第十章 第3课时 电学实验基础（教师用书word）-【步步高】2025年高考物理大一轮复习讲义（人教版 广东专用）

第3课时　电学实验基础 目标要求　1.掌握常用仪器的使用方法及读数方法。2.掌握电流表的内外接法及滑动变阻器的两种连接方式。3.掌握误差的分类及产生原因。 考点一　常用仪器的读数 1．螺旋测微器 (1)构造：如图所示，B为固定刻度，E为可调刻度。 (2)原理：微测螺杆F与固定刻度B之间的精密螺纹的螺距为0.5 mm，即旋钮D每旋转一周，F前进或后退0.5 mm，而可调刻度E上的刻度为50小格，每转动一小格，F前进或后退0.01 mm，即螺旋测微器的精确度为0.01 mm。读数时估读到毫米的千分位上，因此，螺旋测微器又叫千分尺。 (3)读数：测量值(mm)＝固定刻度数(mm)(注意半毫米刻度线是否露出)＋可调刻度数(估读一位)×0.01(mm)。 如图所示，固定刻度示数为2.0 mm，半毫米刻度线未露出，而从可调刻度上读的示数为15.0，最后的读数为：2.0 mm＋15.0×0.01 mm＝2.150 mm。 2．游标卡尺 (1)构造：主尺、游标尺(主尺和游标尺上各有一个内、外测量爪)、游标卡尺上还有一个深度尺。(如图所示) (2)用途：测量厚度、长度、深度、内径、外径等。 (3)原理：利用主尺的单位刻度与游标尺的单位刻度之间固定的差值制成。 不管游标尺上有多少个小等分刻度，它的刻度部分的总长度比主尺上的同样多的小等分刻度的总长度少1 mm。常见的游标卡尺的游标尺上小等分刻度有10个的、20个的、50个的，其规格见下表： 刻度格数(分度) 刻度总长度 每小格与1 mm的差值 精确度(可精确到) 10 9 mm 0.1 mm 0.1 mm 20 19 mm 0.05 mm 0.05 mm 50 49 mm 0.02 mm 0.02 mm (4)读数：若用x表示从主尺上读出的整毫米数，K表示从游标尺上读出的与主尺上某一刻度线对齐的格数，则记录结果表示为(x＋K×精确度) mm。 3．常用电表的读数 对于电压表和电流表的读数问题，首先要弄清电表量程，即指针指到最大刻度时电表允许通过的最大电压或电流，然后根据表盘总的刻度数确定精确度，按照指针的实际位置进行读数即可。 (1)0～3 V的电压表和0～3 A的电流表的读数方法相同，此量程下的精确度分别是0.1 V和0.1 A，看清楚指针的实际位置，读到小数点后面两位。 (2)对于0～15 V量程的电压表，精确度是0.5 V，在读数时只要求读到小数点后面一位，这时要求“格估读”，即读到0.1 V。 (3)对于0～0.6 A量程的电流表，精确度是0.02 A，在读数时只要求读到小数点后面两位，这时要求“半格估读”，即读到最小刻度的一半0.01 A。 注意：(1)最小分度是“1、0.1、0.01、…”时，估读到最小分度的(即估读到最小分度的下一位)。 (2)最小分度是“2、0.2、0.02、…”时，估读到最小分度的(即估读到最小分度的本位)。 (3)最小分度是“5、0.5、0.05、…”时，估读到最小分度的(即估读到最小分度的本位)。 1．为了读数更精确，游标卡尺也需要估读，如图读作11.40 mm。(　×　) 2．游标卡尺主尺上的数字对应的单位为cm。(　√　) 3．如图，游标卡尺读数为50.20 mm，可简化写为50.2 mm。(　×　) 例1　(1)如图所示的三把游标卡尺，它们的游标尺从上至下分别为9 mm长10等分、19 mm长20等分、49 mm长50等分，它们的读数依次为________ mm，________ mm，________ mm。 (2)读出下面各螺旋测微器的读数，甲：______ mm，乙：________ mm，丙：________ mm。 答案　(1)17.7　23.85　3.18　(2)4.039　1.100　3.515 解析　(1)题图最上面游标卡尺：主尺读数为17 mm，游标尺读数为7×0.1 mm＝0.7 mm，最后结果是17 mm＋0.7 mm＝17.7 mm。 题图中间游标卡尺：主尺读数为23 mm，游标尺读数为17×0.05 mm＝0.85 mm，最后结果是23 mm＋0.85 mm＝23.85 mm。 题图最下面游标卡尺：主尺读数为3 mm，游标尺读数为9×0.02 mm＝0.18 mm，最后结果是3 mm＋0.18 mm＝3.18 mm。 (2)甲：(4＋3.9×0.01) mm＝4.039 mm； 乙：(1＋10.0×0.01) mm＝1.100 mm； 丙：(3＋0.5＋1.5×0.01) mm＝3.515 mm。 例2　(1)如图甲所示的电表使用0.6 A量程时，对应刻度盘上每一小格代表________A，图中表针示数为________ A；当使用3 A量程时，对应刻度盘中每一小格代表________ A，图中表针示数为________ A。 (2)如图乙所示的电表使用较小量程时，每小格表示________ V，图中表针的示数为________ V；若使用的是较大量程，则这时表盘刻度每小格表示______ V，图中表针示数为________ V。 (3)旋钮式电阻箱如图丙所示，电流从接线柱A流入，从B流出，则接入电路的电阻为________ Ω。现欲将接入电路的电阻改为2 087 Ω，最简单的操作方法是________________________。若用两个这样的电阻箱，则可得到的电阻范围为________。 答案　(1)0.02　0.44　0.1　2.20 (2)0.1　1.70　0.5　8.5　(3)1 987　将“×1 k”挡旋钮调到2，再将“×100”挡旋钮调到0 0～19 998 Ω 解析　(1)电流表使用0.6 A量程时，刻度盘上的每一小格为0.02 A，表针示数为0.44 A；当使用3 A量程时，每一小格为0.1 A，表针示数为2.20 A。 (2)电压表使用3 V量程时，每小格表示0.1 V，表针示数为1.70 V；使用15 V量程时，每小格表示0.5 V，表针示数为8.5 V。 (3)电阻为1 987 Ω。最简单的操作方法是先将“×1 k”挡旋钮调到2，再将“×100”挡旋钮调到0。每个电阻箱的最大阻值是9 999 Ω，用两个这样的电阻箱串联可得到的最大电阻是2×9 999 Ω＝19 998 Ω，故用两个这样的电阻箱，可得到的电阻范围为0～19 998 Ω。 考点二　测电阻的实验电路分析 1．电流表的内、外接法 内接法 外接法 电路图 误差原因 电流表分压 U测＝Ux＋UA 电压表分流 I测＝Ix＋IV 电阻测量值 R测＝＝Rx＋RA>Rx 测量值大于真实值 R测＝＝<Rx 测量值小于真实值 适用于测量 大阻值电阻 小阻值电阻 两种电路选择标准 当RA≪Rx或Rx>时，选用电流表内接法 当RV≫Rx或Rx<时，选用电流表外接法 2.滑动变阻器两种连接方式 (1)两种接线方式的对比 限流接法 分压接法 对比说明 电路图 串、并联关系不同 负载R上电压调节范围(不计电源内阻) ≤U≤E 0≤U≤E 分压电路调节范围大 闭合S前触头位置 b端 a端 都是为了保护电路元件 (2)滑动变阻器两种接法的选择 滑动变阻器的最大阻值和用电器的阻值差不多且不要求电压从零开始变化，通常情况下，由于限流式结构简单、耗能少，优先使用限流式。 滑动变阻器必须接成分压电路的几种情况： ①要求电压表能从零开始读数，要求电压(电流)测量范围尽可能大； ②当待测电阻Rx≫R(滑动变阻器的最大阻值)时(限流式接法滑动变阻器几乎不起作用)； ③若采用限流式接法，电路中的最小电流仍超过电路中电表、电阻允许的最大电流。 3．实验器材选择的技巧 (1)电压表、电流表：不超过量程，且要超过满偏刻度的。有时也可以从测量数据来确定选择的电表。 (2)滑动变阻器：分压选阻值小的且不超过其额定电流的滑动变阻器，限流选最大阻值为待测电阻2～3倍的滑动变阻器。电流半偏法测电阻，滑动变阻器选阻值大的。 (3)定值电阻：若用于电表改装，阻值与改装后的量程匹配，若用于保护电路，应使电流表、电压表读数在满偏刻度的以上且不超过电流表、电压表量程。 4．实物图连接的注意事项 (1)画线连接各元件，一般先从电源正极开始，按照电路原理图依次到开关，再到滑动变阻器，按顺序以单线连接方式将主电路中串联的元件依次串联起来，再将要并联的元件并联到电路中去。 (2)连线时要将导线接在接线柱上，两条导线不能交叉。 (3)要注意电表的量程和正、负接线柱，要使电流从电表的正接线柱流入，从负接线柱流出。 (4)滑动变阻器的接法：限流法，导线分别连接到上、下各一个接线柱上(两个接线柱)；分压法，导线分别连接到上边一个接线柱和下边两个接线柱上(一上两下共三个接线柱)。 5．实验误差分析 (1)系统误差 ①伏安法测电阻系统误差来源：电压表的分流或电流表的分压。 ②减小系统误差 根据题目中给出的电阻阻值大约值，选用合适的实验器材，采用误差小的实验方案(如电流表的内、外接法)。 ③消除系统误差 题目给定的条件充分(电表内阻已知)，合理设计电路可消除系统误差。 (2)偶然误差 ①电压表、电流表、多用电表、毫米刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器等读数误差。 ②描点、计算等对数据处理造成的误差。 ③通过多次测量取平均值或图像法可以减小偶然误差。 例3　(2023·天津卷·10)测电阻R大小。 (1)同学们首先用欧姆表×1挡位大致测出电阻阻值大小，如图甲，则电阻大小读数为________ Ω。 (2)同学们继续使用学生电源(4 V)组装如图乙电路进行实验，其中电表可以从如下中进行选择：(括号中为电表量程及内阻) A．电压表V1(0～15 V,15 kΩ) B．电压表V2(0～3 V,3 kΩ) C．电流表A1(0～3 A) D．电流表A2(0～0.6 A) 应选择电压表________，电流表________。(填器材前字母) (3)下列说法正确的是________。 A．电压表分流属于系统误差 B．实验开始前滑动变阻器滑片应该调到b端 C．如图乙所示的电路，可以通过调节滑片使电压表示数为0 D．多组实验可以减小系统误差 答案　(1)7　(2)B　D　(3)AC 解析　(1)电阻大小读数为7×1 Ω＝7 Ω (2)由于同学们使用学生电源(4 V)，则为减小误差，电压表应选择V2，故选B。 整个回路中的最大电流为I＝≈0.57 A 则电流表应选择A2，故选D。 (3)电压表分流属于系统误差，故A正确； 为保护电路，实验开始前滑动变阻器滑片应该调到a端，故B错误； 如题图乙所示的电路为分压式电路，可以通过调节滑片使电压表示数为0，故C正确； 多组实验可以减小偶然误差，故D错误。 例4　某实验小组要测量一个用电器L的额定功率(额定电压为10 V、额定功率在12～15 W之间)，测量电路的部分导线已经接好(如图所示)。实验室有下列器材可供选用： 直流电源：E1(电动势为3 V，内阻很小) E2(电动势为15 V，内阻很小) 直流电流表：A1(量程0～0.6 A，内阻约为0.5 Ω) A2(量程0～3 A，内阻约为0.1 Ω) 直流电压表：V(量程为3 V、内阻为3 kΩ) 滑动变阻器：R1(阻值范围0～20 Ω) R2(阻值范围0～200 Ω) 定值电阻：R3＝3 kΩ、R4＝9 kΩ、R5＝25 kΩ 开关一个，导线若干 要求使测量结果尽可能精确，请回答下列问题： (1)电源应选择________(选填“E1”或“E2”)； (2)电流表应选择________(选填“A1”或“A2”)； (3)滑动变阻器应选择________(选填“R1”或“R2”)； (4)由于电压表的量程不够，要利用一个定值电阻进行改装。请选择合适的定值电阻，在图中用笔画线代替导线连接好测量电路的剩余部分。 答案　(1)E2　(2)A2　(3)R1　(4)见解析图 解析　(1)由于额定电压为10 V，所以直流电源选择电动势为15 V的E2。 (2)待测用电器的额定电流为1.2～1.5 A，所以直流电流表选择A2。 (3)根据已有的电路结合让实验结果更为精确的要求，采用限流电路，滑动变阻器最大值为待测电阻的2～3倍，所以利用滑动变阻器R1作为限流电阻。 (4)若要将电压表改装为量程更大的电压表，需要与其串联一个定值电阻，根据串联电路特点知，若串联R3，则量程为6 V，若串联R4，则量程为12 V，若串联R5，则量程为28 V，因此串联R4比较合适，由于电压表内阻已知，采用电流表外接法更合适，如图所示。 例5　(2024·广东珠海市第三中学月考)国家有关酒驾的判断标准如下： 驾驶员血液酒精含量 ≥20 mg/100 mL，<80 mg/100 mL ≥80 mg/100 mL 行为定性 饮酒驾驶 醉酒驾驶 酒精检测仪是交警执法时通过让司机呼气来检测司机是否酒驾的检测工具。现有一个酒精检测仪的主要元件“酒精气体传感器”，即气敏电阻，气敏电阻的阻值随酒精气体浓度的变化而变化，下表显示了某气敏电阻Rx的阻值随酒精气体浓度的变化情况。 酒精气体浓度/ (mg/mL) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 阻值/Ω 100 70 55 45 39 35 33 31 30 为了较准确测量酒精气体浓度为0.35 mg/mL时气敏电阻Rx的阻值，实验室提供如下器材： A．电流表A1(0～100 mA，内阻约为15 Ω) B．电流表A2(0～0.6 A，内阻约为5 Ω) C．电压表V1(0～5 V，内阻约为5 kΩ) D．电压表V2(0～15 V，内阻约为20 kΩ) E．滑动变阻器R1(阻值范围为0～20 Ω，允许通过的最大电流为2 A) F．滑动变阻器R2(阻值范围为0～5 Ω，允许通过的最大电流为0.2 A) G．待测气敏电阻Rx H．电源E(电动势为6 V，内阻r约为2 Ω) I．开关和导线若干 J．恒温检测室 (1)在图(a)中用实线代替导线补齐测量Rx阻值的实验电路图。 (2)为使测量尽量准确，实验时滑动变阻器应选___________，电压表应选___________，电流表应选___________。(填器材前面的字母) (3)某同学用该气敏电阻Rx设计了一个测定酒精气体浓度的电路用来检测是否酒驾，如图(b)所示，该电路使用一个电压表，正常工作时，若被测气体酒精浓度为0，电压表指针满偏。使用一段时间后，电源电动势会稍变小，内阻会稍变大，保持滑动变阻器滑片不动，则酒精气体浓度的测量值将________(选填“偏大”或“偏小”)。 答案　(1)见解析图　(2)E　C　A　(3)偏大 解析　(1)(2)电源E电动势为6 V，则电压表选C；根据表格，酒精气体浓度为0.35 mg/mL时气敏电阻的阻值大于39 Ω，气敏电阻的最大电流小于I＝ A≈128 mA 电流表应选A；滑动变阻器F允许通过的最大电流太小，故滑动变阻器选E；由于> 采用电流表外接法，故实验电路如图所示。 (3)电压表满偏时，根据闭合电路欧姆定律得 Um＝Rx 使用一段时间后，电源电动势稍微变小，内阻稍微变大，调节R1后，电压表仍然能满偏，因为电动势变小，回路的总电阻变小，电表的刻度必须随之变小才能准确测量，因为电表没有随着更改，所以酒精气体浓度的测量值将偏大。 课时精练 1．某同学用螺旋测微器测圆柱体的直径时，示数如图甲所示，此示数为________ mm；用游标卡尺测量某物体的厚度时，示数如图乙所示，此示数为______ cm。另一位学生用游标尺上标有50等分刻度的游标卡尺测一工件的长度，测得的结果如图丙所示，则该工件的长度L＝________ cm。 答案　8.021(8.020、8.022均可)　2.060　5.236 解析　螺旋测微器的固定刻度读数为8 mm，可调刻度读数为2.1×0.01 mm＝0.021 mm，所以最终读数为8 mm＋0.021 mm＝8.021 mm，由于需要估读，因此8.020 mm、8.022 mm均正确。游标卡尺的主尺读数为20 mm，游标尺上第12个刻度与主尺上某一刻度对齐，故游标尺读数为12×0.05 mm＝0.60 mm，所以最终读数为20 mm＋0.60 mm＝20.60 mm＝2.060 cm。工件的长度L＝52 mm＋0.02×18 mm＝5.236 cm。 2．(2023·北京卷·16)采用图甲所示的电路图来测量金属丝Rx的电阻率。 (1)实验时，闭合开关S前，滑动变阻器的滑片P应处在__________(填“M”或“N”)端。 (2)按照图甲连接实物图，如图乙所示。闭合开关前检查电路时，发现有一根导线接错，该导线为________(填“a”“b”或“c”)。若闭合开关，该错误连接会带来的问题有__________。 答案　(1)M　(2)b　移动滑片时，电压表和电流表的示数不变 解析　(1)实验时，闭合开关S前，为保护电路，滑动变阻器滑片P应处在使并联部分电压为零处，滑动变阻器的滑片P应处在M端。 (2)滑动变阻器采用分压式接法，滑动变阻器下端两接线柱与电源相连，故b导线接错；该错误带来的问题是移动滑片的过程中电压表和电流表的示数不变。 3．(2023·广东揭阳市惠来县第一中学期中)某兴趣小组粗测某电阻的阻值约为5 Ω，为了使测量结果尽量准确，从实验室找出以下供选择的器材： A．电池组(3 V，内阻约1 Ω) B．电流表A1(0～3 A，内阻0.012 5 Ω) C．电流表A2(0～0.6 A，内阻约0.125 Ω) D．电压表V1(0～3 V，内阻4 kΩ) E．电压表V2(0～15 V，内阻15 kΩ) F．滑动变阻器R1(0～20 Ω，允许最大电流1 A) G．开关、导线若干 (1)上述器材中，电流表应选________，电压表应选________(前两空均填写器材前的字母)，电路应选________(填“甲”或“乙”)。 (2)若如图所示的实验仪器就是我们选定的器材，请用笔画线连接实验电路。 答案　(1)C　D　乙　(2)见解析图 解析　(1)由于电源电动势为3 V，电表读数要达到满偏刻度的，则电压表选D；最大电流约为I＝＝ A＝0.5 A 可知电路中最大电流约为0.5 A，则电流表选C。因为电压表内阻已知，采用电流表外接法，故选乙图。 (2)如图所示 4．为了测量一电阻的阻值Rx，现有以下器材：蓄电池E，电流表A，电压表V，滑动变阻器R，电阻箱RP，开关S1、S2，导线若干。某活动小组设计了如图甲所示的电路。实验的主要步骤如下： A．闭合S1，断开S2，调节R和RP，使电流表和电压表示数合适，记下两表示数分别为I1、U1； B．闭合S2，保持RP阻值不变，记下电流表和电压表示数分别为I2、U2。 (1)按电路图在实物图乙上连线。 (2)写出被测电阻的表达式Rx＝________________(用两电表的示数表示)。 (3)由于电流表、电压表都不是理想电表，则被测电阻的测量值__________(选填“大于”“小于”或“等于”)真实值。 答案　(1)见解析图　(2)　(3)等于 解析　(1)实物连线如图所示。 (2)由欧姆定律，第一次测量的电阻为电压表和RP的并联电阻，即＝R并；第二次测量的电阻为电压表、Rx和RP的并联电阻，＝，联立解得Rx＝。 (3)由于电流表、电压表内阻对测量结果没有影响，故被测电阻的测量值等于真实值。 5．(2023·广东茂名市二模)智能手机中都配有气压传感器，传感器的电阻会随所处环境气压变化而变化。某实验小组在室温下用以下可供选择的器材探究“气压传感器的电阻值Rx随气压变化规律”： A．阻值随气压变化而变化的气压传感器一个(阻值变化范围从几十欧到几百欧)； B．直流电源，电动势6 V，内阻不计； C．电压表V1，量程为0～3 V，内阻为3 kΩ； D．电压表V2，量程为0～15 V，内阻为15 kΩ； E．电流表A1，量程为0～0.6 A，内阻忽略不计； F．电流表A2，量程为0～60 mA，内阻忽略不计； G．定值电阻R1＝3 kΩ； H．定值电阻R2＝12 kΩ； I．滑动变阻器R，最大阻值约为50 Ω； J．开关与导线若干。 (1)小明设计了如图甲所示的实验电路原理图，其中电压表应选择________，电流表应选择________，定值电阻应选择________。(均选填实验器材前字母) (2)请在图乙中将实物图连线补充完整。 (3)当气压传感器所处环境压强为p时，闭合开关S，测得两个电表的读数分别为U＝2.30 V和I＝23.0 mA，则气压传感器阻值Rx＝________ Ω。 (4)当环境压强p改变时，测得不同的Rx值，绘成图像如图丙所示，由图可得Rx和压强p的关系表达式为Rx＝________ Ω。 答案　(1)C　F　G　(2)见解析图　(3)200　(4)1 000－8×10－3p 解析　(1)电源电动势为6 V，电压表读数时要在满偏刻度的三分之一以上更准确，而且串联定值电阻可以扩大量程，故电压表选C； 气压传感器阻值变化范围从几十欧到几百欧，流经电流表的电流约为几十毫安，故电流表选F； 串联定值电阻，相当于扩大电压表量程，扩大到6 V即可，电压表内阻为3 kΩ，定值电阻选G。 (2)如图所示 (3)根据欧姆定律得Rx＝＝200 Ω (4)根据题图丙，设Rx＝R0－kp 代入数据可得Rx＝1 000－8×10－3p (Ω)。 6．(2023·江苏卷·12)小明通过实验探究电压表内阻对测量结果的影响。所用器材有：干电池(电动势约1.5 V，内阻不计)2节；两量程电压表(量程0～3 V，内阻约3 kΩ；量程0～15 V，内阻约15 kΩ)1个；滑动变阻器(最大阻值50 Ω)1个；定值电阻(阻值50 Ω)21个；开关1个及导线若干。实验电路如图甲所示。 (1)电压表量程应选用________(选填“3 V”或“15 V”)。 (2)图乙为该实验的实物电路(右侧未拍全)。先将滑动变阻器的滑片置于如图所示的位置，然后用导线将电池盒上接线柱A与滑动变阻器的接线柱________(选填“B”“C”或“D”)连接，再闭合开关，开始实验。 (3)将滑动变阻器滑片移动到合适位置后保持不变，依次测量电路中O与1,2，…，21之间的电压。某次测量时，电压表指针位置如图丙所示，其示数为________ V。根据测量数据作出电压U与被测电阻值R的关系图线，如图丁中实线所示。 (4)在图甲所示的电路中，若电源电动势为E，电压表视为理想电压表，滑动变阻器接入的阻值为R1，定值电阻的总阻值为R2，当被测电阻为R时，其两端的电压U＝________(用E、R1、R2、R表示)，据此作出U－R理论图线如图丁中虚线所示。小明发现被测电阻较小或较大时，电压的实测值与理论值相差较小。 (5)分析可知，当R较小时，U的实测值与理论值相差较小，是因为电压表的分流小，电压表内阻对测量结果影响较小。小明认为，当R较大时，U的实测值与理论值相差较小，也是因为相同的原因。你是否同意他的观点？请简要说明理由 ________________________________________________________________________。 答案　 (1)3 V　(2)D　(3)1.50　(4)　(5)不同意　理由见解析 解析　(1)所用电源为两节干电池，电动势为3 V，则所用电压表量程为3 V； (2)闭合开关之前，滑动变阻器阻值应调到最大，电池盒上的接线柱A应与滑动变阻器的接线柱D连接； (3)电压表最小刻度为0.1 V，则示数为1.50 V； (4)由闭合电路欧姆定律可得I＝ 当被测电阻阻值为R时，电压表示数为 U＝IR＝ (5)不同意。方法一：极限思维法。当R较大时，电压表分流作用大，当R等于R2时，可将R1看成等效电源内阻，由于R1阻值远小于R2，故电压表读数近似等于电源电动势。 方法二：解析法。当R较大时，电压表内阻不能忽略， 则电路中的电流I＝， 电压表中的电流I′＝I·， 电压表读数为U＝·＝ 当R＝R2时，R最大， 此时U＝＝， 因RV≫R1，则电压表读数近似为U＝＝，即当R＝R2时，由于R1的阻值远小于R2，所以电压表读数近似等于电源电动势。 学科网（北京）股份有限公司 $