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电学试验的设计与探究
(限时：45分钟)
1．(2022·广东·34(1))某同学设计的可调电源电路如图1(a)所示，R0为疼惜电阻，P为滑动变阻器的滑片，闭合电键S.
图1
①用电压表测量A、B两端的电压：将电压表调零，选择0～3 V挡，示数如图(b)，电压值为________ V.
②在接通外电路之前，为了保证外电路的平安，滑片P应先置于________端．
③要使输出电压U变大，滑片P应向________端滑动．
④若电源电路中不接入R0，则在使用过程中，存在______的风险(填“断路”或“短路”)．
答案 ①1.30 ②A ③B ④断路
解析 ①读数为1.30 V；②接通电路前，应当使滑片置于A端，使用电器两端的电压为0，这样才能保证外电路平安；③要增大外电路电压，需要使滑片滑向B端；④假如电路中不接入疼惜电阻，可能造成电流过大，可调电源内电路毁灭断路现象，无法对外输出电压．
2．(2022·安徽·21Ⅱ)某同学为了测量一个量程为3 V的电压表的内阻，进行了如下试验．
(1)他先用多用表进行了正确的测量，测量时指针位置如图2所示，得出电压表的内阻为3.00×103 Ω，此时电压表的指针也偏转了．已知多用表欧姆挡表盘中心刻度值为“15”，表内电池电动势为1.5 V，则电压表的示数应为________ V(结果保留两位有效数字)．
图2
图3
(2)为了更精确 地测量该电压表的内阻RV，该同学设计了如图3所示的电路图，试验步骤如下：
A．断开开关S，按图3连接好电路；
B．把滑动变阻器R的滑片P滑到b端；
C．将电阻箱R0的阻值调到零；
D．闭合开关S；
E．移动滑动变阻器R的滑片P的位置，使电压表的指针指到3 V的位置；
F．保持滑动变阻器R的滑片P的位置不变，调整电阻箱R0的阻值使电压表指针指到1.5 V的位置，读出此时电阻箱R0的阻值，此值即为电压表内阻RV的测量值；
G．断开开关S.
试验中可供选择的试验器材有：
a．待测电压表
b．滑动变阻器：最大阻值2 000 Ω
c．滑动变阻器：最大阻值10 Ω
d．电阻箱：最大阻值9 999.9 Ω，阻值最小转变量为0.1 Ω
e．电阻箱：最大阻值999.9 Ω，阻值最小转变量为0.1 Ω
f．电池组：电动势约6 V，内阻可忽视
g．开关、导线若干
依据这位同学设计的试验方法，回答下列问题：
①要使测量更精确，除了选用电池组、导线、开关和待测电压表外，还应从供应的滑动变阻器中选用________(填“b”或“c”)，电阻箱中选用________(填“d”或“e”)．
②电压表内阻RV的测量值R测和真实值R真相比，R测________R真(填“>”或“<”)；若RV越大，则越________(填“大”或“小”)．
答案 (1)1.0 (2)①c d ②> 小
解析 (1)欧姆表的中值电阻即为其内阻值．由欧姆挡中心刻度值为“15”可知欧姆表内阻为1.5×103 Ω，依据电阻分压原理可知，电压表的示数U＝·RV＝×3×103 V＝1.0 V.
(2)①明确半偏法测电阻的试验原理．由半偏法测电阻和滑动变阻器的分压接法可知，滑动变阻器的阻值应远小于电表内阻，故滑动变阻器选c.电阻箱的最大阻值应与电压表内阻相近或大于电压表内阻，故电阻箱选d.
②接入电阻箱后，电路总电阻阻值变大，干路电流变小，变阻箱R0和电压表分担的电压变大，则UR0>URV，故R测>R真．RV越大，R测越接近真实值，故越小．
3．使用多用电表测量电阻时，多用电表内部的电路可以等效为一个直流电源(一般为电池)、一个电阻和一表头相串联，两个表笔分别位于此串联电路的两端．现需要测量多用电表内电池的电动势，给定的器材有：待测多用电表，量程为60 mA的电流表，电阻箱，导线若干．试验时，将多用电表调至×1 Ω挡，调好零点；电阻箱置于适当数值．完成下列填空：
(1)仪器连线如图4所示(a和b是多用电表的两个表笔)．若两电表均正常工作，则表笔a为______(填“红”或“黑”)色．
图4
(2)若适当调整电阻箱后，图4中多用电表、电流表与电阻箱的示数分别如图5(a)、(b)、(c)所示，则多用电表的读数为________ Ω.电流表的读数为________ mA，电阻箱的读数为________ Ω.
图5
(3)计算得到多用电表内电池的电动势为________ V．(保留3位有效数字)
答案 (1)黑 (2)14.0 53.0 4.6 (3)1.54
解析 (1)多用电表在使用时必需使电流从红表笔(正接线柱)流进，黑表笔(负接线柱)流出，串联的电流表也必需使电流从正接线柱流进，负接线柱流出，所以可以推断电流是从a表笔流出的，a为黑表笔．
(3)当表头短接时电路电流最大，为表头的满偏电流Ig＝，将Rg取为r＋rg＋R为多用电表的内阻，当待测电阻等于Rg时，这时表头半偏，表针指在欧姆表盘的中值上，所以Rg又称为中值电阻．当选择×1 Ω挡测量时中值电阻直接在欧姆表盘上读数为15 Ω，在(2)中多用电表外的电阻为多用电表的读数14.0 Ω，干路电流是53.0 mA，则电源电动势是E＝I(R内＋R外)＝0.053×(15＋14) V＝1.537 V≈1.54 V.
4．(1)试验室新进了一批低电阻的电磁螺线管，课外活动小组的同学设计了一个试验来测算螺线管使用的金属丝长度(金属丝材料已知)．他们选择了多用电表、电流表、电压表、开关、滑动变阻器、螺旋测微器、导线和同学电源等．
(1)使用多用电表粗测金属丝的电阻，操作过程分以下三个步骤：
a．机械调零后，将红、黑表笔分别插入多用电表的“＋”、“－”插孔，选择“×1”的欧姆挡；
b．________________________________________________________________________
(填写b步骤的操作)；
c．把红、黑表笔分别与螺线管金属丝的两端相接，多用电表的示数如图6所示，测得金属丝电阻为________ Ω；
图6
(2)利用电路更精确 测量金属丝Rx的电阻，为了削减试验误差，应选用图7中________(选填“甲”或“乙”)电路；
图7
图8
(3)如图8所示，使用螺旋测微器测得金属丝的直径为________ mm.
由以上测得的试验数据及查表得到的金属丝电阻率值，可测算出金属丝的长度．
答案 (1)红、黑表笔短接，调整欧姆调零旋钮，使指针指0 Ω 4 (2)乙
(3)0.260 mm
解析 (1)使用多用电表测电阻时，选挡后要先进行欧姆调零，具体操作是：红、黑表笔短接，调整欧姆调零旋钮，使指针指0 Ω；欧姆表读数等于表盘示数乘以倍率：4×1 Ω＝4 Ω.
(2)由多用电表知被测电阻阻值约为4 Ω，被测电阻为小电阻，用电流表外接法．由题意要求在试验中获得较大的电压调整范围，故滑动变阻器接受分压式接法，故电路图应选乙．
(3)螺旋测微器固定刻度读数为0 mm，可动刻度读数为26.0×0.01 mm＝0.260 mm，故最终读数为：0 mm＋0.260 mm＝0.260 mm.
图9
5．电动自行车是一种环保、便利的交通工具，越来越受大众的青睐，为了测定电动车电池组的电动势和内电阻，某同学设计了如图9所示的试验电路，所用试验器材有：
A．电池组(电动势约为12 V，内阻未知)
B．电流表(量程为300 mA，内阻忽视不计)
C．电阻箱R(0～999.9 Ω)
D．定值电阻R0(阻值为10 Ω)
E．导线和开关
(1)当闭合开关后，无论怎样调整电阻箱，电流表都没有示数，反复检查确认电路连接完好，该同学利用多用电表，又进行了如下操作：
断开电源开关S.
将多用电表选择开关置于“×1 Ω”挡，调零后，将红、黑表笔分别接在R0两端，读数为10 Ω.
图10
将多用电表选择开关置于“×10 Ω”挡，调零后，将红、黑表笔分别接电阻箱两接线柱，指针位置如图10所示，则所测电阻箱的阻值为________ Ω.
用多用电表分别对电源和开关进行检测，发觉电源、开关均完好．
由以上操作可知，发生故障的元件是________．
(2)在更换规格相同的元件后重新连接好电路．
(3)转变电阻箱R的阻值，分别测出电路中相应的电流I.
为了保证明验顺当进行且使测量结果更精确 些，电阻箱R的取值范围应为________．
A．100 Ω～300 Ω
B．40 Ω～100 Ω
C．15 Ω～40 Ω
图11
(4)依据试验数据描点，绘出的－R图象如图11所示．
若直线的斜率为k，在坐标轴上的截距为b，则该电池组的电动势E＝________，内阻r＝________(用k、b和R0表示)．
答案 (1)70 电流表 (3)B (4) －R0
解析 (1)欧姆表表盘读数为70 Ω；故障检测时，除电流表其余部分均没有问题，故问题只能出在电流表处．
(3)为减小电流表的读数误差，电流表指针偏转角度应当尽量大于三分之一，即电流范围为：100 mA≤I≤300 mA，依据欧姆定律，总电阻120 Ω≥R总≥40 Ω，扣除定值电阻10 Ω，即电流表内阻和电源内阻加上电阻箱电阻应当大于或等于30 Ω，而小于或等于110 Ω，由于电流表内阻不计，故应当选B.
(4)依据闭合电路欧姆定律，有E＝I(r＋R0＋R)，则＝R＋，解得E＝，r＝－R0.
6．用下列器材组装成一个电路，既能测量出电池组的电动势E和内阻r，又能同时描绘小灯泡的伏安特性曲线．
A．电压表V1(量程6 V、内阻很大)
B．电压表V2(量程4 V、内阻很大)
C．电流表A(量程3 A、内阻很小)
D．滑动变阻器R(最大阻值10 Ω、额定电流4 A)
E．小灯泡(2 A、5 W)
F．电池组(电动势E、内阻r)
G．开关一只，导线若干
试验时，调整滑动变阻器的阻值，多次测量后发觉：若电压表V1的示数增大，则电压表V2的示数减小．
(1)请将设计的试验电路图在图12中补充完整．
图12
(2)每一次操作后，同时记录电流表A、电压表V1和电压表V2的示数，组成两个坐标点(I，U1)、(I，U2)，标到U－I坐标系中，经过多次测量，最终描绘出两条图线，如图13所示，则电池组的电动势E＝________ V、内阻r＝________ Ω.(结果保留两位有效数字)
图13
(3)在U－I坐标中两条图线在P点相交，此时滑动变阻器连入电路的阻值应为________ Ω，电池组的效率为________．
答案 (1)见解析图 (2)4.5 1.0 (3)0 55.6%
解析 (1)先作出测量电源内阻和电动势的电路图，然后在此基础上增加伏安特性曲线电路，需要留意，小灯泡额定电压为2.5 V，且电阻较小，故电压表V2直接与小灯泡并联，而电压表V1则测量路端电压，电路如图所示．
(2)依据图象可知，倾斜的直线为计算电源电动势和内阻的图线，该图线的纵截距为电动势大小，图线斜率的确定值为电源内阻大小．据此可知电动势E＝4.5 V，r＝1.0 Ω.
(3)由图象可知，小灯泡两端电压为2.5 V，电源内电压为2 V，故滑动变阻器连入电路阻值为0 Ω.电源的效率为η＝×100%＝55.6%.
7．(2022·四川广安三诊)实际电流表有内阻，测量电流表G1内阻r1的电路如图14所示．
图14
供选择的仪器如下：
①待测电流表G1(0～5 mA，内阻约300 Ω)
②电流表G2(0～10 mA，内阻约100 Ω)
③定值电阻R1(300 Ω)
④定值电阻R2(10 Ω)
⑤滑动变阻器R3(0～1 000 Ω)
⑥滑动变阻器R4(0～20 Ω)
⑦干电池(1.5 V)
⑧电键S及导线若干．
(1)定值电阻应选________，滑动变阻器应选________．(在空格内填写序号)
(2)对比电路图用笔连线连接如图15所示实物图．
图15
(3)补全试验步骤：
①按如图14所示电路图连接电路，将滑动变阻器的触头移至最________(填“左端”或“右端”)；
②闭合电键S，移动滑动触头至某一位置，记录G1和G2的读数I1和I2；
③多次移动滑动触头，记录G1和G2的读数I1和I2；
④以I2为纵坐标，I1为横坐标，作出相应图线，如图16所示．
图16
(4)依据I2－I1图线的斜率k及定值电阻，写出待测电流表内阻的表达式________________．
答案 (1)③ ⑥ (2)见解析图 (3)左端 (4)r1＝(k－1)R1
解析 (1)因电流表G1的内阻约为300 Ω，故定值电阻选择R1；为调整便利滑动变阻器选择R4.
(2)依据电路图连接实物如图所示：
(3)为疼惜测量电路，闭合开关时，测量电路应处于短路状态，故滑片移至最左端．
(4)由电路图知I2＝I1＋，可得图象的斜率k＝1＋，解得r1＝(k－1)R1.
【解题方法技巧】 电学试验的处理技巧
电学试验中测定金属的电阻率、描绘小灯泡的伏安特性曲线、测电源的电动势和内阻、多用电表的使用等在高考中毁灭的频率较高.电学试验侧重于考查电路设计、实物图连接、数据处理和误差分析.近年来，高考对试验的考查向拓展试验、创新试验的方向进展，但不论试验题目怎么变化，其原理和方法都离不开课本上试验的原理、方法.,电学试验的基本原理是闭合电路欧姆定律，电学试验本质上都是测电阻，因此在复习中把握测电阻的方法格外重要，比如要把握用伏安法测电阻为主体的方法，还要把握测定值电阻、热敏电阻、光敏电阻、压敏电阻、磁敏电阻、电流表内阻、电压表内阻和电源内阻等的方法；通过复习提升试验力气，比如要娴熟把握以器材的选择、仪器的量程选择为主体的选择方法，还要把握电压表、电流表、电源、定值电阻、滑动变阻器、单刀与双刀开关等器材的选择方法与思路；对复习中的设计性力气的培育，要把握以电路的设计方案的选取为主体的设计思想，还要把握电流表的内接与外接法、滑动变阻器的分压式与限流式接法、非抱负电表的格外规接法等常规的设计思想.
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