第17练 电学实验
1．(2023·新课标卷·22)在“观察电容器的充、放电现象”实验中，所用器材如下：电池、电容器、电阻箱、定值电阻、小灯泡、多用电表、电流表、秒表、单刀双掷开关以及导线若干。
(1)用多用电表的电压挡检测电池的电压。检测时，红表笔应该与电池的________(填“正极”或“负极”)接触。
(2)某同学设计的实验电路如图(a)所示。先将电阻箱的阻值调为R1，将单刀双掷开关S与“1”端相接，记录电流随时间的变化。电容器充电完成后，开关S再与“2”端相接，相接后小灯泡亮度变化情况可能是________。(填正确答案标号)
A．迅速变亮，然后亮度趋于稳定
B．亮度逐渐增大，然后趋于稳定
C．迅速变亮，然后亮度逐渐减小至熄灭
(3)将电阻箱的阻值调为R2(R2>R1)，再次将开关S与“1”端相接，再次记录电流随时间的变化情况。两次得到的电流I随时间t变化如图(b)中曲线所示，其中实线是电阻箱阻值为________(填“R1”或“R2”)时的结果，曲线与坐标轴所围面积等于该次充电完成后电容器上的________(填“电压”或“电荷量”)。
2.(2023·江苏盐城市三模)小明在做实验时，发现一个色环电阻的外漆脱落，如图甲所示，于是用多用电表测量该电阻Rx。
(1)正确的操作顺序是________。
A．把选择开关旋转到交流电压最高挡
B．调节欧姆调零旋钮使指针指到欧姆零点
C．把红、黑表笔分别接在Rx两端，然后读数
D．把选择开关旋转到合适的挡位，将红、黑表笔接触
E．把红、黑表笔插入多用电表“＋、－”插孔，用螺丝刀调节指针定位螺丝，使指针指0
(2)小明正确操作后，多用电表的指针位置如图乙所示，则Rx＝_________Ω。
(3)小林认为用多用电表测量电阻误差较大，采用伏安法测量。图丙是部分连接好的实物电路图，请用电流表内接法完成接线。
(4)小林用电流表内接法和外接法分别测量了该色环电阻的伏安特性，并将得到的电流、电压数据描到U－I图像上，如图丁所示。请你选择一组合理的数据点，求出该色环电阻的电阻为_________Ω(保留两位有效数字)。
(5)因电表内阻影响，测量值________(选填“偏大”或“偏小”)，原因是________________。
3．(2023·全国乙卷·23)一学生小组测量某金属丝(阻值约十几欧姆)的电阻率。现有实验器材：螺旋测微器、米尺、电源E、电压表(内阻非常大)、定值电阻R0(阻值10.0 Ω)、滑动变阻器R、待测金属丝、单刀双掷开关K、开关S、导线若干。图(a)是学生设计的实验电路原理图。完成下列填空：
(1)实验时，先将滑动变阻器R接入电路的电阻调至最大，闭合S。
(2)将K与1端相连，适当减小滑动变阻器R接入电路的电阻，此时电压表读数记为U1，然后将K与2端相连，此时电压表读数记为U2。由此得到流过待测金属丝的电流I＝________，金属丝的电阻r＝____________。(结果均用R0、U1、U2表示)
(3)继续微调R，重复(2)的测量过程，得到多组测量数据，如下表所示：
U1(mV) 0.57 0.71 0.85 1.14 1.43
U2(mV) 0.97 1.21 1.45 1.94 2.43
(4)利用上述数据，得到金属丝的电阻r＝14.2 Ω。
(5)用米尺测得金属丝长度L＝50.00 cm。用螺旋测微器测量金属丝不同位置的直径，某次测量的示数如图(b)所示，该读数为d＝________ mm。多次测量后，得到直径的平均值恰好与d相等。
(6)由以上数据可得，待测金属丝所用材料的电阻率ρ＝________×10－7 Ω·m。(保留2位有效数字)
4．(2023·江苏徐州市三模)某学习小组利用砷化镓霍尔元件(载流子为电子)研究霍尔效应，实验原理如图甲所示，匀强磁场垂直于元件的工作面，工作电源为霍尔元件提供霍尔电流IH，IH通过1、3测脚时，2、4测脚间将产生霍尔电压UH。
(1)2、4测脚中电势高的是________(选填“2”或“4”)测脚。
(2)某次实验中，利用螺旋测微器测量元件厚度d(如图乙)，其读数为________ mm，调节工作电压，改变霍尔电流，测出霍尔电压，实验数据如下表所示：
实验次数 1 2 3 4 5
IH/mA 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50
UH/mV 41.5 83.1 124.8 166.4 208.1
根据实验数据在如图丙所示的坐标纸上作出UH与IH的关系图像。
(3)设该元件单位体积中自由电子的个数为n，元件厚度为d，磁感应强度为B，电子电荷量为e，则UH与IH的关系式为___________________________________________________。
5．(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
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
6．(2023·江苏南通市适应性考试)某实验小组需测定电池的电动势和内阻，器材有：一节待测电池、一个单刀双掷开关、一个定值电阻(阻值为R0)、一个电流表(内阻为RA)、一根均匀电阻丝(电阻丝总阻值大于R0，并配有可在电阻丝上移动的金属夹)、导线若干。由于缺少刻度尺，无法测量电阻丝长度，但发现桌上有一个圆形时钟表盘。某同学提出将电阻丝绕在该表盘上，利用圆心角来表示接入电路的电阻丝长度，主要实验步骤如下：
(1)将器材按如图甲连接，已接入电路的导线(不含金属夹所在的导线)有一处错误，请在该导线上画“×”，并重新画出该导线的正确连接方式。
(2)改变金属夹夹在电阻丝上的位置，闭合开关，记录每次接入电路的电阻丝对应的圆心角θ和电流表示数I，得到多组数据，整理数据并在坐标纸上描点绘图，所得图像如图乙所示，图线斜率为k，纵轴截距为d，设单位角度对应电阻丝的阻值为r0，则该电池电动势可表示为E＝________，内阻可表示为r＝________。
(3)为进一步确定结果，还需要测量单位角度对应电阻丝的阻值r0。
①利用现有器材设计实验，在图丙方框中补全实验电路图(电阻丝用滑动变阻器符号表示)。
②先将单刀双掷开关闭合到一端，记录电流表示数I0，再将单刀双掷开关闭合到另一端，调节接入电路的电阻丝长度，当________时，记录接入电路的电阻丝对应的圆心角θ0。
③利用测出的r0＝________，可得该电池的电动势和内阻。
7．(2023·江苏省木渎高级中学三模)某同学在实验室探究二极管的伏安特性曲线。
(1)为了粗测二极管的正向电阻，该同学将多用电表的选择开关旋到电阻“×100”挡，当指针偏转角度较大时，红表笔连接的是二极管的________极(选填“正”或“负”)；此时多用电表的指针如图甲所示，二极管的正向电阻为_________Ω。
(2)用伏安法描绘二极管在0～3 V范围内的正向伏安特性曲线，器材如下
电压表V(量程为3.0 V，内阻约为10 kΩ)
电流表A(量程为10 mA，内阻约为1.0 Ω )
滑动变阻器R1(总电阻为10 Ω，额定电流为0.1 A)
滑动变阻器R2(总电阻为20 Ω，额定电流为0.5 A)
电源E(电动势6 V，内阻不计)
开关S，导线若干
其中，滑动变阻器应该选________(选填“R1”或“R2”)。利用图乙所示的器材符号，画出实验电路原理图。
(3)二极管的正向电压伏安特性曲线如图丙所示，现将两个相同的二极管串联在电路中，如图丁所示。已知电阻R1＝R2＝1 kΩ，电源的电动势E＝6 V(内阻不计)，通过二极管D的电流为_________mA，电阻R1消耗的功率为_________mW。(结果均保留两位有效数字)
第17练 电学实验
1．(1)正极 (2)C (3)R2 电荷量
解析 (1)多用电表应满足电流“红进黑出”，因此红表笔与电源的正极相连；
(2)电容器放电过程中，电流由大逐渐变小，则小灯泡迅速变亮，然后亮度逐渐减小至熄灭，故C正确；
(3)实线表示充电慢，用时长，最大电流小，故接入的电阻应该为大的电阻，即R2，因此实线表示电阻箱阻值为R2；根据公式I＝，则I－t图像与坐标轴所围的面积表示电容器上电荷量。
2．(1)EDBCA (2)3 000 (3)见解析图
(4)3.1×103 (5)偏大 电流表分压
解析 (1)用多用电表测量该电阻时，应先进行机械调零使指针指0，然后选择合适的挡位，将红、黑表笔短接进行欧姆调零，再进行测电阻读数，测量完毕后要把选择开关旋转到交流电压最高挡，因此正确顺序为EDBCA。
(2)由题图可知挡位选择“×100”挡，Rx＝30×100 Ω＝3 000 Ω。
(3)电流表选用内接法，电压和电流从零开始调节，滑动变阻器选用分压接法即可，电路连接如图。
(4)待测电阻阻值约为3 000 Ω，因此电流表选用内接法更合理
Rx＝ Ω≈3.1×103 Ω。
(5)因电表内阻影响，测量值偏大，原因是电流表内阻分压。
3．(2) (5)0.150
(6)5.0
解析 (2)根据题意可知，R0两端的电压为U＝U2－U1
则流过R0及待测金属丝的电流
I＝＝
金属丝的电阻r＝
联立可得r＝
(5)螺旋测微器的读数为
d＝0＋15.0×0.01 mm＝0.150 mm
(6)根据r＝ρ
又S＝π·()2
代入数据联立解得ρ≈5.0×10－7 Ω·m
4．(1)2 (2)2.000 见解析图
(3)UH＝
解析 (1)因为霍尔元件的载流子是电子，所以在霍尔元件中是电子的定向移动形成了电流，根据左手定则可知，电子受到的洛伦兹力向“4”测脚方向，所以“4”测脚的电势低，“2”测脚的电势高。
(2)螺旋测微器的读数为d＝2.000 mm
将表格中的数据在图中进行描点连线，则其图像如图所示。
(3)当霍尔元件中的电路稳定后，对元件中的电子来说，其受到洛伦兹力和静电力，且二力平衡，所以有eE＝evB，IH＝neSv，设霍尔元件的宽度为l，其横截面积为S＝ld，其霍尔元件的电压为UH＝El，整理后有UH＝。
5. (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，滑动变阻器阻值应该调到最大，电池盒上的接线柱A应该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：当R较大时，电压表分流作用大，根据极限思维法，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。
6．(1)见解析图 (2) －R0－RA
(3)①见解析图 ②电流表示数为I0
③
解析 (1)开关要能够控制电路的断开与闭合，因此开关接线柱接错，正确连接方式如图(a)所示。
(2)设圆心角为θ时，电阻丝接入电路中的电阻为θr0，根据闭合电路欧姆定律E＝U＋Ir可知
E＝I(RA＋R0＋θr0)＋Ir
整理得＝θ＋
结合图像的斜率和截距满足＝k，＝d
解得E＝，r＝－R0－RA
(3)①实验器材中有定值电阻R0和单刀双掷开关，使用等效替代法测量电阻丝电阻，如图(b)所示
②③因此将单刀双掷开关闭合到另一端，调节接入电路的电阻丝长度，直到电流表示数为I0，此时电阻丝连入电路的有效电阻和R0相同；此时θ0r0＝R0，即得r0＝。
7．(1)负 600 (2)R2 见解析图
(3)2.0 16
解析 (1)根据多用电表中两表笔电流的流向为“红进黑出”，欧姆表指针偏转较大时，可知红表笔与二极管的负极相连；此时，多用电表的指针位于6刻度处，二极管的正向电阻为600 Ω；
(2)电源电动势为6 V，R1最大电阻为10 Ω，则电流为I＝＝0.6 A，超过其额定电流，故滑动变阻器选择R2，设计电路如图；
(3)设二极管D两端的电压为UD，流过二极管的电流为ID，则有2UD＝E－(ID＋)R1，代入数据解得UD与ID的关系为UD＝1.5－0.25ID×103，则通过D的电流与电源电动势的图线在图中横轴上截距为1.5 V，纵轴上截距为6 mA，斜率为－4，因二极管电压UD与流过二极管电流ID还受二极管D的ID－UD特性曲线的限制，因而二极管就工作在负载线与ID－UD特性曲线的相交点P上，由此得二极管两端的电压和电流分别为UD＝1.0 V，ID＝2.0 mA。
电阻R1上的电压U1＝E－2UD＝6 V－2×1 V＝4 V，其功率P1＝＝16 mW。
