2024屆高考物理三輪沖刺精微專題－第06講 電學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

第頁(yè)（共4頁(yè)）第6講電學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)1．掌握借助基本實(shí)驗(yàn)分析拓展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的方法。2．掌握傳感器的性質(zhì)，能利用傳感器制作簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制裝置?？枷?研究伏安特性的拓展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)[例1]五一期間，武漢市在長(zhǎng)江兩岸進(jìn)行了“2023建設(shè)英雄城勞模風(fēng)采主題燈光秀”，兩江沿岸7座橋體、2座山體、近千棟建設(shè)以光影為載體，致敬城市追夢(mèng)的奮斗者與建設(shè)者。小武同學(xué)觀看后對(duì)其中的發(fā)光單元產(chǎn)生了興趣，他查找相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)一個(gè)發(fā)光單元是由三個(gè)相同的發(fā)光二極管和一個(gè)定值電阻串聯(lián)而成（如圖甲中虛線框內(nèi)的結(jié)構(gòu)），供電電壓為12V，通過查找相關(guān)資料可知，每個(gè)發(fā)光二極管的工作電壓應(yīng)在3~4V之間，允許流過的最大電流不超過30mA。為研究發(fā)光二極管的伏安特性并測(cè)量的值，小武同學(xué)設(shè)計(jì)了圖甲的電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖中電源電壓恒為12V，電壓表的量程為0~2V、內(nèi)阻為，電流表量程為0~30mA、內(nèi)阻很小可忽略。完成下列操作中的要求或填空：（1）為完成實(shí)驗(yàn)并準(zhǔn)確測(cè)量，定值電阻應(yīng)該選擇()A．

B．

C．

D．（2）正確選擇后接通電源，將R的滑動(dòng)觸頭從M端向N端滑動(dòng)，記錄多組電壓表的示數(shù)U和電流表的示數(shù)I，并在圖乙中繪出了圖線。當(dāng)R的滑動(dòng)觸頭移動(dòng)到最右端N時(shí)，電壓表的示數(shù)為1.75V，電流表的示數(shù)為25.0mA，不考慮電表內(nèi)阻的影響，則的阻值為；（3）如果考慮電表內(nèi)阻的影響，發(fā)光二極管D在通過某一電流時(shí)的實(shí)際功率（選填“大于、“小于”或“等于）由圖乙得到的測(cè)量值；（4）若將一個(gè)發(fā)光單元直接接到電動(dòng)勢(shì)為12V、內(nèi)阻為的電源兩端，在發(fā)光單元中，一個(gè)發(fā)光二極管的功率約為mW。（計(jì)算結(jié)果保留2位有效數(shù)字）【答案】B60大于54【詳解】（1）[1]電壓表的量程為0~2V、內(nèi)阻為，每個(gè)發(fā)光二極管的工作電壓應(yīng)在3~4V之間，電壓表需改裝成大量程電壓表，量程為4V，根據(jù)，，解得，故選B。（2）[2]電壓表的示數(shù)為1.75V，根據(jù)電壓表改裝可知發(fā)光二極管兩端電壓為3.5V，根據(jù)歐姆定律，的阻值為（3）[3]根據(jù)電壓表改裝可知發(fā)光二極管兩端電壓為圖乙測(cè)得電壓值的兩倍，故發(fā)光二極管D在通過某一電流時(shí)的實(shí)際功率大于由圖乙得到的測(cè)量值；（4）[4]設(shè)電壓表示數(shù)為，則如圖所示

其工作點(diǎn)（17mA，1.6V)，一個(gè)發(fā)光二極管的功率約為考向2觀察矩形波頻率對(duì)電容器充放電的影響[例2]（2023·福建·統(tǒng)考高考真題）某同學(xué)用圖（a）所示的電路觀察矩形波頻率對(duì)電容器充放電的影響。所用器材有：電源、電壓傳感器、電解電容器C（，），定值電阻R（阻值）、開關(guān)S、導(dǎo)線若干。（1）電解電容器有正、負(fù)電極的區(qū)別。根據(jù)圖（a），將圖（b）中的實(shí)物連線補(bǔ)充完整；

（2）設(shè)置電源，讓電源輸出圖（c）所示的矩形波，該矩形波的頻率為；

（3）閉合開關(guān)S，一段時(shí)間后，通過電壓傳感器可觀測(cè)到電容器兩端的電壓隨時(shí)間周期性變化，結(jié)果如圖（d）所示，A、B為實(shí)驗(yàn)圖線上的兩個(gè)點(diǎn)。在B點(diǎn)時(shí)，電容器處于狀態(tài)（填“充電”或“放電”）在點(diǎn)時(shí)（填“A”或“B”），通過電阻R的電流更大；（4）保持矩形波的峰值電壓不變，調(diào)節(jié)其頻率，測(cè)得不同頻率下電容器兩端的電壓隨時(shí)間變化的情況，并在坐標(biāo)紙上作出電容器上最大電壓與頻率f關(guān)系圖像，如圖（e）所示。當(dāng)時(shí)電容器所帶電荷量的最大值C（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）；

（5）根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，電容器在充放電過程中，其所帶的最大電荷量在頻率較低時(shí)基本不變，而后隨著頻率的增大逐漸減小?！敬鸢浮?/p>

充電B【詳解】（1）[1]根據(jù)電路圖連接實(shí)物圖，如圖所示（2）[2]由圖（c）可知周期，所以該矩形波的頻率為（3）[3][4]由圖（d）可知，B點(diǎn)后電容器兩端的電壓慢慢增大，即電容器處于充電狀態(tài)；從圖中可得出，A點(diǎn)為放電快結(jié)束階段，B點(diǎn)為充電開始階段，所以在B點(diǎn)時(shí)通過電阻R的電流更大。（4）[5]由圖（e）可知當(dāng)時(shí)，電容器此時(shí)兩端的電壓最大值約為根據(jù)電容的定義式得此時(shí)電容器所帶電荷量的最大值為考向3傳感器的應(yīng)用[例3](2023·湖南卷)某探究小組利用半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器等元件設(shè)計(jì)了一個(gè)測(cè)量微小壓力的裝置，其電路如圖13(a)所示，R1、R2、R3為電阻箱，RF為半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器，C、D間連接電壓傳感器(內(nèi)阻無(wú)窮大)。(1)先用歐姆表“×100”擋粗測(cè)RF的阻值，示數(shù)如圖(b)所示，對(duì)應(yīng)的讀數(shù)是________Ω；(2)適當(dāng)調(diào)節(jié)R1、R2、R3，使電壓傳感器示數(shù)為0，此時(shí)，RF的阻值為________(用R1、R2、R3表示)；(3)依次將0.5g的標(biāo)準(zhǔn)砝碼加載到壓力傳感器上(壓力傳感器上所受壓力大小等于砝碼重力大小)，讀出電壓傳感器示數(shù)U，所測(cè)數(shù)據(jù)如下表所示：次數(shù)123456砝碼質(zhì)量m/g0.00.51.01.52.02.5電壓U/mV057115168220280根據(jù)表中數(shù)據(jù)在圖(c)上描點(diǎn)，繪制U－m關(guān)系圖線；圖13(4)完成前面三步的實(shí)驗(yàn)工作后，該測(cè)量微小壓力的裝置即可投入使用。在半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器上施加微小壓力F0，電壓傳感器示數(shù)為200mV，則F0大小是________N(重力加速度取9.8m/s2，保留2位有效數(shù)字)；(5)若在步驟(4)中換用非理想毫伏表測(cè)量C、D間電壓，在半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器上施加微小壓力F1，此時(shí)非理想毫伏表讀數(shù)為200mV，則F1________F0(填“>”“＝”或“<”)。答案(1)1000(2)eq\f(R1,R2)R3(3)見解析圖(4)0.018(5)＞解析(1)由題圖(b)可知，對(duì)應(yīng)的讀數(shù)為10×100Ω＝1000Ω。(2)根據(jù)電壓傳感器示數(shù)為0可得I1R1＝I2R2，I1RF＝I2R3，解得RF＝eq\f(R1,R2)R3。(3)把表格中的數(shù)據(jù)在題圖(c)上進(jìn)行描點(diǎn)，然后用一條直線擬合，使盡可能多的點(diǎn)落在直線上，不在直線上的點(diǎn)均勻分布在直線的兩側(cè)，離直線較遠(yuǎn)的點(diǎn)舍棄，如圖所示。(4)根據(jù)U－m圖像可知，當(dāng)U＝200mV時(shí)，m＝1.8g，故F0＝mg＝0.018N。(5)可將C、D以外的電路等效為新的電源，C、D兩點(diǎn)電壓看做路端電壓，因?yàn)閾Q用非理想毫伏表后，當(dāng)讀數(shù)為200mV時(shí)，實(shí)際上C、D間斷路(接理想毫伏表時(shí))時(shí)的電壓大于200mV，則在壓力傳感器上施加微小壓力F1時(shí)C、D間的電壓大于在壓力傳感器上施加微小壓力F0時(shí)C、D間的電壓，結(jié)合U－m圖線可知，F(xiàn)1＞F0。1．通過對(duì)近幾年高考電學(xué)實(shí)驗(yàn)題的研究發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)試題有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：（1）基于教材中的電學(xué)實(shí)驗(yàn)，著重考查實(shí)驗(yàn)原理的改進(jìn)、實(shí)驗(yàn)方案的重新設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)條件的微調(diào)整等。（2）重視電學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法，問題設(shè)置結(jié)合當(dāng)前科技、生活、生產(chǎn)等實(shí)際問題，因此理解實(shí)驗(yàn)原理，掌握實(shí)驗(yàn)方法是解決電學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新類問題的關(guān)鍵。2．求解電學(xué)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的基本思路和“兩點(diǎn)注意”（1）基本思路。明確目的→選擇方案→選定器材→實(shí)驗(yàn)操作→數(shù)據(jù)處理→得出結(jié)論（2）對(duì)于電學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新，應(yīng)注意的兩個(gè)問題①在解決設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)時(shí)，要注意條件的充分利用，如對(duì)于給定確切阻值的電壓表和電流表，電壓表可當(dāng)作電流表使用，電流表也可當(dāng)作電壓表使用，利用這一特點(diǎn)，可以拓展伏安法測(cè)電阻的方法，如伏伏法、安安法等。②對(duì)一些特殊電阻的測(cè)量，如電流表或電壓表內(nèi)阻的測(cè)量，電路設(shè)計(jì)有其特殊性，即首先要注意到其自身量程對(duì)電路的影響，其次要充分利用其“自報(bào)電流或自報(bào)電壓”的功能，因此在測(cè)電壓表內(nèi)阻時(shí)無(wú)需另并聯(lián)電壓表，測(cè)電流表內(nèi)阻時(shí)無(wú)需再串聯(lián)電流表。1．（2023·河南南陽(yáng)·高三統(tǒng)考期中）某直流電動(dòng)機(jī)M轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的圖像如圖甲所示，該同學(xué)利用圖乙的實(shí)驗(yàn)電路研究電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，電路中使用恒壓電源，恒壓電源輸出電壓不變，，R2是滑動(dòng)變阻器，電流表A是理想電流表，實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：

（1）閉合開關(guān)前，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使其滑動(dòng)觸頭應(yīng)在端。（選填“左”或“右”）（2）先閉合開關(guān)，開關(guān)保持?jǐn)嚅_，此時(shí)電流表的示數(shù)為0.8A，則恒壓電源輸出電壓為V。（3）再閉合開關(guān)，然后緩慢調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器使電動(dòng)機(jī)恰好轉(zhuǎn)動(dòng)起來，此時(shí)電流表的示數(shù)為2.0A，直流電動(dòng)機(jī)M實(shí)際消耗的電功率為W。（取兩位有效數(shù)字）【答案】左123.8【詳解】（1）[1]閉合開關(guān)前，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器使其接入電路中的阻值最大，則滑動(dòng)變阻器觸頭應(yīng)在左端。（2）[2]開關(guān)閉合，開關(guān)斷開，則只有電阻接入電路中。所以恒壓電源輸出電壓為（3）[3]通過直流電動(dòng)機(jī)M的電流為根據(jù)甲圖可知此時(shí)直流電動(dòng)機(jī)M的電壓約為3.2V，則直流電動(dòng)機(jī)M實(shí)際消耗的電功率為2．溫控報(bào)警系統(tǒng)在各行各業(yè)中都有重要的消防預(yù)警作用，其核心電學(xué)元件是熱敏電阻。小余同學(xué)想探究熱敏電阻特性并自制簡(jiǎn)易溫控報(bào)警系統(tǒng)。（1）小余首先對(duì)該熱敏電阻的溫度特性進(jìn)行研究，提供以下實(shí)驗(yàn)器材：A．熱敏電阻（常溫下的阻值約為）B．燒杯、熱水、溫度計(jì)C．電流表（量程0~0.6A，內(nèi)阻）D．電壓表（量程0~6V，內(nèi)阻約）E.滑動(dòng)變阻器（最大阻值為，額定電流2A）F.滑動(dòng)變阻器（最大阻值為，額定電流0.5A）G.電源（電動(dòng)勢(shì)6V，額定電流2A，內(nèi)阻不計(jì)）H.開關(guān)一個(gè)，導(dǎo)線若干

①要求通過熱敏電阻的電流從零開始增大，為使測(cè)量盡量準(zhǔn)確，則滑動(dòng)變阻器應(yīng)選擇；（填器材前的字母標(biāo)號(hào)）②請(qǐng)你按照上述實(shí)驗(yàn)要求用筆畫線代替導(dǎo)線在實(shí)物圖甲中完成余下導(dǎo)線的連接（畫在答題紙的圖甲上）；③由圖乙可知，熱敏電阻的阻值隨溫度升高而（選填“增大”或“減小”）；④某溫度下，電壓表示數(shù)4.5V，電流表示數(shù)如圖丙所示，讀數(shù)為A，此時(shí)熱敏電阻阻值為。（2）小余利用上述熱敏電阻制作簡(jiǎn)易溫控報(bào)警系統(tǒng)。如圖丁所示，當(dāng)熱敏電阻兩端所加電壓低于1V時(shí)，溫控控制開關(guān)自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，現(xiàn)要求當(dāng)溫度升高至約時(shí)啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。其中直流電源E（電動(dòng)勢(shì)3V，內(nèi)阻不計(jì)），則電阻箱阻值應(yīng)調(diào)至。【答案】E

減小0.2017.528【詳解】（1）①[1]待測(cè)電阻大約30歐姆，且由題意知滑動(dòng)變阻器應(yīng)該是分壓式接法，故選滑動(dòng)變阻器，以小控大，方便測(cè)量，故選E；②[2]電流從0開始增大，需要滑動(dòng)變阻器分壓式解法，且因電流表電阻已知，故選電流表內(nèi)接法。如圖

③[3]由圖像變化規(guī)律可知，熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小。④[4]電流表量程0.6A，最小刻度0.02A，讀數(shù)保留兩位小數(shù)，故指針此時(shí)所指讀數(shù)為0.20A；[5]由可得此時(shí)熱敏電阻（2）[6]當(dāng)溫度為時(shí)，由圖像可估讀電阻，此時(shí)熱敏電阻上的電壓達(dá)到臨界電壓1V得 3．(2023·江蘇徐州市三模)某學(xué)習(xí)小組利用砷化鎵霍爾元件(載流子為電子)研究霍爾效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)原理如圖甲所示，勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直于元件的工作面，工作電源為霍爾元件提供霍爾電流IH，IH通過1、3測(cè)腳時(shí)，2、4測(cè)腳間將產(chǎn)生霍爾電壓UH。（1）2、4測(cè)腳中電勢(shì)高的是________(選填“2”或“4”)測(cè)腳。（2）某次實(shí)驗(yàn)中，利用螺旋測(cè)微器測(cè)量元件厚度d(如圖乙)，其讀數(shù)為________mm，調(diào)節(jié)工作電壓，改變霍爾電流，測(cè)出霍爾電壓，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表所示：實(shí)驗(yàn)次數(shù)12345IH/mA0.501.001.502.002.50UH/mV41.583.1124.8166.4208.1根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在如圖丙所示的坐標(biāo)紙上作出UH與IH的關(guān)系圖像。（3）設(shè)該元件單位體積中自由電子的個(gè)數(shù)為n，元件厚度為d，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，電子電荷量為e，則UH與IH的關(guān)系式為________。答案(1)2(2)2.000見解析圖(3)UH＝eq\f(BIH