2024屆高考物理二輪專題復習與測試第一部分專題六實驗技能與創(chuàng)新第17講電學實驗與創(chuàng)新命題點三以測電源電動勢和內(nèi)阻為核心的電學實驗

命題點三以測電源電動勢和內(nèi)阻為核心的電學實驗1．伏安法測電源電動勢和內(nèi)阻．(1)方法一：計算法．解方程組eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(E＝U1＋I1r，,E＝U2＋I2r，))得E＝eq\f(I1U2－I2U1,I1－I2)，r＝eq\f(U2－U1,I1－I2)，再求平均值．(2)方法二：圖像法．以路端電壓U為縱軸，以干路電流I為橫軸，作出UI圖線，圖線在縱軸(U)上的截距代表電源的電動勢E，斜率的絕對值代表電源的內(nèi)阻r，即r＝|eq\f(ΔU,ΔI)|.(3)誤差分析．本實驗采用實驗原理中所示的電路測量時，電壓表的分流IV會造成系統(tǒng)誤差．由于I真＝I測＋IV，而IV＝eq\f(U,RV)，U越大，IV越大，U趨近于零時IV也趨近于零，此時I真＝I測＝I短(短路電流)．如圖所示，E測<E真、r測<r真，適合測量小內(nèi)阻電源．2．測電源的電動勢和內(nèi)阻的3種常用方案．項目伏安法伏阻法安阻法實驗原理E＝U＋IrE＝U＋eq\f(U,R)rE＝IR＋Ir實驗電路數(shù)據(jù)處理計算法由eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(E＝U1＋I1r,E＝U2＋I2r))解得E、r由eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(E＝U1＋\f(U1,R)r,E＝U2＋\f(U2,R)r))解得E、r由eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(E＝I1R＋I1r,E＝I2R＋I2r))解得E、r圖像法U＝－rI＋Eeq\f(1,U)＝eq\f(r,E)·eq\f(1,R)＋eq\f(1,E)eq\f(1,I)＝eq\f(1,E)·R＋eq\f(r,E)誤差來源電壓表的分流E測<E真；r測<r真電壓表的分流E測<E真；r測<r真電流表的分壓E測＝E真；r測>r真不管選擇哪種實驗方案，其基本的原理和方法都是相通的，都緊緊圍繞著原有學生實驗(伏安法)的設(shè)計思想，只是局部有所改進和創(chuàng)新．所以，熟練掌握基本的學生實驗的原理和方法是解答設(shè)計型實驗的前提和基礎(chǔ)．(2023·湖北卷)某實驗小組為測量干電池的電動勢和內(nèi)阻，設(shè)計了如圖(a)所示電路，所用器材如下：電壓表(量程0～3V，內(nèi)阻很大)；電流表(量程0～0.6A)；電阻箱(阻值0～999.9Ω)；干電池一節(jié)、開關(guān)一個和導線若干．(1)根據(jù)圖(a)，完成圖(b)中的實物圖連線．(2)調(diào)節(jié)電阻箱到最大阻值，閉合開關(guān)．逐次改變電阻箱的電阻，記錄其阻值R、相應的電流表示數(shù)I和電壓表示數(shù)U.根據(jù)記錄數(shù)據(jù)作出的U-I圖像如圖(c)所示，則干電池的電動勢為__________V(保留3位有效數(shù)字)、內(nèi)阻為__________Ω(保留2位有效數(shù)字)．(3)該小組根據(jù)記錄數(shù)據(jù)進一步探究，作出eq\f(1,I)-R圖像如圖(d)所示．利用圖(d)中圖像的縱軸截距，結(jié)合(2)問得到的電動勢與內(nèi)阻，還可以求出電流表內(nèi)阻為__________Ω(保留2位有效數(shù)字)．(4)由于電壓表內(nèi)阻不是無窮大，本實驗干電池內(nèi)阻的測量值__________(選填“偏大”或“偏小”)．解析：(1)實物連線如圖：(2)由電路結(jié)合閉合電路的歐姆定律可得U＝E－Ir，由圖像可知E＝1.58V，內(nèi)阻r＝eq\f(1.58－1.37,0.33)Ω＝0.64Ω.(3)根據(jù)E＝I(R＋RA＋r)，可得eq\f(1,I)＝eq\f(1,E)·R＋eq\f(RA＋r,E)，由圖像可知eq\f(RA＋r,E)＝2，解得RA＝2.5Ω.(4)由于電壓表內(nèi)阻不是無窮大，則實驗測得的是電壓表內(nèi)阻與電源內(nèi)阻的并聯(lián)值，即實驗中測得的電池內(nèi)阻偏?。鸢福?1)圖見解析(2)1.580.64(3)2.5(4)偏小預測1伏安法1．(2023·浙江卷)在“測量干電池的電動勢和內(nèi)阻”實驗中(1)部分連線如圖1所示，導線a端應連接到________(選填“A”“B”“C”或“D”)接線柱上．正確連接后，某次測量中電壓表指針位置如圖2所示，其示數(shù)為________V.(2)測得的7組數(shù)據(jù)已標在如圖3所示U-I坐標系上，用作圖法求干電池的電動勢E＝________V和內(nèi)阻r＝________Ω(計算結(jié)果均保留兩位小數(shù))．解析：(1)電壓表測量的電壓應為滑動變阻器接入電路中電阻絲兩端的電阻，開關(guān)應能控制電路，所以導線a端應連接到B處；干電池電動勢約為1.5V，電壓表選擇0～3V量程，分度值為0.1V，題圖中電壓表讀數(shù)為1.20V.(2)作出U-I如圖所示，根據(jù)閉合電路歐姆定律U＝E－Ir，可知U-I圖像縱軸截距為電源電動勢可得E＝1.50V，U-I圖像斜率的絕對值等于電源內(nèi)阻r＝eq\f(1.50－1.00,0.48－0)Ω＝1.04Ω.答案：(1)B1.20(2)1.501.04預測2安阻法2．(2022·湖北卷)某探究小組學習了多用電表的工作原理和使用方法后，為測量一種新型材料制成的圓柱形電阻的電阻率，進行了如下實驗探究．(1)該小組用螺旋測微器測量該圓柱形電阻的直徑D，示數(shù)如圖甲所示，其讀數(shù)為________mm.再用游標卡尺測得其長度L.(2)該小組用如圖乙所示的電路測量該圓柱形電阻Rx的阻值．圖中電流表量程為0.6A、內(nèi)阻為1.0Ω，定值電阻R0的阻值為20.0Ω，電阻箱R的最大阻值為999.9Ω.首先將S2置于位置1，閉合S1，多次改變電阻箱R的阻值，記下電流表的對應讀數(shù)I，實驗數(shù)據(jù)見下表．R/ΩI/Aeq\f(1,I)/A－15.00.4142.4210.00.3522.8415.00.3083.2520.00.2723.6825.00.2444.1030.00.2224.50根據(jù)表中數(shù)據(jù)，在圖丙中繪制出eq\f(1,I)-R圖像．再將S2置于位置2，此時電流表讀數(shù)為0.400A．根據(jù)圖丙中的圖像可得Rx＝________Ω(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)．最后可由表達式ρ＝________得到該材料的電阻率(用D、L、Rx表示)．(3)該小組根據(jù)圖乙的電路和圖丙的eq\f(1,I)-R圖像，還可以求得電源電動勢E＝________V，內(nèi)阻r＝______Ω.(結(jié)果均保留2位有效數(shù)字)(4)持續(xù)使用后，電源電動勢降低、內(nèi)阻變大．若該小組再次將此圓柱形電阻連入此裝置，測得電路的電流，仍根據(jù)原來描繪的圖丙的圖像得到該電阻的測量值會________(選填“偏大”“偏小”或“不變”)．解析：(1)用螺旋測微器測量該圓柱形電阻的直徑D，其讀數(shù)為3.5mm＋0.01mm×20.0＝3.700mm.(2)由電路可知，當將S2置于位置1，閉合S1時E＝I(RA＋R0＋r＋R)，即eq\f(1,I)＝eq\f(1,E)R＋eq\f(RA＋R0＋r,E)，由圖像可知eq\f(1,E)＝eq\f(4.9－2.0,35)，解得E＝12V，eq\f(RA＋R0＋r,E)＝2，解得r＝3.0Ω，再將S2置于位置2，此時電流表讀數(shù)為0.400A，則E＝I′(r＋R0＋RA＋Rx)，解得Rx＝6.0Ω.根據(jù)Rx＝ρeq\f(L,S)＝ρeq\f(L,\f(1,4)πD2)，解得ρ＝eq\f(πD2Rx,4L).(3)由(2)可知E＝12V，r＝3.0Ω.(4)根據(jù)表達式E＝I′(r＋R0＋RA＋Rx)，因電源電動勢變小，內(nèi)阻變大，則當安培表由相同讀數(shù)時，得到的Rx的值偏小，即Rx測量值偏小．答案：(1)3.700(2)6.0eq\f(πD2Rx,4L)(3)12，3.0(4)偏小預測3伏阻法3．某同學要用電阻箱和電壓表測量某水果電池組的電動勢和內(nèi)阻，考慮到水果電池組的內(nèi)阻較大，為了提高實驗的精度，需要測量電壓表的內(nèi)阻．實驗室中恰好有一塊零刻度在中央的雙向電壓表，該同學便充分利用這塊表，設(shè)計了如圖所示的實驗電路，既能實現(xiàn)對該電壓表內(nèi)阻的測量，又能利用該表完成水果電池組電動勢和內(nèi)阻的測量．該同學用到的實驗器材有：待測水果電池組(電動勢約4V、內(nèi)阻約50Ω)，雙向電壓表(量程為2V、內(nèi)阻約為2kΩ)，電阻箱(0～9999Ω)，滑動變阻器(0～200Ω)，一個單刀雙擲開關(guān)及若干導線．(1)該同學按如圖1所示電路圖連線后，首先測量了電壓表的內(nèi)阻．請完善測量電壓表內(nèi)阻的實驗步驟：①將R1的滑動觸片滑至最左端，將開關(guān)S撥向1位置，將電阻箱阻值調(diào)為0；②調(diào)節(jié)R1的滑動觸片，使電壓表示數(shù)達到滿偏U；③保持R1不變，調(diào)節(jié)R2，使電壓表的示數(shù)達到eq\f(U,3)，讀出電阻箱的阻值，記為R0，則電壓表的內(nèi)阻RV＝________．(2)若測得電壓表內(nèi)阻為2kΩ，可分析此測量值應________(選填“大于”“等于”或“小于”)真實值．(3)接下來測量電源的電動勢和內(nèi)阻，實驗步驟如下：①將開關(guān)S撥至________(選填“1”或“2”)位置，將R1的滑片移到最________端，不再移動；②調(diào)節(jié)電阻箱的阻值，使電壓表的示數(shù)達到一合適值，記錄電壓表的示數(shù)和電阻箱的阻值；③重復第二步，記錄多組電壓表的示數(shù)和對應的電阻箱的阻值．(4)若將電阻箱與電壓表并聯(lián)后的阻值記錄為R，作出eq\f(1,U)-eq\f(1,R)圖像，如圖2所示，其中縱軸截距為b，斜率為k，則電動勢的表達式為________，內(nèi)阻的表達式為________．解析：(1)滑動變阻器接入電路的阻值不變，電壓表與電阻箱兩端電壓不變，電壓表示數(shù)變?yōu)闈M偏電壓eq\f(1,3)U時，則電阻箱分壓eq\f(2,3)U，電阻箱接入電路的阻值等于電壓表內(nèi)阻的2倍，則電壓表內(nèi)阻RV＝eq\f(1,2)R0.(2)調(diào)節(jié)電阻箱阻值使電壓表示數(shù)變?yōu)闈M偏電壓的eq\f(1,3)時，電路總電阻變大，電路總電流變小，滑動變阻器與電源內(nèi)阻分壓變小，電阻箱與電壓表兩端總電壓變大，當電壓表示數(shù)變?yōu)闈M偏電壓eq\f(1,3)時，電阻箱兩端電壓大于電壓表滿偏電壓的eq\f(2,3)，實際上電壓表內(nèi)阻小于eq\f(1,2)R0，則電壓表內(nèi)阻的測量值偏大．(3)①測電源電動勢與內(nèi)阻，應將開關(guān)S撥至2位置，將R1的滑動觸片移到最左端，不再移動．(4)由圖示電路圖可知，在閉合電路中，電源電動勢E＝U＋Ir＝U＋eq\f(U,R)r，則eq\f(1,U)＝eq\f(1,E)＋eq\f(r,E)·eq\f(1,R).由圖示圖像可知，圖像截距b＝eq\f(1,E)，圖像斜率k＝eq\f(r,E)，則電源電動勢E＝eq\f(1,b)，電源內(nèi)阻r＝eq\f(k,b).答案：(1)eq\f(R0,2)(2)大于(3)2左(4)eq\f(1,b)eq\f(k,b)預測4電磁學實驗4．某實驗小組利用如圖所示實驗裝置進行“探究感應電流方向的規(guī)律”的實驗，其中線圈A與電源電路連接，線圈B與電流表G連接．在實驗過程中，①需要查清線圈________(選填“A”、“B”或“A和B”)的繞制方向．②是否需要查清流入電流表的電流方向與指針偏轉(zhuǎn)方向之間的關(guān)系？答：________(選填“需要”或“不需要”)解析：在實驗過程中，除了需要查清流入檢流計電流方向與指針偏轉(zhuǎn)方向之間的關(guān)系之外，還應查清線圈A和線圈B的繞制方向．答案：A和B需要5．某學校物理實驗課上，同學們用可拆變壓器探究“變壓器的電壓與匝數(shù)的關(guān)系”．可拆變壓器如圖甲、乙所示．(1)下列說法正確的是________．A．為確保實驗安全，實驗中要求原線圈匝數(shù)小于副線圈匝數(shù)B．變壓器原線圈接低壓交流電時，可以用多用電表的“直流電壓擋”測量副線圈電壓C．測量副線圈電壓時，先用中間擋位的量程試測，大致確定后再選用適當?shù)膿跷籇．研究副線圈匝數(shù)對副線圈電壓的影響時，需保持原線圈電壓、匝數(shù)不變，改變副線圈的匝數(shù)(2)變壓器鐵芯是由相互絕緣的薄硅鋼片平行疊壓而成的，而不是采用一整塊硅鋼，這樣設(shè)計的原因是__________．A．減小渦流，提高變壓器的效率B．增大渦流，提高變壓器的效率C．增大鐵芯中的電阻，以產(chǎn)生更多的熱量(3)一位同學實驗時，發(fā)現(xiàn)兩個線圈的導線粗細不同．他選擇的原線圈為800匝，副線圈為400匝，原線圈接學生電源的正弦交流輸出端“6V”擋位，測得副線圈的電壓為3.2V．則下列分析正確的是________．A．原線圈導線比副線圈導線粗B．學生電源實際輸出電壓大于標注的“6V”C．原線圈實際匝數(shù)與標注的“800”不符，應大于800D．副線圈實際匝數(shù)與標注的“400”不符，應小于400解析：(1)為確保實驗安全，應該降低輸出電壓，實驗中要求原線圈匝數(shù)大于副線圈匝數(shù)，故A項錯誤；變壓器只能改變交流電的電壓，原線圈輸入交流電壓，副線圈輸出交流電壓，應用多用電表的“交流電壓擋”測量，故B項錯誤；為了保護電表，測量副線圈電壓時，先用最大量程試測，大致確定電壓后再選用適當?shù)膿跷贿M行測量，故C項錯誤；研究變壓器電壓和匝數(shù)的關(guān)系，用到控制變量法，可以先保持原線圈電壓、匝數(shù)不變，改變副線圈的匝數(shù)，研究副線圈匝數(shù)對副線圈電壓的影響，故D項正確．故選D.(2)變壓器只能改變交流電，不能改變直流電，變壓器的鐵芯如果是整塊導體，內(nèi)部發(fā)生電磁感應而產(chǎn)生感應電流的現(xiàn)象稱為渦流現(xiàn)象，要損耗能量，不用整塊的硅鋼鐵芯，其目的是增大電阻，從而減小渦流，減小發(fā)熱量，