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2020-2021学年高中物理 第十一章 电路及其应用 核心考点突破新人教版必修3

2020-2021学年高中物理 第十一章 电路及其应用 核心考点突破新人教版必修3

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第十一章 电路及其应用
电学实验的基本问题
一、仪器的读数及改装
【典例】小明在实验室测量某金属丝的电阻率时,经分析需要一个量程为6 V的电压表与一个量程为0.6 A的电流表,但实验室为其提供的器材有两个满偏电流为Ig=3 mA、内阻为Rg=120 Ω的电流表,两个最大阻值为9 999.9 Ω的电阻箱。现用以上器材改装成满足上述要求的电压表和电流表,要得到量程为6 V的电压表需将________联的电阻箱调到________Ω,要得到量程为0.6 A的电流表需将________联的电阻箱调到________Ω。 
【解析】要将提供的电流表改装成量程为6 V的电压表,应串联一个电阻,设应串联电阻的阻值为R1,
则Ug=IgRg=3×10-3×120 V=0.36 V,=U-Ug=6 V-0.36 V=5.64 V,
根据串联电路中的电压分配关系可得
R1=Rg=×120 Ω=1 880 Ω,即应串联一个1 880 Ω的电阻,故串联的电阻箱应调到1 880 Ω。要将提供的电流表改装成量程为0.6 A的电流表,应并联一个电阻,设应并联电阻的阻值为R2,
则=I-Ig=0.6 A-3×10-3 A=0.597 A,
根据并联电路中的电流分配关系可得R2=Rg=×120 Ω=0.6 Ω,即应并联一个0.6 Ω的电阻,故并联的电阻箱应调到0.6 Ω。
答案:串　1 880　并　0.6
【方法技巧】
1.两种电表的读数方法:

电流表
电压表
符号

参数
量程:0～0.6 A,
0～3 A
内阻:小于1 Ω
量程:0～3 V,
0～15 V
内阻:3 kΩ,15 kΩ
读数
方法
视线垂直于刻度盘表面,一般都需估读,3 A量程估读到最小分度的,0.6 A量程的估读到最小分度的
视线垂直于刻度盘表面,一般都需估读,3 V量程估读到最小分度的,15 V量程的估读到最小分度的
2.电表的改装:
项目
小量程电流表G
改装成大量程电压表V
小量程电流表G
改装成大量程电流表A
电路结构

R的作用
分压
分流
扩大量程
的计算
U=Ig(R+Rg)
R=-Rg
IgRg=(I-Ig)R
R=Rg
电表的
总内阻
RV=Rg+R
RA=
使用
并联在被测电路中,“+”接线柱接电势较高的一端
串联在被测支路中,电流从“+”接线柱流入
【素养训练】
1.如图甲所示为某次测量时电压表的刻度盘的情形,若当时使用的是该表的0～3 V量程,那么电压表读数为________V,若当时使用的是该表的0～15 V量程,那么电压表读数应为__________V;如图乙所示的电阻箱的读数为________Ω。 

【解析】0～3 V量程最小刻度是0.1 V,要向下估读一位,读1.15 V(由于最后一位是估读的,有偶然误差,读成1.14～1.16 V都算正确)。0～15 V量程最小刻度为0.5 V,只要求读到0.1 V这一位,所以读5.7 V(5.6～5.8 V都算正确)。图乙中的电阻箱有6个旋钮,每个旋钮上方都标有倍率,将每个旋钮上指针所指的数值(都为整数)乘以各自的倍率,从最高位依次往下读,即可得到电阻箱的读数为84 580.2 Ω。
答案:1.15　5.7　84 580.2
2.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。用游标为50分度的卡尺(测量值可准确到0.02 mm) 测定某圆柱的直径时,卡尺上的示数如图乙所示,可读出圆柱的直径为________mm。 

【解析】螺旋测微器读数时,首先要明确其精确度为0.01 mm,读取固定刻度上的数值时,要看半毫米刻度线是否露出;游标卡尺读数时应注意精确度、单位,读法为主尺读数加游标尺读数。
螺旋测微器读数为(8+11.6×0.01) mm=8.116 mm。
游标卡尺读数为(42+6×0.02) mm=42.12 mm。
答案:8.116　42.12
二、测量电路与控制电路的选择与设计
【典例】有一个电阻Rx,其阻值大约是10 Ω,请选择适当的器材,以便测量其阻值。可供选择的电路如图。可供选择的器材是:

A.电动势4.5 V、内阻不计的电源E
B.量程为15 V、内阻10 kΩ的电压表V1
C.量程为3 V、内阻6 kΩ的电压表V2
D.量程为300 mA、内阻4 Ω的电流表A1
E.量程为5 A、内阻2 Ω的电流表A2
F.最大阻值20 Ω、额定电流1.5 A的滑动变阻器R1
G.最大阻值500 Ω、额定电流0.5 A的滑动变阻器R2
H.开关和若干根导线。
则选用的电路是________(选填“甲”或“乙”),选用的器材是________(填器材的字母代号)。 
【解析】Rx的阻值大约为10 Ω,与电流表内阻接近,因此用电流表外接法,同时Rx的阻值小于滑动变阻器的总阻值,因而采用限流接法,故选用甲电路;电源电动势E=4.5 V,E=Im(Rx+RA),Im= A=0.321 A=321 mA或Im= A=0.375 A=375 mA,电流表选D。U=ImRx=0.321×10 V=3.21 V,因而电压表选C,变阻器R2最大值为
500 Ω,与Rx偏差太大,因此变阻器选F。
答案:甲　A、C、D、F、H
【方法技巧】
1.测量电路:
(1)电流表的内接法和外接法的比较。
(2)两种电路的选择。
①阻值比较法:先将待测电阻的估计值与电压表、电流表内阻进行比较,若Rx较小,宜采用电流表外接法;若Rx较大,宜采用电流表内接法。简单概括为“大内偏大、小外偏小”。
②临界值计算法:
Rx<时,用电流表外接法;
Rx>时,用电流表内接法。
③实验试探法:按图所示接好电路,让电压表一根接线柱P先后与a、b处接触一下,如果电压表的示数有较大的变化,而电流表的示数变化不大,则可采用电流表外接法;如果电流表的示数有较大的变化,而电压表的示数变化不大,则可采用电流表内接法。

2.控制电路:
(1)滑动变阻器的限流式接法和分压式接法。
(2)必须选用分压式的“3种情况”。
①若采用限流式接法不能控制电流满足实验要求,即若滑动变阻器阻值调到最大时,待测电阻上的电流(或电压)仍超过电流表(或电压表)的量程,或超过待测电阻的额定电流(或电压),则必须选用分压式接法。
②若待测电阻的阻值比滑动变阻器总电阻大得多,以致在限流电路中,滑动变阻器的滑片从一端滑到另一端时,待测电阻上的电流或电压变化不明显,此时,应改用分压式接法。
③若实验中要求电压从零开始调节,则必须采用分压式接法。
【素养训练】
为了测量某待测电阻Rx的阻值(约为30 Ω),有以下一些器材可供选择。
电流表A1(量程0～50 mA,内阻约10 Ω);
电流表A2(量程0～3 A,内阻约0.12 Ω);
电压表V1(量程0～3 V,内阻很大);
电压表V2(量程0～15 V,内阻很大);
电源E(电动势约为3 V,内阻约为0.2 Ω);
定值电阻R(20 Ω,允许最大电流1.0 A);
滑动变阻器R1(0～10 Ω,允许最大电流2.0 A);
滑动变阻器R2(0～1 kΩ,允许最大电流0.5 A);
单刀单掷开关S一个,导线若干。
(1)电流表应选________,电压表应选________,滑动变阻器应选________。(填字母代号) 
(2)请在虚线框内画出测量电阻Rx的实验电路图。(要求所测量范围尽可能大)

(3)某次测量中,电压表示数为U时,电流表示数为I,则计算待测电阻阻值的表达式为Rx=________。 
【解析】(1)首先选取唯一性器材:电源E(电动势约为3 V,内阻约为0.2 Ω),定值电阻R(20 Ω,允许最大电流1.0 A),单刀单掷开关S,导线。电源电动势约为3 V,所以电压表选择V1(量程0～3 V,内阻很大);待测电阻Rx的阻值约为30 Ω,流过Rx的最大电流为=0.1 A=100 mA,如果电流表选择A2(量程0～3 A,内阻约0.12 Ω),指针偏转很小,测量不准确,所以只能选择A1(量程0～50 mA,内阻约10 Ω);滑动变阻器R2的全值电阻太大,操作不便,所以滑动变阻器应选R1(0～10 Ω,允许最大电流2.0 A)。
(2)因为实验要求所测量范围尽可能大,所以滑动变阻器应采用分压接法;因为待测电阻Rx的阻值远小于电压表内阻,所以电流表采用外接法;为了使流过电流表的电流不超过其最大量程,即50 mA,应给待测电阻串联一个定值电阻R,起保护作用。实验原理图如图所示。

(3)根据欧姆定律可得Rx=-R。
答案:(1)A1　V1　R1　(2)见解析图　(3)-R
三、多用电表检测电路故障的分析方法
【典例】如图是某同学连接的实验实物图,合上开关S后,发现灯A、B都不亮。他采用下列两种方法检查故障:

(1)用多用电表的直流电压挡进行检查:
①那么选择开关应置于下列量程的________挡。(用字母序号表示) 
A.2.5 V　　　　B.10 V　　　　C.50 V　　　　D.250 V
②在测试a、b间直流电压时,红表笔应接触________(选填“a”或“b”)。 
③该同学测试结果如表所示,根据测试结果,可以判定故障是________(假设只有下列中的某一项有故障)。 
测试点
电压表示数
a、b
有示数
c、b
有示数
c、d
无示数
d、f
有示数
A.灯A断路 B.灯B短路
C.c、d段断路 D.d、f段断路
(2)用欧姆挡检查:
①测试前,应将开关S________(选填“断开”或“闭合”)。 
②测量结果如表所示,由此可以断定故障是 (　　)
测试点
表头指针示数
c、d
有示数
e、f
有示数
d、e
无穷大
A.灯A断路 B.灯B断路
C.灯A、B都断路 D.d、e间导线断路
【解析】(1)①用多用电表的直流电压挡进行测量时,实质上是用电压表测量,而电压表内阻很大,若并联在断路处(设有一处发生断路)时,电路接通,电压表示数应为电源的电动势,并联在未断路处,示数为零。因此,用多用电表的直流电压挡进行检查电路时,电压表的量程必须大于电源的电动势,为了使示数明显,选择量程不宜过大,而电源的电动势约为6 V,故选10 V量程即可。
②测试时红表笔应接电势高的a点。
③因合上开关S后,A、B灯都不亮,又只有某一项有故障,所以只发生断路的故障。根据测试结果,a、b间有示数,说明a→电源→b完好;c、b间有示数,说明c→a→电源→b完好;c、d间无示数,说明c→灯A→d间完好;d、f有示数,说明d→c→a→电源→b→f完好。综上分析应是d、f段断路。
(2)①用欧姆挡检查时,测试前应首先将开关S断开。
②根据测试结果,接c、d时有示数,说明不是灯A断路;接e、f时有示数,说明也不是灯B断路;接d、e间时电阻无穷大,可以断定是d、e间导线断路。
答案:(1)①B　②a　③D　(2)①断开　②D
【方法技巧】
1.用电压表检查故障:
(1)断路故障判断:用电压表与电源并联,若有示数,再逐段与电路并联,若电压表指针偏转,则说明该段电路中有断点。
(2)短路故障判断:用电压表与电源并联,若有示数,再逐段与电路并联,若电压表示数为零,则说明该段电路被短路。
2.用欧姆表检查故障:用欧姆表检查故障,一定要注意将待测部分与电路断开。若测得某段电路的电阻为零,说明该部分短路;若测得某段电路的电阻无穷大,说明该部分断路。
【素养训练】
在如图甲所示的电路中,四节干电池串联,小灯泡A、B的规格均为“3.8 V,0.3 A”,合上开关S后,无论怎样移动滑动片,A、B灯都不亮。

(1)用多用电表的直流电压挡检查故障。
①选择开关置于下列量程的________挡较为合适(用字母序号 
表示);
A.2.5 V　　　　　　　　　　 B.10 V
C.50 V D.250 V
②测得c、d间电压约为5.8 V,e、f间电压为0,则故障是________。 
A.A灯丝断开 B.B灯丝断开
C.d、e间连线断开 D.B灯被短路
(2)接着换用欧姆表的“×1”挡测电阻,欧姆表经过欧姆调零。
①测试前,一定要将电路中的开关S________。 
②测c、d间和e、f间电阻时,某次测试结果如图乙所示,读数为________Ω,此时测量的是________间电阻。根据小灯泡的规格计算出的电阻为________Ω,它不等于测量值,原因是:__ ____________。 
【解析】(1)①因电源为四节干电池,故电动势E=6 V,则应选电压表10 V量程挡较合适;
②因c、d间电压为5.8 V,而e、f间电压为零,故应为A灯丝断开,B灯丝良好。
(2)用欧姆表测电路中电阻的阻值时,一定要将电路断开测量;由乙图读数知电阻阻值为6 Ω,应为灯泡B的阻值,即测量的为e、f间电阻;由R=得R=12.7 Ω,与欧姆表测得阻值相差较大,是因为欧姆表测得的电阻是未通电工作时的电阻,温度较低,电阻率偏小,阻值偏小。
答案:(1)①B　②A　(2)①断开　②6　e、f　12.7
欧姆表测量时灯泡未工作,灯泡温度低,电阻小