2019版高考物理二轮复习讲义:第二部分 第三板块 第2讲 “追踪溯源”智取创新实验——学会迁移(含解析)
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1、第 2 讲 Error!考法学法在历年高考实验题中,第 2 个实验题一般为电学实验(偶尔也会考查力学实验) ,难度较大,且多数情况下不直接考查电学基本实验,而是考查实验的创新设计,因为设计型实验既考查学生的基本实验能力,又考查学生对物理规律的灵活应用能力。复习本讲内容时,要注意以下几点:熟悉各种实验器材的原理和使用方法; 熟知基础实验,能在基础实验的基础上创新实验过程;熟悉物理规律,能根据现有的器材设计实验,达到实验目的。创新点(一) 创新实验原理,消除实验误差高考试题中出现的电学创新实验,大多数是在教科书中常规实验的基础上,进行重组、包装、拓展、创新,它们源于教科书,但高于教科书,解决这类创
2、新实验时,应注意以下三点:1无论哪个电学实验,也不管怎么创新都离不开电路,离不开实验仪器的选取,电流表内、外接法的判断,滑动变阻器的分压电路与限流电路的分析。2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。3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,无须另并联电压表;测电流表内阻时,无须再串联电流表。命题角度 1 巧设
3、电路,消除并联分压造成的系统误差例 1 利用如图所示电路可以较为准确地测量电源的电动势。图中 a 为标准电源,其电动势为 Es,b 为待测电源;E 为恒压电源,R 为滑动变阻器,G 为零刻度在中央的灵敏电流计, AB 为一根粗细均匀的金属丝,滑动片 C 可在金属丝上移动, AC 之间的长度 L 可用刻度尺量出。实验步骤如下:(1)按图连接好电路。(2)调整滑动变阻器的滑片至合适位置,闭合开关 S1。(3)将 S2 接 1,调节滑动片 C 使电流计示数为零,记下_。(4)将 S2 接 2,重新调整滑动片 C 的位置,使_,并记下_。(5)断开 S1、S 2,计算待测电源的电动势的表达式为 Ex_
4、(用实验记录及已知物理量字母表示)。解析 (3)由(1) 、(2) 可知金属丝 AB 中的电流保持不变,使电流计指向零刻度,则加在 AC 两端的电压等于金属丝上的分压,即电源电动势等于金属丝上的分压,根据分压关系可知,分压之比等于金属丝长度之比,故记录金属丝 AC 段的长度即可求得电压之比,故要记下 AC 间的长度 L1。(4)测量待测电源的电动势,电流方向不变,使电流计指针指向零,再记下 AC 间的长度 L2。(5)电流计 G 中电流为零,则 AC 段的电压恰好等于接入电源的电动势,设 AB 上单位长度的电阻为 r,则有:I 0L1rE s;I 0L2rE x,解得:E x Es。L2L1答
5、案 (3)AC 间的长度 L1 (4)电流计示数为零 AC 间的长度 L2 (5) EsL2L1命题角度 2 消元法消除电表内阻造成的系统误差例 2 采用伏安法测量电源电动势 E 和内阻 r 时,由于电表因素造成实验的系统误差,某研究性学习小组对此进行探究实验,设计出如图所示的测量电源电动势 E 和内阻 r 的电路,E是辅助电源,A、B 两点间有一灵敏电流计 G。(1)请你补充完整实验步骤:闭合开关 S1、S 2,调节 R 和 R使得灵敏电流计的示数为零,这时,A、B 两点的电势 A、 B的关系是 A_B(选填“大于” “小于”或“等于”),读出电流表和电压表的示数 I1 和 U1,其中 I1
6、_(选填“大于” “小于”或“等于”)通过电源 E 的电流;改变滑动变阻器 R、R的阻值,重新使得_,读出_。(2)由上述步骤中测出的物理量,可以得出电动势 E 的表达式为_、内阻 r 的表达式为_。(3)该实验中 E 测 _E 真 ,r 测 _r 真 (均选填“大于” “小于”或“等于”)。解析 (1)闭合开关 S1、S 2,调节 R 和 R使得灵敏电流计的示数为零,这时,A、B 两点的电势 A、 B的关系是 A等于 B,读出电流表和电压表的示数 I1 和 U1,电流表测量的是干路上的电流,即 I1 等于通过电源 E 的电流。 改变滑动变阻器 R、R的阻值,重新使得灵敏电流计示数为零,读出电
7、流表和电压表的示数 I2 和 U2。(2)根据闭合电路欧姆定律得:EI 1rU 1,EI 2rU 2,解得:E U 1 ,I1U2 U1I1 I2r 。U2 U1I1 I2(3)两次测量,调节 R 和 R使得灵敏电流计的示数为零,使得 AB 之间的等效电阻为零,利用消元法消除了电表内阻造成的系统误差,所以 E 测 等于 E 真 ,r 测 等于 r 真 。答案 (1)等于 等于 灵敏电流计示数为零电流表和电压表的示数 I2 和 U2(2)EU 1 r (3)等于 等于I1U2 U1I1 I2 U2 U1I1 I2创新点(二) 实验器材的等效与替换命题角度 1 测量导电液体的电阻率例 1 某兴趣小
8、组欲通过测量工业污水(含多种重金属离子)的电阻率来判断某工厂废水是否达到排放标准(一般工业废水电阻率的达标值 200 m)。如图甲所示为该同学所用盛水容器,其左、右两侧面为金属薄板(电阻极小),其余四面由绝缘材料制成,左、右两侧带有接线柱,容器内表面长 a40 cm,宽 b20 cm,高 c10 cm,将水样注满容器后,用多用电表粗测水样电阻约为 2 750 。(1)为精确地测量所取水样的电阻,该小组从实验室中找到如下实验器材:A电流表(量程 5 mA,电阻 RA 为 50 )B电压表(量程 15 V,电阻 RV 约为 10 k)C滑动变阻器(020 ,额定电流 1 A)D电源(12 V ,内
9、阻约 10 )E开关一只、导线若干请在图乙实物图中完成电路连接。(2)正确连接电路后,闭合开关,测得一组 U、I 数据;再调节滑动变阻器,测出一系列数据如表所示,请在如图丙所示的坐标纸中作出 UI 关系图线。U/V 2.0 3.8 6.8 8.0 10.2 11.6I/mA 0.73 1.36 2.20 2.89 3.66 4.15(3)由以上测量数据可以求出待测水样的电阻率约为_m(计算结果保留到个位)。据此可知,所得水样_( 填“达标”或“不达标”)。解析 (1)因为要精确测量电阻值,需要电路中电压有较大的变化范围,而滑动变阻器阻值比待测电阻小得多,所以连线时滑动变阻器要用分压接法;又电流
10、表内阻已知,则采用电流表内接法,电路连接如图 1 所示。(2)UI 图线如图 2 所示。(3)由图 2 所作图线斜率可知,总电阻为 2 727 ,又 R R 总 R A2 677 ,根据电阻定律 R ,代入数据得 134 m0)。设计电路图如图所示,并按如下步骤进行操作。(1)按电路图连接好实验器材。(2)将滑动变阻器滑片 P 滑到_( 填“ a”或“b”)端,单刀双掷开关 S 掷于_(填“c” 或“ d”)端,调节滑片 P 使电流计满偏,并在以后的操作中保持滑片 P 位置不动,设此时电路总电阻为 R,断开电路。(3)容器中倒入适量开水,观察标准温度计,每当标准温度计示数下降 5 ,就将开关S
11、 置于 d 端,并记录此时的温度 t 和对应的电流计的示数 I,然后断开开关。请根据温度计的设计原理和电路图,写出电流与温度的关系式(用题目中给定的符号) I_。(4)根据对应温度记录的电流计示数,重新刻制电流计的表盘,改装成温度计。根据改装原理,此温度计表盘刻度线的特点是:低温刻度在_(填“左”或“右”) 侧,刻度线分布是否均匀?_( 填“是”或“否”) 。解析 (2)根据实验的原理可知,滑动变阻器起到保护电路的作用,首先需要选取合适的滑动变阻器的电阻值,结合使用滑动变阻器的注意事项可知,开始时需要将滑动变阻器滑片 P 滑到 a 端,以保证电路安全;然后将单刀双掷开关 S 掷于 c 端,调节
12、滑片 P 使电流计满偏,设此时电路总电阻为 R,断开电路。(3)当温度为 t 时,热敏电阻的阻值与摄氏温度 t 的关系为:R takt,根据闭合电路的欧姆定律可得,I 。ER Rt ER a kt(4)由电流与温度的关系式可知,温度越高,电流计中的电流值越小,所以低温刻度在表盘的右侧;由于电流与温度的关系不是线性函数,所以表盘的刻度是不均匀的。答案 (2)a c (3) (4)右 否ER a kt命题角度 2 自动控制电路设计与调整例 2 现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统,要求当热敏电阻的温度达到或超过60 时,系统报警。提供的器材有:热敏电阻,报警器( 内阻很小,流过的电流超过 Ic 时
13、就会报警) ,电阻箱(最大阻值为 999.9 ),直流电源(输出电压为 U,内阻不计) ,滑动变阻器 R1(最大阻值为 1 000 ),滑动变阻器 R2(最大阻值为 2 000 ),单刀双掷开关一个,导线若干。在室温下对系统进行调节。已知 U 约为 18 V,I c 约为 10 mA;流过报警器的电流超过20 mA 时,报警器可能损坏;该热敏电阻的阻值随温度升高而减小,在 60 时阻值为650.0 。(1)完成待调节的报警系统原理电路图的连线。(2)电路中应选用滑动变阻器_( 填“ R1”或“R 2”)。(3)按照下列步骤调节此报警系统:电路接通前,需将电阻箱调到一固定的阻值,根据实验要求,这
14、一阻值为_;滑动变阻器的滑片应置于 _(填“a” 或“b”) 端附近,不能置于另一端的原因是_;将开关向_(填“c” 或 “d”)端闭合,缓慢移动滑动变阻器的滑片,直至_。(4)保持滑动变阻器滑片的位置不变,将开关向另一端闭合,报警系统即可正常使用。解析 (1)电路图连接如图所示。(2)报警器开始报警时,对整个回路有 UI c(R 滑 R 热 ),代入数据可得 R 滑 1 150.0 ,因此滑动变阻器应选择 R2。(3)在调节过程中,电阻箱起到等效替代热敏电阻的作用,电阻箱的阻值应为报警器报警时热敏电阻的阻值,即为 650.0 。滑动变阻器在电路中为限流接法,滑片应置于 b端附近,若置于另一端
15、 a,闭合开关时,电路中的电流 I A27.7 mA,超过报警器18650.0最大电流 20 mA,报警器可能损坏。开关应先向 c 端闭合,移动滑动变阻器的滑片,直至报警器开始报警为止。答案 (1)连线见解析图 (2)R 2 (3)650.0 b 接通电源后,流过报警器的电流会超过 20 mA,报警器可能损坏 c 报警器开始报警电学设计型实验常用的方法1转换法:将不易测量的物理量转换成可以(或易于) 测量的物理量进行测量,然后再反求待测物理量的值,这种方法叫转换测量法(简称转换法 )。如在测量金属电阻率的实验中,虽然无法直接测量电阻率,但可以通过测金属丝的长度和直径,并将金属丝接入电路测出其电
16、阻,最后计算出它的电阻率。2替代法:用一个标准的已知量替代被测量,通过调整标准量,使整个测量系统恢复到替代前的状态,则被测量等于标准量。3控制变量法:研究一个物理量与其他几个物理量的关系时,要使其中一个或几个物理量不变,分别研究这个物理量与其他各物理量的关系,然后再归纳总结。如探究电阻的决定因素实验。 专题强训提能 1(2018新疆模拟)某同学利用如图甲所示电路测量电源的电动势 E 和内阻 r,可供选择的实验器材有:待测电源( 电动势约 6 V,内阻约 1 ),定值电阻 RA(阻值 10 )和 RB(阻值1 ),滑动变阻器 R(最大阻值 10 ),电流表 A(量程 0.6 A,内阻约 1 ),
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