2020年高三物理專題電學實驗壓軸題的5大命題點及破解策略(原卷版)

1、（一）電學實驗的 3 大創(chuàng)新考查角度在高考中對電學實驗一般不直接考查課本上的學生實驗，而是在學生實驗的基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新，比如常常在 實驗原理、實驗器材、數(shù)據(jù)處理等方面加以改進；學生應以常規(guī)實驗為依據(jù)，從實驗電路圖入手，結(jié)合實 驗的具體要求進行推理分析。角 度 一 對實驗原理的創(chuàng)新考查 在高考的電學實驗中，并不僅僅測量電阻的阻值或測定電源的電動勢和內(nèi)阻，有時可能會測定二極管的導 電特性、電容器的充、放電規(guī)律等。處理此類問題時，首先要掌握被測實驗器材的電學特性，其次要熟練 把握控制電路、測量電路的特點。 例 1 二極管具有獨特的單向?qū)щ娦裕斣诙O管兩極之間所加正向電壓小于某值時，二極管的電阻很大（

2、1 × 160，甚至更大 ），而當正向電壓超過某值時，二極管的電阻隨兩端電壓的升高而急劇減小。為了探究 二極管的導電特性：（1）實驗小組先用多用電表判斷二極管的極性。步驟如下：A 將多用電表置于歐姆表 “× 10擋0”，短接紅、黑表筆，調(diào)整 ，使指針指向表盤右側(cè) “ 0位”置；B將二極管串接在兩表筆之間，多用電表示數(shù)如圖甲中a 所示；C將二極管兩極對調(diào)， 多用電表示數(shù)如圖甲中 b 所示， 則此時與紅表筆接觸的是二極管的 （填“正或“負”極）。（2）實驗小組設計了如圖乙所示的實驗電路，通過實驗測得相關(guān)數(shù)據(jù)如下表。正向電壓U/V0.100.200.300.400.500.550

3、.600.650.680.70正向電流I/mA0000.020.260.561.131.792.373.0000.30 V 時，圖乙中開關(guān) S一定接在位置由二極管的特性和表中數(shù)據(jù)可知，當電壓表示數(shù)為根據(jù)表中數(shù)據(jù)，在圖丙中作出二極管的伏安特性曲線（要求保留所描的點跡 ） ，由圖線可知，二極管是（填“線性”或“非線性 ”元）件。（3）若此二極管為發(fā)光二極管，正常發(fā)光時通過的電流為3.00 mA，若用 1.5 V 的電源供電，則應該給二極管（填 “串”或“并”聯(lián)）一個約 的電阻。 對點訓練 1（2016 ·全國卷）某同學用圖中所給器材進行與安培力有關(guān)的實驗。兩根金屬導軌 ab和 a1b1固

4、定在同一水平面內(nèi)且相互平行，足夠大的電磁鐵 （未畫出 ） 的 N 極位于兩導軌的正上方， S 極位于兩導軌的正下方，一金 屬棒置于導軌上且與兩導軌垂直。 （1）在圖中畫出連線，完成實驗電路。要求滑動變阻器以限流方式接入電路，且在開關(guān)閉合后，金屬棒沿箭 頭所示的方向移動。（2）為使金屬棒在離開導軌時具有更大的速度，有人提出以下建議：A 適當增加兩導軌間的距離 B換一根更長的金屬棒 C適當增大金屬棒中的電流 其中正確的是 （填入正確選項前的標號 ）。角 度 二 對實驗器材的創(chuàng)新考查 在測量電表的內(nèi)阻時，要把電表當作能讀數(shù)的電阻，充分利用待測電表自身的測量功能，即電流表可測定 通過自身的電流，電壓表

5、可測定自身兩端的電壓，不需要其他的電表來測量。例 2 某校進行實驗電路設計比賽，實驗臺上備有下列器材：A電壓表 V1（量程約 2 V，內(nèi)阻約 1 k ）B電壓表 V2（量程為 6 V，內(nèi)阻為 2 k ）C電流計 G（量程為 3 mA ，內(nèi)阻約 500 ）D電流表 A（量程為 0.6 A，內(nèi)阻為 0.5 ）E滑動變阻器 R1（015 ，0.5 A）F滑動變阻器 R2（01 k ，0.1 A）G電阻箱 R3（0999.9 ，0.1 A）H電阻箱 R4（09 999.9 ，0.2 A）I電源 （6 V,0.5 A）J開關(guān)、導線若干（1）利用以上器材在圖中虛線框內(nèi)設計最佳測量電路，要求既能確定電壓表V

6、1 的量程，又能盡量準確地測定其內(nèi)阻，在圖中標明選用器材的符號。圖中滑動變阻器 R應選擇 （填寫元件符號 ）。（2）若已知電壓表 V1量程為 2 V，則下列實驗小組設計的電路圖中， 能用來測定電壓表 V 1的內(nèi)阻且設計合理 的是 。 對點訓練 2要測量電壓表 V1的內(nèi)阻 RV，其量程為 2 V，內(nèi)阻約為 2 k 。實驗室提供的器材有： 電流表 A，量程 0.6 A，內(nèi)阻約 0.1 ； 電壓表 V2，量程 5 V，內(nèi)阻為 5 k ； 定值電阻 R1，阻值為 30 ；定值電阻 R2，阻值為 3 k ； 滑動變阻器 R3，阻值為 100 ，額定電流為 1.5 A ；電源 E，電動勢為 6 V，內(nèi)阻約

7、 0.5 ；開關(guān) S 一個，導線若干。（1）有人擬將待測電壓表 V 1和電流表 A 串聯(lián)接入電壓合適的測量電路中，測出V 1的電壓和電流，再計算出RV 。該方案實際上不可行，其最主要的原因是 。（2）請從上述器材中選擇必要的器材，設計一個測量電壓表V1 的內(nèi)阻 RV的實驗電路。要求測量盡量準確，實驗須在同一電路中，且在不增減元件的條件下完成。試畫出符合要求的實驗電路圖（圖中電源與開關(guān)已連接好 ），并標出所選元件的相應字母代號。（3）由（2）所畫電路圖寫出電壓表 V1的內(nèi)阻 RV 的表達式，說明式中各測量量的物理意義。3實際電壓表內(nèi)阻并不是無限大，可等效為理想電流表與較大的電阻的串聯(lián)?，F(xiàn)要測量一

8、只量程已知的電 壓表的內(nèi)阻，器材如下：A 待測電壓表一只 （量程 3 V，內(nèi)阻約 3 k ；）B電流表一只 （量程 3 A，內(nèi)阻 0.01 ；）C電池組 （電動勢約為 3 V ，內(nèi)阻不計 ）；D滑動變阻器一個；E變阻箱一個 （可以讀出電阻值， 09 999 ；）F開關(guān)和導線若干。某同學利用上面所給器材，進行如下實驗操作：(1)該同學設計了如圖甲、乙兩個實驗電路。為了更準確地測出該電壓表內(nèi)阻的大小，你認為其中相對比較 合理的是 (填 “甲 ”或 “乙”電)路。(2) 用你選擇的電路進行實驗時，閉合開關(guān)S，改變阻值，記錄需要直接測量的物理量：電壓表的讀數(shù)U 和( 填上文字和符號 )。(3) 由所測

9、物理量選擇下面適當坐標軸，能作出相應的直線圖線、計算出電壓表內(nèi)阻的是 ( )1A U-IBU -I1C.U-RD U-R(4) 設直線圖像的斜率為 k、截距為 b，請寫出待測電壓表內(nèi)阻表達式 RV 。角 度 三 對數(shù)據(jù)處理的創(chuàng)新考查 在實驗中，數(shù)據(jù)處理的常用方法有公式法、列表法、圖像法、逐差法等，恰當?shù)臄?shù)據(jù)處理方法可以提高實 驗的準確程度、減少測量誤差、節(jié)約解題時間。 例 3 某物理學習小組為了測定某太陽能硅光電池組的電動勢和內(nèi)阻，設計了如圖 1 所示的電路，在一定 光照條件下進行實驗： (1)請根據(jù)圖 1完成圖 2 中實物的連線。12345678U/V1.771.751.701.651.54

10、1.271.000.50I/ A12304860687680863 中作出該硅光電池組的 U-I 圖線。(2)該小組成員將測量出來的數(shù)據(jù)記錄在表格中，請在圖V ，電池組的內(nèi)阻隨輸出電流的變化而改變，(3) 由所作的 U-I 圖線可知該硅光電池組的電動勢E在電流為 80 A時，該電池組的內(nèi)阻 r (保留兩位有效數(shù)字 )。 對點訓練 4 (2016 ·全 國 卷 )某 同 學 利 用 如 圖 甲 所 示 電 路 測 量 量 程 為 2.5 V 的 電 壓 表 的內(nèi)阻 （內(nèi)阻為數(shù)千歐姆 ），可供選擇的器材有：電阻箱 R（最 大阻值 99 999.9 ，）滑動變阻器 R1（最大阻值 50 ，

11、）滑動變阻器 R2（最大阻值 5 k ，）直流電源 E（電動勢 3 V）， 開關(guān) 1 個，導線若干。實驗步驟如下： 按電路原理圖甲連接線路；甲 將電阻箱阻值調(diào)節(jié)為 0，將滑動變阻器的滑片移到與圖甲中最左端所對應的位置，閉合開關(guān)S； 調(diào)節(jié)滑動變阻器，使電壓表滿偏； 保持滑動變阻器滑片的位置不變，調(diào)節(jié)電阻箱阻值，使電壓表的示數(shù)為2.00 V，記下電阻箱的阻值?；卮鹣铝袉栴}：（1）實驗中應選擇滑動變阻器 （填“R1”或 “R2”。）（2）根據(jù)圖甲所示電路將圖乙中實物圖連線。（3）實驗步驟中記錄的電阻箱阻值為630.0 ，若認為調(diào)節(jié)電阻箱時滑動變阻器上的分壓不變，計算可得電壓表的內(nèi)阻為 （結(jié)果保留到個

12、位 ）。（4） 如果此電壓表是由一個表頭和電阻串聯(lián)構(gòu)成的， 可推斷該表頭的滿刻度電流為 （填正確答案標號 ）。A 100 AB 250 AC500 AD 1 mA（二）電學實驗壓軸題的 5 大命題點及破解策略對實驗壓軸題考生們最感頭痛，很難拿到高分，其根本原因是試題考查的知識面廣，涉及的實驗方法也千 變?nèi)f化，所以對考生的能力要求也就很高。實驗壓軸題考查的熱點主要有基本儀器的選擇和使用、實驗原 理與操作步驟、數(shù)據(jù)處理、誤差分析等，所以對實驗壓軸題的破解方法就是要在熟悉（用足夠的時間和精力 ）考綱規(guī)定的所有實驗儀器的原理、正確使用方法的基礎(chǔ)上，對探究性實驗的思想方法（等效法、累積法、控制變量法、轉(zhuǎn)

13、換法、模擬法、留跡法等）進行深入研究，掌握這些原理、方法所引起的系統(tǒng)誤差的根源，同時還要掌握一些處理數(shù)據(jù)的方法與技巧，如作圖法及數(shù)形結(jié)合方法等。一、實驗電路及器材的選取 首先考慮安全性與準確性選擇電學實驗儀器要遵循安全性原則（不使電學元件受損 ）和準確性原則 （盡量減小誤差 ）。比如選擇電表時，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，然后再合理選擇量程使指針有較大 偏轉(zhuǎn) （要達到滿偏的 1/3） ，以盡量減小測量的相對誤差。而一些實驗壓軸題的難點往往就放在對安全性原則和準確性原則的理解上。實際上在選取電表時要靈活運用以上兩個原則。當遇到某一待測電阻不需要一定達到某一電壓或

14、電流的情 況時，即使電源電動勢較大，待測電阻的最大電流或最大電壓也較大，超過了比較小的電表的量程，但此 時如果用較大量程的電表讀數(shù)又會小于 1/3 量程， 那么在滑動變阻器控制電壓或電流保證安全的情況下， 我 們還是要選取較小量程的電表進行測量以便減小誤差。例 1 在描繪標有 “6 V 3 W”的小燈泡的伏安特性曲線的實驗中， 要求燈泡兩端的電壓由零逐漸增加到 6.0 V ，并便于操作。實驗室提供的器材有：A 學生電源 （電動勢為 9 V，內(nèi)阻約 1 ）B電流表 （量程為 00.6 A，內(nèi)阻約 0.2 ；量程為 03 A，內(nèi)阻約 0.04 ）C電壓表 （量程為 03 V，內(nèi)阻約 3 k ；量程

15、為 015 V，內(nèi)阻約 15 k ）D滑動變阻器 （最大阻值 10 ，最大允許電流 1 A）E滑動變阻器 （最大阻值 1 500 ，最大允許電流 0.3 A）F開關(guān)一個、導線若干（1） 為了完成實驗，應選用的滑動變阻器是 （填“ D”或“ E”，）選用的實驗電路圖應為圖1 中的（填“甲”或“乙”。）(3) 閉合開關(guān)，改變滑動變阻器滑動觸頭的位置，并記錄對應的電流表示數(shù) I、電壓表示數(shù) U。某次測量中電流表、電壓表示數(shù)如圖 3 所示，可知該狀態(tài)下小燈泡電阻的測量值為Rx 計(算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字 )。(4) 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，畫出小燈泡的 I-U 圖線如圖 4 所示。由此可知，當小燈泡兩端的電壓增

16、加時，小燈泡的 電阻值將 (選填“變大 ”或“變小”。) 對點訓練 1某實驗小組要判定兩種元件的制作材料，已知其中一種是由金屬材料制成的，它的電阻隨溫度的升高而 增大，而另一種是由半導體材料制成的，它的電阻隨溫度的升高而減小。準備的器材有：A電源 E（電動勢為 3.0 V，內(nèi)阻不計 ）B電壓表 V1（量程 03 V，內(nèi)阻約 1 k ）C電壓表 V2（量程 015 V，內(nèi)阻約 4 k ）D電流表 A1（量程 03 A，內(nèi)阻約 0.1 ）E電流表 A2（量程 00.6 A，內(nèi)阻約 0.6 ）F滑動變阻器 R1（05 ，3.0 A）G滑動變阻器 R2（0 200 ， 1.25 A） H開關(guān)和若干導線

17、 該小組成員對其中的一個元件進行了測試，測得通過其中的電流與加在它兩端的電壓數(shù)據(jù)如下表所示。U/V0.400.600.801.001.201.501.58I/A0.200.450.801.251.802.813.00請完成以下內(nèi)容。（1）實驗中電壓表應選用 ，電流表應選用 ，滑動變阻器應選用 （請?zhí)顚懫鞑那皩淖帜?）。（2）請根據(jù)表中數(shù)據(jù)在圖中作出該元件的I-U 圖線，該元件可能是由 （選填“金屬”或“半導體 ”材）料 制成的。（3）在（2）的基礎(chǔ)上，該同學進一步分析， 如果讓一節(jié)電動勢為 1.5 V、內(nèi)阻為 0.5 的干電池只對該元件供電， 則該元件消耗的功率為 W（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字

18、 ）。二、系統(tǒng)誤差的分析 多數(shù)情況下從實驗方法上找根源盡量減小誤差是物理實驗的基本原則，所以誤差分析作為實驗題的難點是近年來命題的熱點方向之一。物 理學中把測量誤差按其產(chǎn)生的原因與性質(zhì)分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差，其中又以尋找系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的根源作 為考查重點。產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的原因主要有兩類：由儀器本身存在一定的缺陷或不精密造成的，如儀器零點不準、儀器 水平或鉛直未調(diào)整等；實驗方法不完善或這種方法所依據(jù)的理論本身具有近似性，例如用單擺測量重力 加速度時忽略空氣對擺球的阻力的影響，測量電阻時不考慮電表內(nèi)阻的影響等所引入的誤差。這些原因就 是我們分析誤差的重要依據(jù)和突破方向。例 2 國際規(guī)定自來水在 15

19、時電阻率應大于 13 ·。m某同學利用如圖甲所示的電路測量 15 時自來水 的電阻率，其中內(nèi)徑均勻的圓柱體玻璃管側(cè)壁連接一細管，細管上有一閥門 K 以控制管內(nèi)自來水的水量， 玻璃管兩端接有導電活塞 （ 活塞電阻可忽略 ），右活塞固定，左活塞可自由移動。實驗器材還有：電源（電動勢約為 3 V ，內(nèi)阻可忽略 ），電壓表 V 1（量程為 3 V ，內(nèi)阻很大 ），電壓表 V2（量程為 3 V ，內(nèi)阻很大 ），定值電 阻 R1（阻值 4 k ，）定值電阻 R2（阻值 2 k ，）電阻箱 R（ 最大阻值 9 999 ，）單刀雙擲開關(guān) S，導線若干，游標卡尺，刻度尺等。實驗步驟如下：A 用游標卡尺

20、測量玻璃管的內(nèi)徑d；B向玻璃管內(nèi)注滿自來水，并用刻度尺測量水柱長度C把 S撥到 1位置，記錄電壓表 V1示數(shù)；D把 S撥到 2位置，調(diào)節(jié)電阻箱阻值，使電壓表L；V2 示數(shù)與電壓表 V 1示數(shù)相同，記錄電阻箱的阻值 R；E改變玻璃管內(nèi)水柱長度，重復實驗步驟C、D，記錄每一次水柱長度 L 和電阻箱阻值 R；F斷開 S，整理好器材。(1) 測玻璃管內(nèi)徑 d 時游標卡尺示數(shù)如圖乙所示，則 d mm。1(3)利用記錄的多組水柱長度 L 和對應的電阻箱阻值 R 的數(shù)據(jù)，繪制出如圖丙所示的R-L1關(guān)系圖像，則自來水的電阻率 · m保(留兩位有效數(shù)字 )。(4) 本實驗中若電壓表 V 1內(nèi)阻不是很大

21、，則自來水電阻率測量結(jié)果將 (填“偏大”不“變 ”或“偏小”。) 對點訓練 2為了測量一電阻的阻值 Rx，現(xiàn)實驗室提供了以下器材： 蓄電池 E，電流表 A，電壓表 V ，滑動變阻器 R， 電阻箱 RP，開關(guān) S1、 S2，導線若干。某活動小組設計了如圖甲所示的電路。實驗的主要步驟：a閉合 S1，斷開 S2，調(diào)節(jié) R和 RP，使電流表和電壓表示數(shù)合適，記下兩表示數(shù)分別為I1、U1；b閉合 S2，保持 RP 阻值不變，記下電流表和電壓表示數(shù)分別為I2、 U2。(1) 按圖甲中的電路圖在圖乙所示實物圖中連線；(2) 寫出被測電阻的表達式 Rx(用兩電表的讀數(shù)表示 )；(3) 由于電流表、 電壓表都不

22、是理想電表， 則被測電阻 Rx的測量值 (不考慮偶然誤差和測量精度， 填“大于 ”“小于”或“等于 ”真)實值。三、應用圖像處理數(shù)據(jù) 細心推導找關(guān)系，數(shù)形轉(zhuǎn)換是關(guān)鍵應用圖像處理實驗數(shù)據(jù)也常常成為實驗壓軸題的難點。要實現(xiàn)此類難點的突破就要數(shù)形結(jié)合找出關(guān)系，所 以數(shù)形轉(zhuǎn)換成為實驗數(shù)據(jù)處理必備的物理思想方法。利用圖像法處理數(shù)據(jù)又有兩種方法：(1) 如果只有橫坐標和縱坐標兩個變量， 且成線性關(guān)系時， 則可以利用兩個變量的關(guān)系進行求解， 如用斜率、 面積、截距等來處理實驗研究的問題。此類問題一般都要經(jīng)過以下數(shù)形轉(zhuǎn)變過程才能順利處理實驗研究的 問題：先根據(jù)物理規(guī)律寫出物理方程或物理關(guān)系，然后再根據(jù)實驗要求

23、寫出縱軸(y)和橫軸 (x)的線性關(guān)系方程 ykx b的形式，從而確定其斜率、面積、截距等的物理含義，然后再結(jié)合圖像的信息求解即可。(2) 如果除橫坐標和縱坐標兩個變量外還有第三個變量，即縱軸(y)和橫軸 (x)兩個變量不成線性關(guān)系時，則不能根據(jù)圖像的斜率、面積、截距等關(guān)系求解，只好借助作圖法，利用圖像截距、交點的物理含義來求解實 驗問題。例 3 某實驗小組甲、乙兩同學要測量一節(jié)干電池的電動勢和內(nèi)阻。實驗室有如下器材可供選擇：A待測干電池 (電動勢約為1.5 V ，內(nèi)阻約為0.8 )B電壓表 V(量程 15 V)C電流表 A1(量程 03 mA，內(nèi)阻RA1 10)D電流表 A2(量程 00.6

24、 A，內(nèi)阻RA2 0.1)E定值電阻 R(阻值為 50)F電阻箱 R0(09 999.9)G滑動變阻器 (0 20 ，1.0 A)H開關(guān)、導線若干E(1) 甲同學采用伏安法測量，為了盡量減小實驗誤差，在下列四個實驗電路中應選用(2) 甲同學根據(jù)實驗所測 (或經(jīng)過轉(zhuǎn)換 )的數(shù)據(jù)描繪出電源的 U-I 圖線如圖甲所示，則被測電池的電動勢 V ，內(nèi)阻 r 結(jié)（果均保留三位有效數(shù)字 ）。（3）乙同學利用電流表和電阻箱進行測量，所用電路圖如圖乙所示，閉合開關(guān)后，改變電阻箱阻值，當電阻箱阻值為 R1 時，電流表示數(shù)為 I1；當電阻箱阻值為 R2時，電流表示數(shù)為 I2。請你用 RA2、R1、R2、I1、I2表

25、 示出電池的電動勢 E，電池的內(nèi)阻 r 。 對點訓練 3要測繪一個標有 “3V 0.6 W”小燈泡的伏安特性曲線，燈泡兩端的電壓需要由零逐漸增加到3 V ，并便于操作。已選用的器材有：電池組 （電動勢為 4.5 V，內(nèi)阻約 1 ）；電流表 （量程為 0250 mA，內(nèi)阻約 5 ）；電壓表 （量程為 03 V，內(nèi)阻約 3 k；）開關(guān)一個、導線若干。（1） 實驗中所用的滑動變阻器應選下列中的 （填字母代號 ）。A 滑動變阻器 （最大阻值 20 ，額定電流 1 A）B滑動變阻器 （最大阻值 1 750 ，額定電流 0.3 A）（2）實驗的電路圖應選用下列的圖 （填字母代號 ）。(3) 實驗得到小燈泡

26、的伏安特性曲線如圖所示。如果將這個小燈泡接到電動勢為1.5 V、內(nèi)阻為 5 的電源兩端，小燈泡消耗的功率是 W 。四、電學實驗的創(chuàng)新 循“路”理“線”析原理“路 ”可謂電路， “線 ”可謂線索，即實驗原理、實驗方法等。 電學實驗的壓軸題常常把學生實驗中的實驗原理和實驗方法加以改進，讓考生一下找不到依據(jù)，似乎無法 下手。破解此類題應以掌握常規(guī)實驗原理、實驗方法、規(guī)范操作程序、數(shù)據(jù)處理方法等為根本依據(jù)，從題 目給出的電路原理圖入手分析， 再結(jié)合已有的電學知識 (如串并聯(lián)關(guān)系、 閉合電路歐姆定律等 )和實驗方法進 行推理，往往可以找到突破方向。例5 如圖甲所示是測量阻值為幾十歐的未知電阻Rx的原理圖，圖中R0是保護電阻 （10 ，）R1是電阻箱 （099.9 ，）R是滑動變阻器， A1和 A 2是電流表， E 是電源 （電動勢 10 V，內(nèi)阻很小 ）。甲 在保證安全和滿足要求的情況下，使測量范圍盡可能大。實驗具體步驟如下： 連接好電路，將滑動變阻器 R 調(diào)到最大。閉合 S，從最大值開始調(diào)節(jié)電阻箱 R1，先調(diào) R1為適當值，