热点十 电学实验
“电阻的测量”是高中教材中一个重要的学生实验，一直是高考物理实验考查的热点。电阻的测量实验能全面考查电学中电压表、电流表的使用与读数，欧姆表的原理及应用，电路的选择，实验方法的选择，实验数据的处理方法等。虽然该实验题目年年翻新，角度也经常变化，但实验试题中涉及的基本知识和实验技能的要求仍然立足于教材实验，即运用已学过的原理解决新的问题。
考向一 测电阻或电阻率
(2018·全国卷Ⅰ)某实验小组利用如图1(a)所示的电路探究在25 ℃～80 ℃范围内某热敏电阻的温度特性。所用器材有：置于温控室(图中虚线区域)中的热敏电阻RT，其标称值(25 ℃时的阻值)为900.0 Ω；电源E(6 V，内阻可忽略)：电压表V(量程150 mV)；定值电阻R0(阻值20.0 Ω)，滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 Ω)：电阻箱R2(阻值范围0～999.9 Ω)：单刀开关S1，单刀双掷开关S2。
实验时，先按图(a)连接好电路，再将温控室的温度t升至80 ℃。将S2与1端接通。闭合S1，调节R1的滑片位置，使电压表读数为某一值U0；保持R1的滑片位置不变，将R2置于最大值，将S2与2端接通，调节R2，使电压表读数仍为U0；断开S1，记下此时R2的读数。逐步降低温控室的温度t，得到相应温度下R2的阻值，直至温度降到25.0 ℃。实验得到的R2－t数据见下表。
t/℃
25.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
R2/Ω
900.0
680.0
500.0
390.0
320.0
270.0
240.0
回答下列问题：
(1)在闭合S1前，图(a)中R1的滑片应移动到____(填“a”或“b”)端；
(2)在图(b)的坐标纸上补齐数据表中所给的数据点，并做出R2－t曲线；
图1
(3)由图(b)可得到RT在25 ℃～80 ℃范围内的温度特性。当t＝44.0 ℃时，可得RT＝______Ω；
(4)RT握于手心，手心温度下R2的相应读数如图(c)所示，该读数为______Ω则手心温度为______℃。
[答案] (1)b
(2)如图
(3)450
(4)620.0 33.0
考向二 测电源的电动势和内阻
某同学利用如图2甲所示电路来测量一节干电池的电动势和电阻，实验时共记录了5组电压表和电流表的示数(电表均视为理想电表)，并绘得如图乙所示的U－I图线。
图2
(1)由图线可知该干电池的电动势E＝________V，电阻r＝________Ω。
(2)该同学选用的滑动变阻器标有“10 Ω 2.5 A”字样，实验时将滑片从左端缓缓向右移动，记录第1组数据(I1＝0.27 A，U1＝1.35 V)时滑片大约移动了________。
A．1/4长度 B．1/3长度
C．1/2长度 D．2/3长度
(3)改变滑动变阻器接入电路的阻值，直到电源输出功率达到最大，请在图乙上画出表示最大输出功率的“面积”图。
[解析] (1)根据干电池的U－I图线可得该干电池的电动势E＝1.5 V，内阻r＝ Ω。
(2)记录第1组数据时电流I1＝0.27 A，U1＝1.35 V，由欧姆定律可得滑动变阻器接入电路部分电阻为＝5.0 Ω，滑片大约移动了1/2长度，选项C正确。
(3)当外电阻R＝r＝ Ω时电源的输出功率最大，其电流I＝＝1.125 A，对应路端电压U＝E－Ir＝0.75 V，作出平行于横轴的直线U＝0.75 V和平行于纵轴的直线I＝1.125 A，这两条直线与坐标轴所围的面积表示电源最大输出功率的“面积”图，如图所示。
[答案] (1)1.5 (2)C (3)如解析图中阴影所示
考向三 电学创新实验
太空探测器在探索宇宙过程中，由太阳能电池板给它提供能源。光明中学物理实验室有一块太阳能电池板，当有光照射它时(作为电源)，其路端电压与总电流的关系图像如图3甲中的曲线①所示；若没有光照射它时，相当于一个只有电阻的电学器件、无电动势。物理实验探究小组用“描绘小灯泡伏安特性曲线”的实验方法，探究该太阳能电池板在没有光照射时的伏安特性曲线，利用电压表
(内阻约3 kΩ)、电流表(内阻约100 Ω)测得的多组数据作出的图像如图甲中曲线②所示。
图3
(1)分析曲线②可知，该电池板作为电阻器件时的阻值随通过电流的增大而______(填“增大”或“减小”)，若所设计的是电路如图乙所示，实验时应将图乙中电压表另一端a接在____点(填“b”或“c”)；
(2)图乙电路中a端接好后还少接了一根导线，请在图乙中画出；
(3)分析曲线①可知，该电池板作为电源时的电动势约为______V，若把它与阻值为1 kΩ的定值电阻连接构成一个闭合电路，在有光照射的情况下，该太阳能电池板的效率约为______%(计算结果保留两位有效数字)。
[解析] (1)由图线②可知，无光照时太阳能电池板的阻值远大于电流表内阻，所以采用电流表内接法，即a端接b点。
(2)描绘伏安特性曲线要求电压从零开始调节，即滑动变阻器要采用分压式接法，故应该将滑动变阻器右端与电源正极用导线相连，如图1所示。
(3)太阳能电池板的电动势由图线①与纵轴的交点直接读出，即2.75 V；在题图甲中作1 kΩ电阻的伏安特性曲线③如图2所示，图线③与图线①的交点即电路的工作点，其坐标为(1.80,1.80)，电池板的效率η＝×100%＝×100%＝×100%＝×100%≈65%。
[答案] (1)减小 b (2)如解析图1所示 (3)2.75 65
1．某物理兴趣小组的同学要测定某电阻Rx的阻值，通过讨论，决定采用下列方法来测定。
(1)方法一：用多用电表测量
首先，选用欧姆表“×1”挡进行粗测，正确操作后，表盘指针如图4甲所示，则该电阻的测量值为Rx＝______Ω。
图4
(2)方法二：用伏安法测量
所用的部分器材：电压表V(0～3 V，内阻约3 kΩ)；电流表A(0～0.6 A，内阻约2 Ω)，分析下列问题。
①他们设置了如图乙、图丙所示的两种电路图，为减小实验误差应选用______(填“图乙”或“图丙”)作为测量电路；
②请根据它们所选的电路将图5甲所示的实物图连接好；
③他们选择了正确的电路后，通过测量，根据得到的实验数据作出了如图乙所示的U－I图像，根据图像，可得Rx＝________Ω。
图5
(3)方法三：等效替代法
某同学设计了如图6所示的测量电路，实验步骤如下所示：
A．按图6连接好实验电路
B．保持开关S2断开，将开关S1闭合，然后调节电阻箱R和滑动变阻器R′，待电路稳定后电阻箱读数R1如图7所示，记下此时电压表的示数
C．闭合开关S2，保持滑动变阻器的滑片位置不变，然后调节电阻箱的电阻，使电压表的读数与步骤B中的示数相同，此时电阻箱的读数R2＝26 Ω。
①在步骤A中电阻箱的读数为R1＝________Ω；
②由以上实验测得电阻Rx的阻值为Rx＝______Ω。
解析 (1)欧姆表读数＝刻度盘读数×倍率，读数是Rx＝7 Ω。
(2)①由于待测电阻的阻值远小于电压表的内阻，所以电流表使用外接法，故选图乙作为测量电路；
②所连实物图如图所示；
③U－I图像的斜率表示电阻的阻值，由所作的图像可知，图像的斜率为k＝＝6.25，故被测电阻的限值为Rx＝6.25 Ω。
(3)①在步骤B中电阻箱的读数为R1＝20 Ω；
②由于R1与Rx串联在电路中所起的作用与R2相同(电压表指针指示同一位置)，则有R1＋Rx＝R2，故有Rx＝R2－R1。由题意可知R1＝20 Ω，R2＝26 Ω，故被测电阻的阻值为Rx＝R2－R1＝26 Ω－20 Ω＝6 Ω。
答案 (1)7 (2)①图乙 ②如解析图所示 ③6.25 (3)①20 ②6
2．(1)某实验小组在“测定金属电阻率”的实验过程中，正确操作获得金属丝的直径以及电流表、电压表的读数如图8所示，则它们的读数依次是________mm、________A、________V。
图8
(2)已知实验中所用的滑动变阻器阻值范围为0～10 Ω，电流表内阻约为几欧，电压表内阻约20 kΩ，电源为干电池(不宜在长时间、大功率状况下使用)，电动势E＝4.5 V，内阻较小。则以下电路图中________(选填字母代号)电路为本次实验应当采用的最佳电路，但用此最佳电路测量的金属丝电阻仍然会比真实值偏________(选填“大”或“小”)。
图9
(3)若已知实验所用的电流表内阻的准确值RA＝2.0 Ω，那么测量金属丝电阻Rx的最佳电路应是上图中的________电路(选填字母代号)电路，此时测得电流为I、电压为U，则金属丝电阻Rx＝________(用题中字母代号表示)。
解析 螺旋测微器的固定刻度读数为0.5 mm，可动刻度读数为49.9×0.01 mm＝0.499 mm，金属丝直径为0.5 mm＋0.499 mm＝0.999 mm。电流表读数为0.42 A，电压表读数为2.23 V。
(2)因RV≫Rx(Rx＝ Ω≈5.3 Ω)，测量电路采用电流表外接法，故最佳电路为甲电路，此时测量结果因电压表的分流而偏小。
(3)若已知电流表内阻时，最佳电路为乙电路，由欧姆定律得Rx＋RA＝，那么Rx＝－RA。
答案 0.999(0.998～1.000 mm间均可) 0.42 2.23(2.22～2.24间均可)
(2)甲 小
(3)乙 －RA
3．(1)多用电表的欧姆挡有三个倍率，分别是×1、×10、×100。用×10挡测量某电阻Rx时，操作步骤正确，发现表头指针偏转角度过大，为了较准确地进行测量，应换到________挡。如果换挡后立即用表笔连接待测电阻进行读数，那么缺少的步骤是__________，若补上该步骤后测量，表盘的示数如图，则该电阻的阻值是______ Ω.
图10
(2)现要用伏安法进一步测量待测电阻Rx的阻值，可供使用的器材如下：
电流表A1(量程0.6 A，内阻约0.6 Ω)；
电流表A2(量程100 mA，内阻约10 Ω)；
电压表V1(量程15 A，内阻约15 kΩ)；
电流表V2(量程3 V，内阻约3 kΩ)；
滑动变阻器R1(0～5 Ω)；
滑动变阻器R2(0～500 Ω)；
电源E(3 V，内阻很小)；
电源S、导线若干。
要求测得结果尽量准确，实验操作正确。
①所选电流表为______(选填“A1”或“A2”)
②在虚线框内画出测量电路的原理图，并在电路图中标柱所选器材的代号。
③所测量的结果与真实值比较______(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。
解析 (1)多用电表欧姆挡指针偏转太大，应换用小倍率×1挡，使指针偏到中央附近，且应先重新欧姆调零，表盘的读数为21 Ω。
(2)①电源电动势3 V，选电压表V2，通过电阻的最大电流Im＝ A≈0.136 A
，电流表选A1量程太大，指针最大达不到电流表处，误差大，应选A2。②因Rx＜，电流表采用外接法，用伏安法则电阻Rx，如果限流式接法R1太小、R2太大，故滑动变阻器应采用分压式连接，应接R1。③电流表外接，电流测量偏大，则所测电阻偏小。
答案 (1)×1 欧姆调零 21 (2)①A2 ②如图 ③偏小
4．材料的电阻随压力的变化而变化的现象称为“压阻效应”，利用这种效应可以测量压力大小。如图甲所示为某压敏电阻在室温下的－F图线，其中RF、R0分别表示有、无压力时压敏电阻的阻值，为了测量压力F，需先测量压敏电阻处于压力中的阻值RF。请按要求完成下列实验。
图11
(1)设计一个可以测量处于压力中的该压敏电阻阻值的电路，在图乙的虚线框内画出实验电路原理图(压敏电阻及所给压力已给出，待测压力大小约为0.4×102～0.8×102 N，不考虑压力对电路其他部分的影响)，要求误差较小，提供的器材如下：
A．压敏电阻，无压力时阻值R0＝6 000 Ω
B．滑动变阻器R，最大电阻值约200 Ω
C．电流表A，量程2.5 mA，内阻约30 Ω
D．电压表V，量程3 V，内阻约3 kΩ
E．直流电源E，电动势3 V，内阻很小
F．开关S，导线若干
(2)正确接线后，将压敏电阻置于待测压力下，通过压敏电阻的电流是1.33 mA，电压表的示数如图丙所示，则电压表的读数为________V。
(3)此时压敏电阻的阻值为________Ω；结合图甲可知待测压力的大小F＝________N。(结果均保留两位有效数字)
解析 (1)由于待测电阻较大，电流表采用内接法，由于滑动变阻器R阻值比RF小的多，故滑动变阻器采用分压式接法。
(2)由电压表的表盘刻度，可以读出电压表示数为2.00 V。
(3)根据欧姆定律可以得到此时压敏电阻的阻值为RF＝＝ Ω＝1.5×103 Ω；＝＝4，由图像可以知道此时压力为60 N。
答案 (1)如图所示
(2)2.00 (3)1.5×103 60
5．(2017·唐山一模)为测量一未知电源电动势和内阻，某同学设计了如图12所示电路，电路中所用到的器材规格如下：
图12
待测电源：电动势为4～6 V，内阻为几十欧姆；
定值电阻：R0＝10 Ω；
定值电阻：R2＝3 kΩ；
电阻箱R1：0～9 999 Ω；
电压表：量程0～3 V，内阻RV＝3 kΩ；
开关、导线若干
(1)闭合开关后，将电阻箱的阻值由零开始逐渐增大，记录若干组电阻箱R1和电压表的读数；
(2)第一次该同学将得到的数据在U－R1坐标系中描点连线，得到如图13甲所示曲线。曲线与纵轴的截距为b1＝0.8 V，虚线为图中曲线的渐近线由图可得电动势E＝______V，内阻r＝________ Ω；
图13
(3)第二次该同学将得到的数据在－坐标系中描点连线。得到如图乙所示直线，直线与纵轴的截距为b2＝0.4 V－1，斜率k＝8.4 Ω·V－1。由图可得电动势E＝________V，内阻r＝________ Ω；
(4)将两次数据处理方式进行对比，误差较小的应为第______(填“一”或“二”)次。
解析 (2)当R1接近最大值时R外≫r，则此时的路端电压近似等于电源的电动势，因R2＝Rv，则U外＝4.8 V，故E＝4.8 V。当R1＝0时，R外＝10 Ω，而此时的路端电压U外＝2×0.8 V＝1.6 V，据＝得r＝20 Ω。
(3)据闭合电路欧姆定律有E＝2U＋·r，变形得＝·＋，结合图像可知＝0.4 V－1，＝8.4 Ω·V－1，得E＝5.0 V，r＝21 Ω。
(4)在数据处理中，画出的图线为直线时，更容易找出对应关系，可精确求解。
答案 (2)4.8 20 (3)5.0 21 (4)二
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