2020高考物理电学实验专题讲解和练习

。

专题四 电学实验

电学实验是高考实验考查的重点、热点内容。试题注重联系实

验操作的考查，如测量仪器的读数问题、实验线路的连线问题、电

表和其他用电器的选择问题都是实验操作的仿真模拟，需要考生具 备良好的动手实践经验。试题还注重实验数据的处理分析，如根据 实验数据画出图线，根据图线分析得出结论。“设计和完成实验的能 力”在理科综合《考试说明》中指出的五个考试目标之一。是近几年 高考物理实验题的命题趋向。

完整的设计一个实验，要经历多个环节，在实际考查中，一般

不会考查全部环节，而是只考查其中的几个环节，有的题目给出条

件和实验器材，要求阐述实验原理；有的给出实验电路图，要求领 会实验原理，确定需测物理量及计算公式；有的则要求考生根据操 作步骤及测定的物理量判断出实验原理……虽然考查方式不尽相 同，但目前高考中几乎所有的设计型实验题都有一个共同点，都以 不同方式或多或少的对实验原理作一定的提示，在给出实验器材的 前提下进行考查。

由于考查环节和要求的不同，题型也不尽相同，但较多的是选择、 填空、作图题。

在复习过程中，应对所学电学实验逐个理解实验原理、实验方

法，比较不同实验的异同（如电路图、滑动变阻器和电表的连接） 不断充实自己的经验和方法，逐步达到能灵活运用已学知识解答新 的问题。对于设计型实验题目要明确实验设计的关键在于实验原理

的设计，它是进行实验的依据和起点，它决定了应选用（或还需）

哪些实验器材，应测量哪些物理量，如何编排实验步骤。而实验原理的设计又往往依赖于所提供的实验器材（条件）和实验要求，它们相辅相成，互为条件。

（一）电学实验中所用到的基本知识

在近年的电学实验中，电阻的测量（包括变形如电表内阻的测量）、测电源的电动势与内电阻是考查频率较高的实验。它们所用

到的原理公式为：R=U,E=U+Ir。由此可见，对于电路中电压U

I

及电流I的测量是实验的关键所在，但这两个量的直接测量和间接测量的方法却多种多样，在此往往也是高考试题的着力点之处。因此复习中应熟练掌握基本实验知识及方法，做到以不变应万变。1．电路设计原则：正确地选择仪器和设计电路的问题，有一定的灵活性，解决时应掌握和遵循一些基本的原则，即“安全性”、“方便性”、“精确性”原则，兼顾“误差小”、“仪器少”、“耗电少”等各方面因素综合考虑，灵活运用。

⑴正确性：实验原理所依据的原理应当符合物理学的基本原理。

⑵安全性：实验方案的实施要安全可靠，实施过程中不应对仪器及人身造成危害。要注意到各种电表均有量程、电阻均有最大允许电流和最大功率，电源也有最大允许电流，不能烧坏仪器。

⑶方便性：实验应当便于操作，便于读数，便于进行数据处理。

⑷精确性：在实验方案、仪器、仪器量程的选择上，应使实验误差尽可能的小。

2．电学实验仪器的选择：

⑴根据不使电表受损和尽量减少误差的原则选择电表。首先保证流

过电流表的电流和加在电压表上的电压均不超过使用量程，然后合理选择量程，务必使指针有较大偏转（一般要大于满偏度的1/3），以减少测读误差。

⑵根据电路中可能出现的电流或电压范围选择滑动变阻器，注意流过滑动变阻器的电流不超过它的额定值，对大阻值的变阻器，如果是滑动头稍有移动，使电流、电压有很大变化的，不宜采用。

⑶应根据实验的基本要求来选择仪器，对于这种情况，只有熟悉实验原理，才能作出恰当的选择。总之，最优选择的原则是：方法误差尽可能小；间接测定值尽可能有较多的有效数字位数，直接测定值的测量使误差尽可能小，且不超过仪表的量程；实现较大范围的灵敏调节；在大功率装置（电路）中尽可能节省能量；在小功率电路里，在不超过用电器额定值的前提下，适当提高电流、电压值，以提高测试的准确度。

3．测量电路的选择

⑴电流表的内、外接问题：（甲）所示电路为电流表外接电路（简

称外接法）；（乙）所示电路为电流表内接电路（简称内接法）。两

种接法的选择可按下列方法进行：

方法一：设电流表、电压表内阻分别为R、R，被测电阻为R，

A V x 则

当R

x A V

当R>R R时，电流表分压作用小，应选用内接法

x A V

当R=R R时，电流表分压作用和电压表分流作用相差不大，x A V

两种方法均可。

方法二：在R、R均不知的情况下，可采用试触法。如图所

V A

示，分别将a端与b、c接触，如果前后两次电流表示数比电压表

示数变化明显，说明电压表分流作用大，应采用内接法；如果前后两次电压表示数比电流表示数变化明显，说明电流表分压作用大，应采用外接法。

a

b c

⑵滑动变阻器的分压、限流

接法：

为了改变测量电路（待

甲乙

测电阻）两端的电压（或通

过测量电路的电流），常使滑动变阻器与电源连接作为控制电路，

滑动变阻器在电路中主要有两种连接方式：如图（甲）为滑动变阻

器的限流式接法，R为待测电阻。它的接线方式是电源、滑动变阻

X

器与待测电阻三者串联。对待测电阻供电电压的最大调节范围是：

ER

X R R

X ~E(R是待测电阻，R是滑动变阻器的总电阻，不计电源内X

阻)。如图（乙）是滑动变阻器的分压式接法。接线方式是电源与滑动变阻器组成闭合电路，而被测电路与滑动变阻器的一部分电阻并

联，该接法对待测电阻供电电压的调节范围是：0~E（不计电源内阻时）。

选取接法的原则：

①要求负载上电压或电流变化范围大，且从零开始连续可调，须用分压式接法。

②负载电阻Rx远大于滑动变阻器总电阻R时，须用分压式接法，此时若采用限流式接法对电路基本起不到调节作用。

③采用限流电路时，电路中的最小电流（电压）仍超过电流表的量程或超过用电器的额定电流（电压）时，应采用变阻器的分压式接法。

④负载电阻的阻值Rx小于滑动变阻器的总电阻R或相差不大，并且电压表、电流表示数变化不要求从零开始起调，可用限流式接法。

⑤两种电路均可使用时应优先用限流式接法，因为限流电路结构简单，总功率较小。

滑动变阻器的粗调和微调作用：

①在限流电路中，全电阻较大的变阻器起粗调作用，全电阻较小的变阻器起微调作用。

②在分压电路中，全电阻较小的变阻器起粗调作用，全电阻较大的变阻器起微调作用。

4．实物图的连接：实物图连线应掌握基本方法和注意事项。

⑴注意事项：

①连接电表应注意量程选用正确，正、负接线柱不要接错。

②各导线都应接在接线柱上，不应在导线中间出现分叉。

③对于滑动变阻器的连接，要搞清楚接入电路的是哪一部分电阻，在接线时要特别注意不能将线接到滑动触头上。

⑵基本方法：

①画出实验电路图。

②分析各元件连接方式，明确电流表与电压表的量程。

③画线连接各元件。(用铅笔画线，以便改错)连线方式应是单线连接，连线顺序应先画串联电路，再画并联电路。

一般先从电源正极开始，到电键，再到滑动变阻器等。按顺序以单线连接方式将干路中要串联的元件依次串联起来；然后连接支路将要并联的元件再并联到电路中去。连接完毕，应进行检查，检查电路也应按照连线的方法和顺序。

（二）定值电阻的测量方法

1．欧姆表测量：最直接测电阻的仪表。但是一般用欧姆表测量只能进行粗测，为下一步的测量提供一个参考依据。用欧姆表可以测量白炽灯泡的冷电阻。

2．替代法：替代法的测量思路是等效的思想，可以是利用电流等效、也可以是利用电压等效。替代法测量电阻精度高，不需要计算，方法简单，但必须有可调的标准电阻（一般给定的仪器中要有电阻箱）。

【例题】在某校开展的科技活动中，为了要测出一个未知电阻的阻

值Rx，现有如下器材：读数不准的电流表A、定值电阻R

、电阻

箱R

1、滑动变阻器R

2

、单刀单掷开关S

1

、

单刀双掷开关S

2

、电源和导线。

⑴画出实验电路图，并在图上标出你所选用器材的代码。

⑵写出主要的实验操作步骤。

【解析】⑴实验电路如右图所示。

⑵①将S

2与Rx相接，记下电流表指针所指位置。②将S

2

与R

1

相

接，保持R

2不变，调节R

1

的阻值，使电流表的指针指在原位置上，

记下R

1的值，则Rx＝R

1

。

3．伏安法：伏安法的测量依据是欧姆定律（包括部分电路欧姆定律和全电路欧姆定律），需要的基本测量仪器是电压表和电流表，当只有一个电表（或给定的电表不能满足要求时），可以用标准电阻（电阻箱或一个定值电阻）代替；当电表的内阻已知时，根据欧姆定律I=U/R电压表同时可以当电流表使用，同样电流表也可以当电压表用。

4．伏安法拓展：某些问题中，因实验器材不具备（缺电流表或电压表），或因实验条件限制，或因实验精度不允许而不能用“伏安法”。

这时我们就得依据问题的具体条件和要求重新选择实验原理，用“伏安法”的替代形式——“比较法”来设计实验方案。

⑴利用已知内阻的电压表:利用“伏伏”法测定值电阻的阻值

【例题】用以下器材测量一待测电阻Rx的阻值（900～1000Ω）：电源E，具有一定内阻，电动势约为9.0V；

电压表V

1，量程为1.5V，内阻r

1

＝750Ω；

电压表V

2，量程为5V，内阻r

2

＝2500Ω；

滑动变阻器R，最大阻值约为100Ω；

1 2

单刀单掷开关 K ，导线若干。

测量中要求电压表的读数不小于其量程的 1/3，试画出测量电阻 Rx 的一种实验电路原理图。 【解析】如图所示

⑵利用已知内阻的电流表：利用“安安”法测定值电阻的阻值

【例题】用以下器材测量一待测电阻的阻值。器材（代号）与规格 如下：

电流表 A （量程 250mA,内阻 r 1 为 5Ω)；标准电流表 A （量程 300mA,

内阻 r 2 约为 5Ω）；

待测电阻 R 1（阻值约为 100Ω）；滑动变阻器 R 2（最大阻值 10Ω）；

电源 E （电动势约为 10V ，内阻 r 约为 1Ω）；单刀单掷开关 S ，导

线若干。

⑴要求方法简捷，并能测多组数据，画出实验电路原理图，并标明 每个器材的代号.

⑵需要直接测量的物理量是_______,用测的量表示待测电阻 R 1 的

计算公式是 R 1＝________。

【解析】⑴实验电路图如图所示。

⑵两电流表 A 1、 A 2 的读数为 I 1、 I 2 和 电 流 表

电流，因此，电流表应选 A 1。又因为 P =

U

2

,所以U = 5V

U = 7.1V 。

R

A 1 的内阻为 r 1，待测电阻 R 1 的阻值的计算公式是： R 1 =

I 1 r

I - I 1

2 1

⑶电压表、电流表混合用

【例题】有一电阻 R x ，其阻值在 100～200Ω 之间，额定功率为

0.25W 。要用伏安法较准确地测量它的阻值，实验器材有：

安培表 A 1，量程为 50mA ，RA 1=100Ω

安培表 A 2，量程为 1A ，RA 2=20Ω

电压表 V 1，量程为 5V ，RV 1=10kΩ

电压表 V 2，量程为 15V ， RV 2=30kΩ 变阻器 R 1，变阻范围 0～20Ω ，2A 变阻器 R 2，变阻范围 0～1000Ω，1A

9V 电源，电键，导线。

⑴实验中应选用的电流表、电压表、变阻器分别 是：

。

⑵画出所用实验电路图。

【解析】⑴允许通过电阻中电流可能的最大值由：

P = I 2R 得，

I = 35mA I = 50mA 。因为电阻可能为 200Ω，所以通过被测电阻的

1 2

电流的最大值可能是 35mA ，应用电流表的示数来控制通过电阻的

1 2

因为电阻可能为 100Ω，所以允许加在电阻两端的电压的最大值可

能是 5V ，应用电压表的示数来控制加在电阻两端

的电压，因此电压表应选 V 1。因为 R 1＜ R 2,且 2A ＞35mA, 所以应

选变阻器 R 1。因为 R 1＜R x 所以滑动变阻器连接方式应选用分压电

路。因为 R < R R , 所以应选用外接电路。

x

A V

⑵实验所用电路如图所示

【变式题】（2006 年广东）某同学设计了一个如图甲所示的实验电

路，用以测定电源电动势和内阻，使用的实验器材为：待测干电池

组（电动势约 3 V ）、电流表（量程 0.6 A ，内阻小于 1 Ω）、电阻箱

（0～99.99 Ω）、滑动变阻器（0～10 Ω）、单刀双掷开关、单刀单

掷开关各一个及导线若干。考虑到干电池的内阻较小，电流表的内

阻不能忽略。

⑴该同学按图甲连线，通过控制开关状态，测得电流表内阻约为

0.20

Ω 。 试 分 析 该 测 量 产 生 误 差 的 原 因 是

_________________________________________。

⑵简要写出利用图甲所示电路测量电源电动势和内阻的实验步骤：

①

_________________________________________________________

____________

；

②

_________________________________________________________

_____________ ；

⑶图乙是由实验数据绘出的 1

R 图象，由此求出待测干电池组的电

I

动势 E ＝______V 、内阻

r ＝______ Ω。（计算结果保留三位有效数字）

1 I

C D S

R

K

R A A

1 I

/A －

AP

E r

图甲

B

R /Ω

图乙

【解析】由测定电源电动势和内阻实验的原理知，此种接法出现误

差的原因是电流表的分压作用。而 R = r + r ， 1 - R 图线的斜率表示

安

电源电动势的倒数，据此得出电动势 E ＝2.81V, 内 阻

r ＝2.33Ω。若不能正确理解 1 - R 图象的物理意义，则无法得出正

I

确的答案。因此对于实验中处理数据的图像的意义，一定要分析清

楚。

【答案】⑴并联电阻箱后线路总阻值减小，从而造成总电流增大

⑵ ①调节电阻箱R ，断开开关K ，将开关 S 接 D ，记录电

阻箱的阻值和电流表示数；

②断开开关 D ，再次调节电阻箱R ，将开关 S 接 D ，记

录电阻箱的阻值和电流表示数

⑶ 2.81、2.33

（三）电表内阻的测量方法

1．互测法：

⑴电流表、电压表各一只，可以测量它们的内阻：

V

A

V A

⑵两只同种电表，若知道一只的内阻，就可以测另一只的内阻：

A

2

A 1V

1

V

2

⑶两只同种电表内阻都未知，则需要一只电阻箱才能测定电表的内阻：

R V

1R

A 1A

2

V

2

2．替代法：

R 2

S

A R

2

S

V

A

11V11

3．半偏法：

A V R

2

R 2S

2

R

1

R

1

S

1

S

（R

1?R

2

）（R

1

?R

2

）

2

V

S

1

4.闭合电路欧姆定律计算法：(不计电源内阻)

【例题 1】（2000 年全国）从下表中选出适当的实验器材，设计一

电路来测量电流表 A 1 的内阻 r 1，要求方法简捷，有尽可能高的测

量精度，并能测得多组数据。

⑴在虚线方框中画出电路图，标明所用器材的代号。

器材（代号）

规 格

电流表（A 1） 量程 10mA ，内阻 r 1 待测（约

40Ω）

电流表（A 2） 量程 500μA ，内阻 r 2=750Ω

电压表（V ） 量程 10V ，内阻 r 3=10Ω

电阻（R 1）

阻值约 100Ω，作保护电阻用

滑 动 变 阻 器 总阻值约 50Ω （R ）

电池（E ）

电动势 1.5V ，内阻很小

导线若干，电

键K

⑵ 若 选 测 量 数 据 中 的 一 组 来 计 算 r 1 ， 则 所 用 的 表 达 式 为

r 1=____________，式中各符号的意义是____________。

【解析】⑴如图所示。

2

r ，I 1 【例题 2】（2006 年全国Ⅰ、Ⅲ）现要测量某一电压表

的内阻。

⑵ r

1

I I 1

2 表示通过电流表 A 1 的电流，I 2 表示通过电流表 A 2 的

电流，

r 2 表示电流表 A 2 的内阻。

【备考提示】在很多情况下，电压表和电流表（已知内阻）的功用

可以互换。有时利用一块电表配合定值电阻也可以完成功能的互 换。实际上就是部分电路欧姆定律的变形运用。在处理时，一定要

明确原理，灵活运用。

V

V

mA

给定的器材有：待测电压表

（量程 2V ，内阻约 4kΩ）；电流表

（量程 1.2mA ，内阻约 500Ω）；直流电源 E （电动势约 2.4V ，内

阻不计）；固定电阻 3 个：R 1=4000Ω，R 2=10000Ω，R 3=15000Ω；

电键 S 及导线若干。要求测量时两电表指针偏转均超过其量程的一

半。

⑴试从 3 个固定电阻中选用 1 个，与其它器材一起组成测量电路，

并在虚线框内画出测量电路的原理图。（要求电路中各器材用题中

给定的符号标出。）

⑵电路接通后，若电压

V

mA

表读数为 U ，电流表读数

为 I ，则电压表内阻

R V

=_________。

R 1

S

E

【解析】⑴实验电路如图所示，若选用电阻 R 1，则并联电阻 R 并＝

·R ＝ ×2000＝1.92＞1V ，电流表读数 I ＝

R + r 2000 + 500

⑵电路接通后，通过 R 1 的电流 I 1＝ U ，则通过电压表的电流为 I 2

＝I －I 1＝I － U ，所以电压表的内阻 R V ＝ U ＝ RU

现有器材：直流电源 E （电动势 4.5V ，内阻不计），电压表

（量

2000Ω，电压表读数

U ＝ 并 mA

E 2.4 并

E

R ＋r

并

mA

＝

2.4

2000 + 500

＝0.00096A ＝0.96mA ＞0.6mA ，R 1 符合要求，

同理可得 R 2、R 3 不符合要求，故选 R 1。

R

1

R

I

R I －U

1

2

1

【备考提示】本题涉及实验器材选取和电路设计等，对考生的分析

综合能力提出了较高要求，解答此类试题必须根据测量要求和所提

供的器材，由仪表的选择原则和基本规律为分析的入手点。

【变式题】

1．（2006 年全国Ⅱ）现要测定一个额定电压 4V 、额定功率 1.6W 的

小灯泡（图中用○× 表示）的伏安特性曲线。要求所测电压范围为

0.1V ～4V 。

V

A 1

A 2

程 4.5V ，内阻约为 4×104Ω），电流表

（量程 250mA ，内阻约为

2Ω），电流表 （量程 500mA ，内阻约为 1Ω），滑动变阻器 R （最

大阻值约为 30Ω），电键 S ，导线若干。

如果既要满足测量要求，又要测量误差较小，应该选用的电流表 是

，下面两个电路应该选用的是

。

【解析】在测量小灯泡的伏安曲线时，

由于题目要求电压范围为 0.1V ～4V ，因

A 2

此滑动变阻器采用分压式接法。根据估算通过小灯泡的额定电流为I=0.4A，因此电流表应该选用。在伏安法测量过程中，由于临界电阻R=R R=200Ω大于小灯泡电阻，因此应该选择电流表外

A V

接法即选择甲电路进行测量。

2．（2006年北京）某同学用如图所示电路，测绘标有

“3.8V,0.3V”的小灯泡的灯丝电阻R随电压U变化的

图象。

①除了导线和开关外，有以下一些器材可供选择：

电流表：A

(量程100mA,内阻约2Ω)

1

(量程0.6A,内阻约0.3Ω)

A

2

(量程5V,内阻约5Ω)

电压表：V

1

V

(量程15V,内阻约15Ω)

2

(电动势为1.5V，内阻为0.2Ω)

电源：E

1

(电动势为4V，内阻约为0.04Ω)

E

2

为了调节方便，测量准确，实验中应选用电流表___________，电压表______________，滑动变阻器________________，电源___________________。(填器材的符号)

②根据实验数据，计算并描绘出R-U的图象如图所示。由图象可知，此灯泡在不工作时，灯丝电阻为___________；当所加电压为3.00V 时，灯丝电阻为____________，灯泡实际消耗的电功率为___________W。

③根据R-U图象，可确定小灯泡耗电功率P与外加电压U的关系，符合该关系的示意图是下列图中的__________。

A B C D 【解析】①对器材的选用应以安全、实用为原则。小灯泡的额定电

压和额定电流分别为3.8V和0.3A，故电压表应选V

1，电流表A

2

；

由于是分压接法，故滑动变阻器应选R

1，便于调节，电源应选E

2

。

②由图象可看出：U＝0时，小灯泡不工作，对应电阻为1.5Ω，当U＝3.0V时，对应的电阻为11.5Ω。此时，灯泡实际消耗的功率P

＝U2/R＝0.78W。③由R－U图线可看出，随U的增大，电阻的变化越来越小，而P＝U2/R，随U的变化，功率P的变化将更加明显，故选A。

（四）一类借助图像法处理的上海实验试题

近几年的上海高考中，经常出现一类需要借助图像关系处理的

实验题，该种题目处理技巧性强，并且要求能够准确理解图像的物理意义，该类问题对于山东的命题不无导向作用，备考时也应引起足够的重视。U(V)

200

160

120

80

40

L

1

L

2

00.20.40.6

I(A)

【例题1】（2004年上海）两个额定电压

为220V的白炽灯L

1和L

2

的U–I特性曲线如图所示。L

2

的额定功

率约为W；现将L

1和L

2

串联后接在220V的电源上，电源内

阻忽略不计。此时L

2

的实际功率约为W。

【解析】99，17.5

【备考提示】本题借助于图像信息，考查了用电器功率的计算以及用电器的串并联关系，解答时充分挖掘图像信息是解答的关键所

在。同时要注意将L

1和L

2

串联后接在220V的电源上时，在图像

中的表达信息为：L

1和L

2

在某一相同电流值下，电压和为220V，

很多学生不能找出该隐含条件，从而造成第二问感到无从下手。【例题2】（2004年上海）小灯泡灯丝的电阻会随温度的升高而变大。某同学为研究这一现象，用实验得到如下数据（I和U分别表示小灯泡上的电流和电压）：

I(A)0.10.20.20.30.30.40.40.40.40.5

U (V) 2

1 9 4 8

2 5 7 9 0

U

(V )

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

⑴在左下框中画出实验电路图。 可用的器材有：电压表、电流表、

滑线变阻器（变化范围 0 — 10 Ω）、电源、小灯泡、电键、导

线若干。

⑵在右图中画出小灯泡的 U – I 曲线。

1.6

1.2

0.8

0.4

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

I (A)

⑶如果将本题中的小灯泡接在电动势是 1.5V ，内阻是 2.0 Ω 的电池

两端，小灯泡的实际功率是多少？（简要写出求解过程；若需作

图，可直接画在第⑵小题的方格图中）

【解析】⑴分压器接法（如下图所示）。⑵如下图所示。⑶作出电

源的 U ＝E －Ir 图线，该图线与小灯泡的 U – I 曲线相交于一点，由

此可得小灯泡工作电流为0.35A，工作电压为0.80V，实际功率为0.28W。

【备考提示】《研究小灯泡的伏安特性曲线》是高考考纲中规定的

学生实验，对⑴⑵两问学生在实验复习中已基本掌握，而第⑶问则对实验数据的处理进行了拓展、延伸，对小灯泡的实际功率无计算公式，只能在小灯泡的伏安特性曲线上画出电池的U—I图线，然后找出两曲线的交点，从而确定此时灯泡的工作状态，得到实际工作功率。这考查了学生对小灯泡的伏安特性曲线的理解和实验数据处理的能力。同时也要深入理解图线交点与电路工作状态的对应关系。

【变式题】I/mA

1．（2003年上海）如图所示，图1为某一热敏电阻(电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感)的I-U关系曲线50

40

30

20

10

O12345

图1

67U/V