2024届高考物理三轮冲刺精微专题－第06讲 电学创新实验

第页（共4页）第6讲电学创新实验1．掌握借助基本实验分析拓展创新实验的方法。2．掌握传感器的性质，能利用传感器制作简单的自动控制装置。考向1研究伏安特性的拓展创新实验[例1]五一期间，武汉市在长江两岸进行了“2023建设英雄城劳模风采主题灯光秀”，两江沿岸7座桥体、2座山体、近千栋建设以光影为载体，致敬城市追梦的奋斗者与建设者。小武同学观看后对其中的发光单元产生了兴趣，他查找相关资料，发现一个发光单元是由三个相同的发光二极管和一个定值电阻串联而成（如图甲中虚线框内的结构），供电电压为12V，通过查找相关资料可知，每个发光二极管的工作电压应在3~4V之间，允许流过的最大电流不超过30mA。为研究发光二极管的伏安特性并测量的值，小武同学设计了图甲的电路进行实验。图中电源电压恒为12V，电压表的量程为0~2V、内阻为，电流表量程为0~30mA、内阻很小可忽略。完成下列操作中的要求或填空：（1）为完成实验并准确测量，定值电阻应该选择()A．

B．

C．

D．（2）正确选择后接通电源，将R的滑动触头从M端向N端滑动，记录多组电压表的示数U和电流表的示数I，并在图乙中绘出了图线。当R的滑动触头移动到最右端N时，电压表的示数为1.75V，电流表的示数为25.0mA，不考虑电表内阻的影响，则的阻值为；（3）如果考虑电表内阻的影响，发光二极管D在通过某一电流时的实际功率（选填“大于、“小于”或“等于）由图乙得到的测量值；（4）若将一个发光单元直接接到电动势为12V、内阻为的电源两端，在发光单元中，一个发光二极管的功率约为mW。（计算结果保留2位有效数字）【答案】B60大于54【详解】（1）[1]电压表的量程为0~2V、内阻为，每个发光二极管的工作电压应在3~4V之间，电压表需改装成大量程电压表，量程为4V，根据，，解得，故选B。（2）[2]电压表的示数为1.75V，根据电压表改装可知发光二极管两端电压为3.5V，根据欧姆定律，的阻值为（3）[3]根据电压表改装可知发光二极管两端电压为图乙测得电压值的两倍，故发光二极管D在通过某一电流时的实际功率大于由图乙得到的测量值；（4）[4]设电压表示数为，则如图所示

其工作点（17mA，1.6V)，一个发光二极管的功率约为考向2观察矩形波频率对电容器充放电的影响[例2]（2023·福建·统考高考真题）某同学用图（a）所示的电路观察矩形波频率对电容器充放电的影响。所用器材有：电源、电压传感器、电解电容器C（，），定值电阻R（阻值）、开关S、导线若干。（1）电解电容器有正、负电极的区别。根据图（a），将图（b）中的实物连线补充完整；

（2）设置电源，让电源输出图（c）所示的矩形波，该矩形波的频率为；

（3）闭合开关S，一段时间后，通过电压传感器可观测到电容器两端的电压随时间周期性变化，结果如图（d）所示，A、B为实验图线上的两个点。在B点时，电容器处于状态（填“充电”或“放电”）在点时（填“A”或“B”），通过电阻R的电流更大；（4）保持矩形波的峰值电压不变，调节其频率，测得不同频率下电容器两端的电压随时间变化的情况，并在坐标纸上作出电容器上最大电压与频率f关系图像，如图（e）所示。当时电容器所带电荷量的最大值C（结果保留两位有效数字）；

（5）根据实验结果可知，电容器在充放电过程中，其所带的最大电荷量在频率较低时基本不变，而后随着频率的增大逐渐减小。【答案】

充电B【详解】（1）[1]根据电路图连接实物图，如图所示（2）[2]由图（c）可知周期，所以该矩形波的频率为（3）[3][4]由图（d）可知，B点后电容器两端的电压慢慢增大，即电容器处于充电状态；从图中可得出，A点为放电快结束阶段，B点为充电开始阶段，所以在B点时通过电阻R的电流更大。（4）[5]由图（e）可知当时，电容器此时两端的电压最大值约为根据电容的定义式得此时电容器所带电荷量的最大值为考向3传感器的应用[例3](2023·湖南卷)某探究小组利用半导体薄膜压力传感器等元件设计了一个测量微小压力的装置，其电路如图13(a)所示，R1、R2、R3为电阻箱，RF为半导体薄膜压力传感器，C、D间连接电压传感器(内阻无穷大)。(1)先用欧姆表“×100”挡粗测RF的阻值，示数如图(b)所示，对应的读数是________Ω；(2)适当调节R1、R2、R3，使电压传感器示数为0，此时，RF的阻值为________(用R1、R2、R3表示)；(3)依次将0.5g的标准砝码加载到压力传感器上(压力传感器上所受压力大小等于砝码重力大小)，读出电压传感器示数U，所测数据如下表所示：次数123456砝码质量m/g0.00.51.01.52.02.5电压U/mV057115168220280根据表中数据在图(c)上描点，绘制U－m关系图线；图13(4)完成前面三步的实验工作后，该测量微小压力的装置即可投入使用。在半导体薄膜压力传感器上施加微小压力F0，电压传感器示数为200mV，则F0大小是________N(重力加速度取9.8m/s2，保留2位有效数字)；(5)若在步骤(4)中换用非理想毫伏表测量C、D间电压，在半导体薄膜压力传感器上施加微小压力F1，此时非理想毫伏表读数为200mV，则F1________F0(填“>”“＝”或“<”)。答案(1)1000(2)eq\f(R1,R2)R3(3)见解析图(4)0.018(5)＞解析(1)由题图(b)可知，对应的读数为10×100Ω＝1000Ω。(2)根据电压传感器示数为0可得I1R1＝I2R2，I1RF＝I2R3，解得RF＝eq\f(R1,R2)R3。(3)把表格中的数据在题图(c)上进行描点，然后用一条直线拟合，使尽可能多的点落在直线上，不在直线上的点均匀分布在直线的两侧，离直线较远的点舍弃，如图所示。(4)根据U－m图像可知，当U＝200mV时，m＝1.8g，故F0＝mg＝0.018N。(5)可将C、D以外的电路等效为新的电源，C、D两点电压看做路端电压，因为换用非理想毫伏表后，当读数为200mV时，实际上C、D间断路(接理想毫伏表时)时的电压大于200mV，则在压力传感器上施加微小压力F1时C、D间的电压大于在压力传感器上施加微小压力F0时C、D间的电压，结合U－m图线可知，F1＞F0。1．通过对近几年高考电学实验题的研究发现，创新类实验试题有两个显著特点：（1）基于教材中的电学实验，着重考查实验原理的改进、实验方案的重新设计、实验条件的微调整等。（2）重视电学实验的方法，问题设置结合当前科技、生活、生产等实际问题，因此理解实验原理，掌握实验方法是解决电学实验创新类问题的关键。2．求解电学创新型实验的基本思路和“两点注意”（1）基本思路。明确目的→选择方案→选定器材→实验操作→数据处理→得出结论（2）对于电学实验的创新，应注意的两个问题①在解决设计型实验时，要注意条件的充分利用，如对于给定确切阻值的电压表和电流表，电压表可当作电流表使用，电流表也可当作电压表使用，利用这一特点，可以拓展伏安法测电阻的方法，如伏伏法、安安法等。②对一些特殊电阻的测量，如电流表或电压表内阻的测量，电路设计有其特殊性，即首先要注意到其自身量程对电路的影响，其次要充分利用其“自报电流或自报电压”的功能，因此在测电压表内阻时无需另并联电压表，测电流表内阻时无需再串联电流表。1．（2023·河南南阳·高三统考期中）某直流电动机M转动时的图像如图甲所示，该同学利用图乙的实验电路研究电动机的转动情况，电路中使用恒压电源，恒压电源输出电压不变，，R2是滑动变阻器，电流表A是理想电流表，实验操作步骤如下：

（1）闭合开关前，调节滑动变阻器，使其滑动触头应在端。（选填“左”或“右”）（2）先闭合开关，开关保持断开，此时电流表的示数为0.8A，则恒压电源输出电压为V。（3）再闭合开关，然后缓慢调节滑动变阻器使电动机恰好转动起来，此时电流表的示数为2.0A，直流电动机M实际消耗的电功率为W。（取两位有效数字）【答案】左123.8【详解】（1）[1]闭合开关前，调节滑动变阻器使其接入电路中的阻值最大，则滑动变阻器触头应在左端。（2）[2]开关闭合，开关断开，则只有电阻接入电路中。所以恒压电源输出电压为（3）[3]通过直流电动机M的电流为根据甲图可知此时直流电动机M的电压约为3.2V，则直流电动机M实际消耗的电功率为2．温控报警系统在各行各业中都有重要的消防预警作用，其核心电学元件是热敏电阻。小余同学想探究热敏电阻特性并自制简易温控报警系统。（1）小余首先对该热敏电阻的温度特性进行研究，提供以下实验器材：A．热敏电阻（常温下的阻值约为）B．烧杯、热水、温度计C．电流表（量程0~0.6A，内阻）D．电压表（量程0~6V，内阻约）E.滑动变阻器（最大阻值为，额定电流2A）F.滑动变阻器（最大阻值为，额定电流0.5A）G.电源（电动势6V，额定电流2A，内阻不计）H.开关一个，导线若干

①要求通过热敏电阻的电流从零开始增大，为使测量尽量准确，则滑动变阻器应选择；（填器材前的字母标号）②请你按照上述实验要求用笔画线代替导线在实物图甲中完成余下导线的连接（画在答题纸的图甲上）；③由图乙可知，热敏电阻的阻值随温度升高而（选填“增大”或“减小”）；④某温度下，电压表示数4.5V，电流表示数如图丙所示，读数为A，此时热敏电阻阻值为。（2）小余利用上述热敏电阻制作简易温控报警系统。如图丁所示，当热敏电阻两端所加电压低于1V时，温控控制开关自动启动报警系统，现要求当温度升高至约时启动报警系统。其中直流电源E（电动势3V，内阻不计），则电阻箱阻值应调至。【答案】E

减小0.2017.528【详解】（1）①[1]待测电阻大约30欧姆，且由题意知滑动变阻器应该是分压式接法，故选滑动变阻器，以小控大，方便测量，故选E；②[2]电流从0开始增大，需要滑动变阻器分压式解法，且因电流表电阻已知，故选电流表内接法。如图

③[3]由图像变化规律可知，热敏电阻的阻值随温度升高而减小。④[4]电流表量程0.6A，最小刻度0.02A，读数保留两位小数，故指针此时所指读数为0.20A；[5]由可得此时热敏电阻（2）[6]当温度为时，由图像可估读电阻，此时热敏电阻上的电压达到临界电压1V得 3．(2023·江苏徐州市三模)某学习小组利用砷化镓霍尔元件(载流子为电子)研究霍尔效应，实验原理如图甲所示，匀强磁场垂直于元件的工作面，工作电源为霍尔元件提供霍尔电流IH，IH通过1、3测脚时，2、4测脚间将产生霍尔电压UH。（1）2、4测脚中电势高的是________(选填“2”或“4”)测脚。（2）某次实验中，利用螺旋测微器测量元件厚度d(如图乙)，其读数为________mm，调节工作电压，改变霍尔电流，测出霍尔电压，实验数据如下表所示：实验次数12345IH/mA0.501.001.502.002.50UH/mV41.583.1124.8166.4208.1根据实验数据在如图丙所示的坐标纸上作出UH与IH的关系图像。（3）设该元件单位体积中自由电子的个数为n，元件厚度为d，磁感应强度为B，电子电荷量为e，则UH与IH的关系式为________。答案(1)2(2)2.000见解析图(3)UH＝eq\f(BIH