2019年高考物理專題復習《電學實驗》專題講義.doc

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2019年高考物理專題復習《電學實驗》專題講義 （一）變壓器的構造與原理（理想變壓器） （二）理想變壓器中的接個關系（電壓、電流、功率與線圈匝數(shù)的關系） （三）變壓器的動態(tài)分析 （四）電能的輸送 二、新課講解 （一）考點 1、多用表的使用 2、實驗儀器的選擇、電表的改裝問題 3、電源、電表的選擇，電流表的內外接法 4、滑動變阻器的兩種接法 5、電阻測量的方法 （二）重難點 1、電表的改裝 2、電源及電表的選擇 3、電流表的兩種接法和滑動變阻器的兩種接法分析 （三）易混點 電路中的各種元件的選擇及接法 3、 例題精析 （一）多用表 1、電流表原理和主要參數(shù) 電流表G是根據(jù)通電線圈在磁場中受磁力矩作用發(fā)生偏轉的原理制成的，且指什偏角θ與電流強度I成正比，即θ＝kI，故表的刻度是均勻的。電流表的主要參數(shù)有，表頭內阻Rg：即電流表線圈的電阻；滿偏電流Ig：即電流表允許通過的最大電流值，此時指針達到滿偏；滿偏電壓U：即指針滿偏時，加在表頭兩端的電壓，故Ug＝IgRg 2、電壓表的改裝 （1）原理：很小，不能直接換刻度測電壓，需要串聯(lián)一個如圖所示的分壓電阻。 （2）分壓電阻的計算：由串聯(lián)電路的特點知： 則： 因為電壓擴大表頭量程的倍數(shù)：所以 注：相同的表頭改裝成的不量程的電壓表串聯(lián)，指針偏轉角度相同。 3、電流表的改裝 （1）原理：很小，不能直接換刻度測電流，需要并聯(lián)一個如圖所示的分流電阻。 （2）分流電阻的計算：由并聯(lián)電路的特點知則：因為電流擴大表頭量程的倍數(shù)：所以 注：相同表頭改裝成量程不同的電流表并聯(lián)，指針偏轉角度相同。 4、電流表、電壓表的讀數(shù)規(guī)則： 電流表量程一般有兩種——0.1~0.6A，0~3A；電壓表量程一般有兩種——0~3V，0~15V。如圖10-1所示： 圖10-1 因為同一個電流表、電壓表有不同的量程，因此，對應不同的量程，每個小格所代表的電流、電壓值不相同，所以電流表、電壓表的讀數(shù)比較復雜，測量值的有效數(shù)字位數(shù)比較容易出錯。下面是不同表，不同量程下的讀數(shù)規(guī)則： 電壓表、電流表若用0~3V、0~3A量程，其最小刻度（精確度）分別為0.1V、0.1A，為10分度儀表讀數(shù)，讀數(shù)規(guī)則較為簡單，只需在精確度后加一估讀數(shù)即可。 如圖所示，電壓表讀數(shù)為1.88V，電流表讀數(shù)為0.83A。若指針恰好指在2上，則讀數(shù)為2.00V（或A）。 電壓表若用0~15V量程，則其最小刻度為0.5V，為2分度儀表讀數(shù)，所讀數(shù)值小數(shù)點后只能有一位小數(shù)，也必須有一位小數(shù)。 如圖所示，若指針指在整刻度線上，如指在10上應讀做10.0V，指在緊靠10刻度線右側的刻度線上（即表盤上的第21條小刻度線）讀數(shù)為10.5V，若指在這兩條刻度線間的中間某個位置，則可根據(jù)指針靠近兩刻度線的程度，分別讀做10.1V，或10.2V，或10.3V，或10.4V，即使是指在正中央，也不能讀做10.25V，若這樣，則會出現(xiàn)兩位不準確的數(shù)，即小數(shù)點后的2和5，不符合讀數(shù)規(guī)則，如上圖中所示，讀數(shù)應為9.3V。 電流表若用0-0.6A量程，則其最小刻度為0.02A，為5分度儀表讀數(shù)，其讀數(shù)規(guī)則與0—15V電壓表相似，所讀數(shù)值小數(shù)點后只能有兩位小數(shù)，也必須有兩位小數(shù)。 如上圖所示，電流表讀數(shù)為0.17A，若指針指在第11條刻度線上，則讀數(shù)為0.22A，指在第10條刻度線上，讀數(shù)為0.20A，指在第12條刻度線上，讀數(shù)為0.24A。 5、多用表的使用： 歐姆表的改裝： （1）主要部件：表頭、可調電阻、電源、紅黑表筆等。電路如圖。 （2）原理：由閉合電路歐姆定律得：， ， 與不成正比，時，。 （3）刻度盤的特點： ①零刻度線在最右端，從右向左讀數(shù)； ②刻度不均勻，前疏后密。中值電阻附近誤差小。 注：因歐姆表示數(shù)為零時：，中值時：，則。 （4）使用方法： ①首先機械調零； ②再歐姆調零，即兩表筆直接短接，調整，讓指針指在歐姆表盤最右端零刻度處； ③連接被測電阻，讀出刻度盤示數(shù)，，其中為檔位倍數(shù)。若指針偏右，需縮小倍數(shù)，選小的檔位；若指針偏左，需放大倍數(shù)，選大的檔位。 ④每換一次檔位，需重新調零。 （二）滑動變阻器應用分析 滑動變阻器是電學實驗中常用的儀器，近幾年高考電學設計性實驗命題對其應用多次直接或滲透考查.如何選擇滑動變阻器的接法設計控制電路仍是歷屆考生應考的難點. 圖12-3 滑動變阻器的限流接法與分壓接法的特點：如圖10-2所示的兩種電路中，滑動變阻器（最大阻值為R0）對負載RL的電壓、電流強度都起控制調節(jié)作用，通常把圖（a）電路稱為限流接法，圖（b）電路稱為分壓接法. 圖10-2 負載RL上電壓調節(jié)范圍（忽略電源內阻） 負載RL上電流調節(jié)范圍（忽略電源內阻） 相同條件下電路消耗的總功率 限流接法 E≤UL≤E ≤IL≤ EIL 分壓接法 0≤UL≤E 0≤IL≤ E（IL+Iap） 比較 分壓電路調節(jié)范圍較大 分壓電路調節(jié)范圍較大 限流電路能耗較小 ①限流法.如圖（a）所示，待測電阻上電壓調節(jié)范圍為.顯然，當R0<>RL時，滑動觸頭在從b向a滑動的過程中，先是電流表、電壓表的示數(shù)變化不大，后來在很小的電阻變化范圍內，電流表、電壓表的讀數(shù)變化很快，也不方便讀數(shù)，只有當RL與R0差不多大小時，才能對電流、電壓有明顯的調控作用.在同樣能達到目的的前提下，限流法較為省電，電路連接也較為簡單. ②分壓法.如圖（b）所示，待測電阻上電壓調節(jié)范圍為0～E，且R0相對于RL越小，R上的電壓變化的線性就越好.當R0>>RL時，盡管UL變化范圍仍是0～E，但數(shù)據(jù)幾乎沒有可記錄性，因為在這種情況下，滑片從左端滑起，要一直快到右端時，電壓表上示數(shù)一直幾乎為零，然后突然上升到E，對測量幾乎沒有用處.因此，分壓接法要用全阻值較小的滑動變阻器。 滑動變阻器的限流接法與分壓接法：兩種電路均可調節(jié)負載電阻電壓和電流的大小，但在不同條件下，調節(jié)效果大不一樣，滑動變阻器以何種接法接入電路，應遵循安全性、精確性、節(jié)能性、方便性原則綜合考慮，靈活選取. 1.下列三種情況必須選用分壓式接法 （1）要求回路中某部分電路電流或電壓實現(xiàn)從零開始可連續(xù)調節(jié)時（如：測定導體的伏安特性、校對改裝后的電表等電路），即大范圍內測量時，必須采用分壓接法. （2）當用電器的電阻RL遠大于滑動變阻器的最大值R0時，必須采用分壓接法.因為按圖（b）連接時，因RL>>R0＞Rap,所以RL與Rap的并聯(lián)值R并≈Rap，而整個電路的總阻值約為R0，那么RL兩端電壓UL=IR并=Rap，顯然UL∝Rap,且Rap越小，這種線性關系越好，電表的變化越平穩(wěn)均勻，越便于觀察和操作. （3）若采用限流接法，電路中實際電壓（或電流）的最小值仍超過RL的額定值時，只能采用分壓接法. 2.下列情況可選用限流式接法 （1）測量時對電路中的電流或電壓沒有要求從零開始連續(xù)調節(jié)，只是小范圍內測量，且RL與R0相差不大或RL略小于R0，采用限流式接法. （2）電源的放電電流或滑動變阻器的額定電流太小，不能滿足分壓式接法的要求時，采用限流式接法. （3）沒有很高的要求，僅從安全性和精確性角度分析兩者均可采用時，可考慮安裝簡便和節(jié)能因素優(yōu)先采用限流式接法. 圖10-3 例1：如圖10-3所示，滑動變阻器電阻最大值為R，負載電阻R1=R，電源電動勢為E,內阻不計. （1）當K斷開，滑動頭c移動時，R1兩端的電壓范圍是多少？ （2）當K閉合，滑動頭c移動時，R1兩端的電壓范圍是多少？ （3）設R的長度ab=L,R上單位長度的電阻各處相同，a、c間 長度為x，當K接通后，加在R1上的電壓U1與x的關系如何？ 【審題】電鍵斷開或閉合導致電路出現(xiàn)兩種截然不同的控制電路：限流和分壓，把握限流和分壓電路的原理是關鍵 【解析】（1）若K斷開，則該控制電路為滑動變阻器的限流接法，故≤U1≤E （2）若K閉合，則該控制電路為滑動變阻器的分壓接法，故0≤U1≤E （3）U1=IR并，R并=,I= 得：U1= 【總結】該題考察兩種控制電路的原理即兩者獲取的控制電壓范圍不同 例2：用伏安法測量一個定值電阻的器材規(guī)格如下：待測電阻Rx（約100 Ω）;直流電流表（量程0~10 mA、內阻50 Ω）;直流電壓表（量程0~3 V、內阻5 kΩ）;直流電源（輸出電壓4 V、內阻不計）；滑動變阻器（0~15 Ω、允許最大電流1 A）；開關1個，導線若干.根據(jù)器材的規(guī)格和實驗要求畫出實驗電路圖. 【審題】本題只需要判斷測量電路、控制電路的接法，各儀器的量程和電阻都已經給出，只需計算兩種接法哪種合適。 圖10-5 【解析】用伏安法測量電阻有兩種連接方式，即電流表的內接法和外接法，由于Rx＜，故電流表應采用外接法.在控制電路中，若采用變阻器的限流接法，當滑動變阻器阻值調至最大，通過負載的電流最小，Imin==24 mA＞10 mA,此時電流仍超過電流表的量程，故滑動變阻器必須采用分壓接法.如圖10-5所示. 【總結】任一種控制電路必須能保證電路的安全，這是電學實驗的首要原則 ，限流接法雖然簡潔方便，但必須要能夠控制電路不超過電流的額定值，同時，能夠保證可獲取一定的電壓、電流范圍，該題中，即便控制電流最小值不超過電流表的量程，因滑動變阻器全阻值相對電路其它電阻過小，電流、電壓變化范圍太小，仍不能用限流接法。 （三）實驗電路和電學儀器的選擇 （1）電路的選擇 ①安培表內、外接電路的選擇 由于電壓表的分流作用和電流表的分壓作用，造成表的示數(shù)與通過負載的電壓或電流真實值之間產生誤差，為減小此系統(tǒng)誤差，應慎重選擇電流表的內外接法，選擇方法如下： 1、直接比較法： 當待測電阻阻值Rx<>RA時，安培表分壓很小，選擇安培表內接電路。 2、臨界值計算比較法： 當待測電阻阻值與電壓表、電流表的阻值相差不多時，如何確定被測電阻R是較大還是較小呢？我們要計算兩種接法的相對誤差，可用與相比較. 當即時，宜采用電流表外接法； 當即時，宜采用電流表內接法； 而時，電流表內外接法效果是一樣的.此時的被測電阻值R我們稱為臨界電阻。 3、測試判斷法（試觸法） 　　若Rx、RA、RV的大小關系事先沒有給定，可借助試觸法確定內、外接法.具體做法是: 如圖10-6所示組成電路，其中電流表事先已經接好，拿電壓表的一個接線柱去分別試觸M、N兩點，觀察先后兩次試觸時兩電表的示數(shù)變化情況。 如果電流表的示數(shù)變化比電壓表示數(shù)變化明顯(即)，說明接M點時電壓表分流作用引起的誤差大于接N點時電流表分壓作用引起的誤差，這時應采用內接法(即電壓表接N點)。 圖10-6 如果電壓表的示數(shù)變化比電流表示數(shù)變化明顯(即)，說明接N點時電流表分壓作用引起的誤差大于接M點時電壓表分流作用引起的誤差，這時應采用外接法(即電壓表接M點). （口決：“大內偏大，小外偏小”，即內接法適合測大電阻且系統(tǒng)誤差偏大，即測量值大于真實值，外接法適合測小電阻且系統(tǒng)誤差偏小，即測量值小于真實值，） ②控制電路（即滑動變阻器的接法）的選擇，見難點2 （2）電路實驗器材和量程的選擇，應考慮以下幾點： ①電路工作的安全性，即不會出現(xiàn)電表和其它實驗器材因過載毀壞現(xiàn)象。 ②能否滿足實驗要求（常常要考慮便于多次測量求平均值）。 ③選擇器材的一般思路是：首先確定實驗條件，然后按電源—電壓表—電流表—變阻器順序依次選擇。根據(jù)不使電表受損和盡量減少誤差的原則選擇電表.首先保證流過電流表的電流和加在電壓表上的電壓均不超過使用量程，然后合理選擇量程，務必使指針有較大偏轉（一般取滿偏度的左右），以減少測讀誤差.根據(jù)電路中可能出現(xiàn)的電流或電壓范圍需選擇滑動變阻器，注意流過滑動變阻器的電流不超過它的額定值，對大阻值的變阻器，如果是滑動頭稍有移動，使電流、電壓有很大變化的，不宜采用.應根據(jù)實驗的基本要求來選擇儀器，對于這種情況，只有熟悉實驗原理，才能作出恰當?shù)倪x擇.總之，最優(yōu)選擇的原則是： a、 方法誤差盡可能小. b、實現(xiàn)較大范圍的靈敏調節(jié). c、在大功率裝置（電路）中盡可能節(jié)省能量；在小功率電路里，在不超過用電器額定值的前提下，適當提高電流、電壓值，以提高測試的準確度. 根據(jù)以上原則，電學儀器的選擇有如下建議： 1、電源的選擇：選擇直流電源，應根據(jù)用電器的需要來確定，一般考慮用電器所需的電壓、電路中的電流、電源電動勢和允許電流等.在不超過待測器材所允許的最大電壓值的情況下，選擇電動勢較大的電源（以獲得更多的測量數(shù)據(jù)）。在相同電動勢情況下，通常選擇內電阻較小的電源（以獲得較穩(wěn)定的路端電壓）,測電源內阻除外。 2、電表的選擇：在不超過電表量程的條件下，選擇量程較小的電表（以便測量時示數(shù)能在滿刻度的2/3左右）。 3、滑動變阻器的選擇:要由電路中所要求或可能出現(xiàn)的電流、電壓的范圍來選定變阻器，實際流過變阻器的電流不得超過其額定值；如要通過變阻器的電阻改變來讀取不同的電流、電壓值時，要注意避免變阻器滑片稍有移動電流或電壓就會有很大變化的出現(xiàn)，也要避免出現(xiàn)滑片從一頭滑到另一頭，電流或電壓幾乎沒有變化的情況. 若控制電路確定為限流接法,則滑動變阻器應選用與實驗電路中其它電阻的總阻值相差不大的;若控制電路確定為分壓接法，則應選用在額定電流允許的條件下阻值較小的滑動變阻器。 （四）電阻測量的方法歸類 在高中電學實驗中，涉及最多的問題就是電阻的測量，電阻的測量方法也比較多，最常用的有： （1）歐姆表測量：最直接測電阻的儀表。但是一般用歐姆表測量只能進行粗測，為下一步的測量提供一個參考依據(jù)。用歐姆表可以測量白熾燈泡的冷電阻。 （2）替代法：替代法的測量思路是等效的思想，可以是利用電流等效、也可以是利用電壓等效。替代法測量電阻精度高，不需要計算，方法簡單，但必須有可調的標準電阻（一般給定的儀器中要有電阻箱）。 替代法是用與被測量的某一物理性質等效，從而加以替代的方法。 圖10-13 如圖10-13所示。 先把雙刀雙擲開關S2扳到1，閉合S1，調整滑動變阻器，使電流表指針指到某一位置，記下此時的示數(shù)I（最好為一整數(shù)）。再把開關S2扳到2，調整電阻箱R0，使得電流表指針仍指到示數(shù)I。讀出此時電阻箱的阻值r，則未知電阻Rx的阻值等于r。 說明：①在此實驗中的等效性表現(xiàn)在開關換位后電流表的示數(shù)相同，即當電阻箱的阻值為r時，對電路的阻礙作用與未知電阻等效，所以未知電阻Rx的阻值等于r。 ②替代法是一種簡捷而準確度很高的測量電阻的方法，此方法沒有系統(tǒng)誤差，只要電阻箱和電流表的精度足夠高，測量誤差就可以忽略。 （3）伏安法：伏安法的測量依據(jù)是歐姆定律（包括部分電路歐姆定律和全電路歐姆定律），需要的基本測量儀器是電壓表和電流表，當只有一個電表時，可以用標準電阻（電阻箱或給一個定值電阻）代替；當電表的內阻已知時，根據(jù)歐姆定律I=U/RV，電壓表同時可以當電流表使用，同樣根據(jù)U=IRA，電流表也可以當電壓表用。 （4）比例法：如果有可以作為標準的已知電阻的電表，可以采用比例法測電表的電阻。用比例法測電表內阻時，兩個電流表一般是并聯(lián)（據(jù)并聯(lián)分流原理），兩個電壓表一般是串聯(lián)（據(jù)串聯(lián)分壓原理）。 所謂“比例法”是：要測量某一物體的某一物理量，可以把它與已知準確數(shù)值的標準物體進行比較。例如，使用天平稱量物體的質量，就是把被測物體與砝碼進行比較，砝碼就是質量數(shù)準確的標準物體。天平的結構是等臂杠桿，因此當天平平衡時，被測物體的質量與標準物體的質量是相等的，這就省去了進一步的計算。 有很多情況下，被測物體與標準物體的同一物理量間的關系并不是相等，而是在滿足一定條件下成某種比例的關系，這種方法又稱為“比例法”。 圖10-14 例如，測電流表和電壓表的內阻，如果有可以作為標準的已知電阻的電表，都可以使用比例法。采用比例法測電阻的依據(jù)是：串聯(lián)電路電壓與電阻成正比，并聯(lián)電路電流與電阻成反比。電壓表可顯示電阻兩端的電壓值，電流表可顯示電阻中通過的電流，所以測電流表內阻應把兩電流表并聯(lián)，測電壓表內阻應把兩電壓表串聯(lián)，電路圖分別如圖10-14（甲）、（乙）所示。 測電流表內阻時，應調節(jié)滑動變阻器R01，使兩電流表的指針都有較大偏轉，記錄下兩電表的示數(shù)I1和I2，根據(jù)并聯(lián)電路分流原理，若已知電流表A1的內阻為r1，則電流表A2的內阻r2=。 測電壓表內阻時，應調節(jié)滑動變阻器R02，使兩電壓表的指針都有較大偏轉，記錄下兩電表的示數(shù)U1和U2，根據(jù)串聯(lián)電路分壓原理，若已知電壓表V1的內阻r1，則電流表V2的內阻r2=。 以上例子中，甲圖采用限流電路而乙圖采用分壓電路，這是由于電流表內阻都較小，若采用分壓電路，則滑動變阻器的阻值必須更小，這時電路近似于短路，是不允許的；而電壓表內阻都很大，若采用限流電路，則滑動變阻器的電阻必須更大，這在實際上行不通。 （5）半值法（半偏法）。 半值法是上面比例法的一個特例，測電流表內阻和測電壓表內阻都可以用半值法，電路圖如圖10-15所示。 圖10-15 甲圖實驗時先斷開開關S’，閉合S，調整滑動變阻器R01（限流法連接），使電流表A滿度（即指針指滿刻度處）；再閉合S’，調整電阻箱R1，使電流表A的指針恰好指到半滿度處，讀出此時電阻箱的阻值R，則電流表A的電阻rA=R。（測量結果偏小） 乙圖實驗時先閉合開關S’及S，調整滑動變阻器R02（分壓法連接），使電壓表V滿度；再斷開S’，調整電阻箱R2，使電壓表V的指針恰好指到半滿度處，讀出此時電阻箱的阻值R，則電壓表V的電阻rV=R。（測量結果偏大） 四、總結課堂，指出考點，布置作業(yè)。