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電學(xué)設(shè)計(jì)性試驗(yàn)的處理考綱解讀1.把握設(shè)計(jì)創(chuàng)新型試驗(yàn)的一般方法.2.能依據(jù)題目給的試驗(yàn)?zāi)康摹⑵鞑?,設(shè)計(jì)出合理的試驗(yàn)方案、試驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)處理的方法.考點(diǎn)一設(shè)計(jì)性試驗(yàn)的答題思路與方法1.明確試驗(yàn)?zāi)康模畬忣}時(shí)要看清題目要求測(cè)定什么物理量,驗(yàn)證、探究什么物理規(guī)律,或者要求設(shè)計(jì)達(dá)到何種標(biāo)準(zhǔn)的電路.2.廣泛聯(lián)系、查找原型、確定試驗(yàn)原理.3.依據(jù)試驗(yàn)原理與試驗(yàn)器材,遷移試驗(yàn)方法,確定試驗(yàn)方案.4.試驗(yàn)電路的選擇(1) (2)把握電路的選擇:把握電路即滑動(dòng)變阻器在電路中的連接,常有兩種不同的形式,圖1甲為限流式,圖乙為分壓式.圖1在具體試驗(yàn)中,滑動(dòng)變阻器是接受分壓式還是限流式,可按以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行推斷:①負(fù)載電阻的阻值Rx遠(yuǎn)大于滑動(dòng)變阻器總電阻R,需用分壓式電路.②要求負(fù)載上電壓或電流變化范圍較大,且從零開頭連續(xù)可調(diào),需用分壓式電路.③負(fù)載電阻的阻值Rx小于滑動(dòng)變阻器的總電阻R或相差不多,并且電壓、電流表示數(shù)變化不要求從零起調(diào),可接受限流式.④兩種電路均可使用的狀況下,應(yīng)優(yōu)先接受限流式接法,由于限流式接法消耗的的總功率較?。?中國(guó)機(jī)器人農(nóng)夫制造家吳玉祿(被譽(yù)為中國(guó)的特斯拉)只有學(xué)校文化,為了給他的機(jī)器人吳老二找一個(gè)可充電電池,他在廢品站找到了一個(gè)像電池一樣有兩個(gè)電極的裝置,上面標(biāo)有“TNT”字樣,他興奮地拿回去充電,結(jié)果差點(diǎn)丟了性命.假如你是他的兒女,為了平安起見,你能給他提出一些建議或掛念嗎?(1)經(jīng)上網(wǎng)查找這是只工業(yè)電雷管,由電能轉(zhuǎn)化成熱能而引發(fā)爆炸的,利用了電流的熱效應(yīng).給你一個(gè)多用電表你會(huì)選擇________(直流電流、直流電壓、電阻)擋來推斷它是否為電池,可保證既平安又便利.(2)經(jīng)核實(shí)該電雷管全電阻阻值為6Ω,其中電熱絲阻值為5Ω,引腳線長(zhǎng)2m,阻值為1Ω,當(dāng)通以0.45A電流時(shí)約6s鐘爆炸,若吳玉祿用5.4V的電壓給它充電時(shí)理論上約________s鐘爆炸.(3)某愛好小組發(fā)揚(yáng)吳玉祿精神,用伏安法設(shè)計(jì)了一試驗(yàn)精確測(cè)量上述單只電雷管電阻的電路,預(yù)備了以下試驗(yàn)器材:待測(cè)電雷管Rx,炸藥桶(疼惜作用,防爆破)電流表A1:量程0.5A、內(nèi)阻約0.5Ω電流表A2:量程30mA、內(nèi)阻約30Ω電壓表V1:量程30V、內(nèi)阻約10kΩ電壓表V2:量程2V、內(nèi)阻約3kΩ滑動(dòng)變阻器R:0~10Ω電阻箱R0:0~999.9Ω,0.1A干電池E:電動(dòng)勢(shì)E=1.5V,內(nèi)阻r約0.1Ω電鍵S及導(dǎo)線若干①請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)較合理的電路原理圖,畫在規(guī)定的虛線框內(nèi),要求通過電雷管的電流不超過27mA,電壓能從零調(diào)整,盡可能減小誤差.②寫出Rx的計(jì)算公式Rx=________;說明公式中各物理量的意義:___________________________________________________________________________________________.解析(1)由直流電壓擋的內(nèi)阻較大,如是電池,能顯示電壓,電流較小;如是TNT,直流電壓擋不會(huì)給它供電,也是平安的;如用電阻擋測(cè)試,多用電表內(nèi)部電池會(huì)給TNT供電,可能有危急;所以應(yīng)選直流電壓擋.(2)由焦耳定律:Ieq\o\al(2,1)Rt1=(eq\f(U,R總))2Rt′,解得t′=1.5s.(3)①由于要求電雷管的電流不超過27mA,因此電流表應(yīng)選A2,且應(yīng)給待測(cè)電雷管串聯(lián)電阻箱作限流電阻.電壓表V1量程過大,應(yīng)選V2,且電流表應(yīng)外接,滑動(dòng)變阻器應(yīng)用分壓式.電路圖如圖所示.②由歐姆定律知Rx=eq\f(U,I)-R0.其中,U為電壓表示數(shù),I為電流表示數(shù),R0為電阻箱讀數(shù).答案(1)直流電壓(2)1.5(3)①見解析圖②eq\f(U,I)-R0U為電壓表示數(shù),I為電流表示數(shù),R0為電阻箱讀數(shù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)流程
例2在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”的試驗(yàn)中,現(xiàn)除了有一個(gè)標(biāo)有“5V,2.5W”的小燈泡、導(dǎo)線和開關(guān)外,還有:A.直流電源(電動(dòng)勢(shì)約為5V,內(nèi)阻可不計(jì))B.直流電流表(量程0~3A,內(nèi)阻約為0.1Ω)C.直流電流表(量程0~600mA,內(nèi)阻約為5Ω)D.直流電壓表(量程0~15V,內(nèi)阻約為15kΩ)E.直流電壓表(量程0~5V,內(nèi)阻約為10kΩ)F.滑動(dòng)變阻器(最大阻值10Ω,允許通過的最大電流為2A)G.滑動(dòng)變阻器(最大阻值1kΩ,允許通過的最大電流為0.5A)試驗(yàn)要求小燈泡兩端的電壓從零開頭變化并能測(cè)多組數(shù)據(jù).(1)試驗(yàn)中電流表應(yīng)選用________,電壓表應(yīng)選用________,滑動(dòng)變阻器應(yīng)選用________(均用序號(hào)字母表示).(2)請(qǐng)按要求將圖2中所示的器材連成試驗(yàn)電路.圖2(3)某同學(xué)通過試驗(yàn)正確作出的小燈泡的伏安特性曲線如圖3所示.現(xiàn)把試驗(yàn)中使用的小燈泡接到如圖4所示的電路中,其中電源電動(dòng)勢(shì)E=6V,內(nèi)阻r=1Ω,定值電阻R=9Ω,此時(shí)燈泡的實(shí)際功率為________W.(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)圖3圖4解析(1)由燈泡標(biāo)識(shí)(5V,2.5W)知,I=eq\f(P,U)=0.5A,因此電流表選C,電壓表選E.由于電路接成分壓式,滑動(dòng)變阻器選F.(2)如圖所示(3)把定值電阻作為電源的內(nèi)阻,則該電源短路時(shí)的電流為Imax=eq\f(E,R+r)=0.6A,在題圖中的U-I圖中,作出此電源的U-I圖線如圖中虛線所示兩圖線交點(diǎn)即表示該燈泡的實(shí)際工作點(diǎn).由圖知U=2.2V,I=0.38A,所以P=UI=2.2×0.38W=0.84W.答案(1)CEF(2)見解析圖(3)0.84(0.81~0.87)皆可考點(diǎn)二試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理方法的遷移運(yùn)用1.試驗(yàn)方法遷移基本的試驗(yàn)方法包括:試驗(yàn)原理的設(shè)計(jì)方法、試驗(yàn)誤差的把握方法和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法,將基本的試驗(yàn)方法和物理原理合理遷移,可設(shè)計(jì)出測(cè)量不同的物理量、可探究不同問題的試驗(yàn)方案.教材中所學(xué)過的物理規(guī)律、物理公式中只要含有某一物理量,則該規(guī)律、公式就可作為爭(zhēng)辯或測(cè)定該物理量的原理基礎(chǔ)而進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)方法設(shè)計(jì).如用伏安法測(cè)電阻,R=eq\f(U,I),也可遷移到測(cè)電壓表內(nèi)阻和電流表內(nèi)阻上去.2.試驗(yàn)數(shù)據(jù)的遷移數(shù)據(jù)探究性試驗(yàn)的主要功能是通過試驗(yàn)供應(yīng)的數(shù)據(jù)信息,分析各數(shù)據(jù)中的內(nèi)在聯(lián)系,找出數(shù)據(jù)中所包含的物理規(guī)律.常用的數(shù)據(jù)處理方法(如平均值法、圖象法、逐差法、比較法等)和誤差分析方法應(yīng)當(dāng)把握.
例3常用的電流表有內(nèi)阻,現(xiàn)要測(cè)量電流表G1的內(nèi)阻r1,電路如圖5所示.供選擇的儀器如下:圖5A.待測(cè)電流表G1(0~5mA,內(nèi)阻約300Ω)B.電流表G2(0~10mA,內(nèi)阻約100Ω)C.定值電阻R1(30Ω)D.定值電阻R2(300Ω)E.定值電阻R3(3kΩ)F.滑動(dòng)變阻器R4(0~20Ω)G.電源(電動(dòng)勢(shì)6.0V,內(nèi)阻不計(jì))H.開關(guān)S及導(dǎo)線若干(1)電路中與電流表G1并聯(lián)的電阻應(yīng)選________,疼惜電阻應(yīng)選用________(請(qǐng)?zhí)顚懫鞑那暗淖帜感蛱?hào)).(2)依據(jù)電路圖在圖6中連接實(shí)物圖,要求閉合開關(guān)前滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)觸頭P處于正確位置.圖6(3)補(bǔ)全試驗(yàn)步驟:圖7①按電路圖連接電路;②閉合開關(guān)S,移動(dòng)滑動(dòng)觸頭P至某一位置,記錄G1、G2的讀數(shù)I1、I2;③________________________________________________________________________;④以I1為縱軸,I2為橫軸,作出相應(yīng)圖象如圖7所示.(4)依據(jù)I1-I2圖線的斜率k及定值電阻,寫出電流表G1內(nèi)阻的表達(dá)式r1=________.解析(1)由于G2的量程為0~10mA,而G1的量程為0~5mA,則與G1并聯(lián)的電阻分流大約是0~5mA,應(yīng)與G1的內(nèi)阻相當(dāng),因此應(yīng)選R2,即D.疼惜電阻如過大,則導(dǎo)致G1、G2示數(shù)很小,或指針不偏轉(zhuǎn),因此應(yīng)選R1,即C.(2)(3)多次移動(dòng)滑動(dòng)觸頭,記錄相應(yīng)的G1、G2讀數(shù)I1、I2.(4)從電路可知:(I2-I1)R2=I1r1,即I1=eq\f(R2,R2+r1)I2,即eq\f(R2,R2+r1)=k,所以r1=eq\f(1-k,k)R2.答案(1)DC(2)見解析圖(3)多次移動(dòng)滑動(dòng)觸頭,記錄相應(yīng)的G1、G2讀數(shù)I1、I2(4)eq\f(1-k,k)R2
(限時(shí):45分鐘)1.某同學(xué)將完好的儀器連接成如圖1所示電路(其中滑動(dòng)變阻器的連線沒有畫出),用來探究小燈泡電阻與電壓的關(guān)系.圖1(1)閉合開關(guān)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)發(fā)覺,無論怎樣移動(dòng)滑片P,電壓表和電流表的示數(shù)都不為零,但始終沒有變化.則該同學(xué)把滑動(dòng)變阻器接入電路中的方式可能是________(填寫選項(xiàng)代號(hào)).a(chǎn).G與C相連,F(xiàn)與H相連b.G與C相連,D與H相連c.G與E相連,F(xiàn)與H相連d.G與E相連,D與H相連(2)在圖中將滑動(dòng)變阻器正確接入電路中,要求:燈泡兩端的電壓可以從零開頭進(jìn)行調(diào)整.(3)在正確操作下,該同學(xué)得到燈絲兩端電壓U和對(duì)應(yīng)電阻R的數(shù)據(jù)如下表:U/V1.02.03.04.06.08.010.012.0R/Ω2.13.03.84.45.25.65.96.0①依據(jù)表中數(shù)據(jù)在圖2中描出R-U圖線;圖2②依據(jù)圖線,可以得到燈絲在未通電時(shí)的阻值約為____Ω.答案(1)bc(2)如圖所示(3)①如圖所示②1.0(0.9~1.2均可)2.某同學(xué)想利用所學(xué)學(xué)問測(cè)量某種圓柱形材料的電阻率,試驗(yàn)要求必需精確測(cè)出該段材料的阻值.除了導(dǎo)線和開關(guān)外,試驗(yàn)室還備有以下器材可供選用:電流表A1,量程1A,內(nèi)阻r1約0.5Ω電流表A2,量程30mA,內(nèi)阻r2約200Ω電壓表V1,量程6V,內(nèi)阻RV1等于20kΩ電壓表V2,量程10V,內(nèi)阻RV2約30kΩ滑動(dòng)變阻器R1,0~20Ω,額定電流2A滑動(dòng)變阻器R2,0~2000Ω,額定電流1mA電源E(電動(dòng)勢(shì)為12V,內(nèi)阻r約2Ω)(1)請(qǐng)選擇合適的器材,設(shè)計(jì)出便于精確測(cè)量的電路圖畫在虛線框中,其中滑動(dòng)變阻器應(yīng)選________.(2)若選用其中一組電表的數(shù)據(jù),設(shè)該段圓柱形材料的長(zhǎng)為L(zhǎng),直徑為d,由以上試驗(yàn)得出這種材料電阻率的表達(dá)式為________________,式中符號(hào)的含義為__________.答案(1)電路圖見解析圖R1(2)ρ=eq\f(πd2U2-U1RV1,4U1L)U1表示電壓表V1的示數(shù),U2表示電壓表V2的示數(shù)解析(1)由于V1的阻值已知,可當(dāng)電流表使用,故可以接受將待測(cè)材料與V1串聯(lián)再與V2并聯(lián),由于滑動(dòng)變阻器阻值遠(yuǎn)小于待測(cè)電阻的阻值,故滑動(dòng)變阻器應(yīng)接受分壓式接法,為調(diào)整便利選用小阻值的R1,電路圖如圖所示.(2)由電路圖知,Rx=eq\f(U2-U1,IV1),IV1=eq\f(U1,RV1),又Rx=ρeq\f(L,S),聯(lián)立得ρ=eq\f(πd2U2-U1RV1,4U1L),式中U1表示電壓表V1的示數(shù),U2表示電壓表V2的示數(shù).3.現(xiàn)有一特殊電池,它的電動(dòng)勢(shì)E約為9V,內(nèi)阻r約為40Ω,已知該電池允許輸出的最大電流為50mA.為了測(cè)定這個(gè)電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻,某同學(xué)利用如圖3所示的電路進(jìn)行試驗(yàn),圖中電流表的內(nèi)阻RA已經(jīng)測(cè) 圖3出,阻值為5Ω,R為電阻箱,阻值范圍為0~999.9Ω,R0為定值電阻,對(duì)電路起疼惜作用.(1)試驗(yàn)室備有的定值電阻R0共有以下幾種規(guī)格.A.10Ω B.50Ω C.150Ω D.500Ω本試驗(yàn)選用哪一種規(guī)格的定值電阻最好?________.(2)該同學(xué)接入符合要求的R0后,閉合開關(guān)S,調(diào)整電阻箱的阻值,讀取電流表的示數(shù),記錄多組數(shù)據(jù),作出了如圖4所示的圖線,則依據(jù)該同學(xué)作出的圖線可求得該電池的電動(dòng)勢(shì)E=________V,內(nèi)阻r=________Ω.圖4答案(1)C(2)1045解析(1)當(dāng)R=0時(shí),應(yīng)當(dāng)有R0+r+RA≥eq\f(9,5×10-2)Ω,即R0≥135Ω時(shí),可保證電路中電流不超過最大允許電流,R0應(yīng)當(dāng)選擇C.(2)由E=I(r+R0+RA+R),得eq\f(1,I)=eq\f(1,E)(R+R0)+eq\f(1,E)(r+RA),結(jié)合圖象可得eq\f(1,E)(r+RA)=5A-1,斜率eq\f(1,E)=eq\f(45-15,400-100)V-1,解得E=10V,r=45Ω.4.將一銅片和一鋅片分別插入一個(gè)蘋果內(nèi),就構(gòu)成了簡(jiǎn)潔的“水果電池”,其電動(dòng)勢(shì)約為1.5V.可是這種電池并不能點(diǎn)亮額定電壓為1.5V、額定電流為0.3A的手電筒上的小燈泡,緣由是流過小燈泡的電流太小了,經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得還不足3mA.為了較精確地測(cè)定該水果電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻,供應(yīng)的試驗(yàn)器材有:A.電流表A1(量程0~3mA,內(nèi)阻約為0.5Ω)B.電流表A2(量程0~0.6A,內(nèi)阻約為0.1Ω)C.電壓表V(量程0~1.5V,內(nèi)阻約為3kΩ)D.滑動(dòng)變阻器R1(阻值0~10Ω,額定電流為1A)E.滑動(dòng)變阻器R2(阻值0~3kΩ,額定電流為1A)F.電鍵,導(dǎo)線若干G.水果電池(1)試驗(yàn)中電流表應(yīng)選用______,滑動(dòng)變阻器應(yīng)選用______(均用序號(hào)字母表示).(2)請(qǐng)?jiān)谔摼€框內(nèi)畫出試驗(yàn)電路圖.(3)依據(jù)試驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù),經(jīng)描點(diǎn)、連線得到水果電池的路端電壓隨電流變化的U-I圖象如圖5所示,由圖可知:水果電池的電動(dòng)勢(shì)E=____V,內(nèi)阻r=________Ω.答案(1)AE(2)如圖所示 圖5(3)1.35450解析由圖象知電源內(nèi)阻較大,因此電流表應(yīng)外接,誤差較小;同時(shí)滑動(dòng)變阻器應(yīng)選R2,電流表才會(huì)有明顯的示數(shù)變化.5.(Ⅰ)用下列器材組裝成一個(gè)電路,要求既能測(cè)量出電池組的電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)阻r,又能同時(shí)描繪小燈泡的伏安特性曲線.A.電壓表V1(量程6V,內(nèi)阻很大)B.電壓表V2(量程3V,內(nèi)阻很大)C.電流表A(量程3A,內(nèi)阻很小)D.滑動(dòng)變阻器R(最大阻值10Ω,額定電流4A)E.小燈泡(2A5W)F.電池組(電動(dòng)勢(shì)E,內(nèi)阻r)G.開關(guān)一只,導(dǎo)線若干試驗(yàn)時(shí),調(diào)整滑動(dòng)變阻器的阻值,多次測(cè)量后發(fā)覺:若電壓表V1的示數(shù)增大,則電壓表V2的示數(shù)減小.(Ⅱ)請(qǐng)將設(shè)計(jì)的試驗(yàn)電路圖在如圖6所示的虛線框中補(bǔ)充完整.圖6(1)每一次操作后,同時(shí)記錄電流表A、電壓表V1和電壓表V2的示數(shù),組成兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)(I1,U1)、(I2,U2),標(biāo)到U-I坐標(biāo)系中,經(jīng)過多次測(cè)量,最終描繪出兩條圖線,如圖7所示,則電池組的電動(dòng)勢(shì)E=______V,內(nèi)阻r=______Ω.(結(jié)果保
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