表读数时应多估读几位数（2023·江苏省南通市高三下学期第三次调研）学习小组为研究黑盒a、b两端电压随电流变化的规律．实验室提供如下器材：A．黑盒B．电流表A（0.6A，内阻约0.5Ω）C．电压表V1（3V，内阻约3kΩ）D．电压表V2（6V，内阻约6kΩ）E．滑动变阻器R（0~20Ω）F．开关，导线若干（1）学习小组设计了如图甲所示的电路，闭合开关S，移动滑动变阻器R的滑片，记录相应的电压表示数U和电流表示数I如下表，请根据表中数据在图乙中作出UI图线_____。U/V1.951.731.521.301.100.88I/A0.180.220.260.300.340.38（2）将黑盒视为一个电源，根据作出的图线可得黑盒的等效电动势E0=_____V（结果保留三位有效数字）。（3）图甲中电压表应选用_____（选填“C”或“D”）。（4）因电表内阻影响，黑盒等效电动势E0测量值_____（选填“偏大”或“偏小”），原因是_____。（5）打开黑盒，内部电路如图丙所示，其中电阻R1=7.5Ω，R2=7.5Ω，R3=10.0Ω，电池E（电动势9.0V，内阻不计）。甲图中电压表的正、负接线柱分别与a、b相连，电阻R4的阻值最接近_____。A．2.0ΩB．10.0ΩC．50.0Ω(2023·江苏徐州市模拟)某同学利用如图甲所示电路观察电容器的充、放电现象，电流传感器与