高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)22道經(jīng)典例題及詳細(xì)分析

高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)22道經(jīng)典例題及詳細(xì)分析高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)習(xí)中的重要組成部分，它不僅能夠幫助我們深化對(duì)物理概念和規(guī)律的理解，更能培養(yǎng)我們的實(shí)驗(yàn)操作技能和科學(xué)探究能力。在高考復(fù)習(xí)中，對(duì)經(jīng)典例題的深入研究和剖析，是掌握電學(xué)實(shí)驗(yàn)精髓、提升解題能力的有效途徑。本文精選了22道高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)經(jīng)典例題，并輔以詳細(xì)的分析與解答，希望能為同學(xué)們的復(fù)習(xí)備考提供有益的參考。一、基本儀器的使用與讀數(shù)例題1：某同學(xué)用螺旋測(cè)微器測(cè)量一金屬絲的直徑，示數(shù)如圖所示。該金屬絲的直徑為多少？分析與解答：螺旋測(cè)微器的讀數(shù)方法是固定刻度讀數(shù)加上可動(dòng)刻度讀數(shù)。首先看固定刻度，露出的刻度為0.5mm（注意半毫米刻度線是否露出）。再看可動(dòng)刻度，與固定刻度基線對(duì)齊的刻度線約為48.0格（需估讀一位）。可動(dòng)刻度的分度值為0.01mm，故可動(dòng)部分讀數(shù)為48.0×0.01mm=0.480mm。因此，金屬絲直徑為0.5mm+0.480mm=0.980mm。此處需特別注意，螺旋測(cè)微器需要估讀，即使對(duì)齊刻度線，也應(yīng)在小數(shù)點(diǎn)后第三位補(bǔ)零。例題2：如圖所示為一正在測(cè)量中的多用電表表盤。（1）如果是用“×10”歐姆擋測(cè)量電阻，則讀數(shù)為多少？（2）如果是用直流“10V”擋測(cè)量電壓，則讀數(shù)為多少？分析與解答：（1）歐姆表讀數(shù)：先讀取表盤刻度值，再乘以倍率。表盤刻度線不均勻，歐姆擋的讀數(shù)應(yīng)讀最上面的歐姆刻度線。指針指示刻度約為15，倍率為“×10”，故電阻讀數(shù)為15×10Ω=150Ω。注意，歐姆表測(cè)量前需進(jìn)行歐姆調(diào)零，測(cè)量時(shí)手不能接觸表筆金屬部分。（2）直流10V擋測(cè)量電壓：應(yīng)讀取中間的直流電壓/電流刻度線（通常是第二行刻度）。10V擋的量程為0-10V，表盤上該刻度線共分為50小格，每小格代表0.2V。指針指示約為25.0小格（需估讀），故電壓讀數(shù)為25.0×0.2V=5.00V。二、電阻的測(cè)量例題3：欲用伏安法測(cè)量一個(gè)阻值約為5Ω的定值電阻Rx，實(shí)驗(yàn)室提供的器材有：電源E：電動(dòng)勢(shì)約為6V，內(nèi)阻不計(jì)；電流表A1：量程0-0.6A，內(nèi)阻約為0.1Ω；電流表A2：量程0-3A，內(nèi)阻約為0.02Ω；電壓表V1：量程0-3V，內(nèi)阻約為3kΩ；電壓表V2：量程0-15V，內(nèi)阻約為15kΩ；滑動(dòng)變阻器R：最大阻值10Ω，額定電流1A；開關(guān)S，導(dǎo)線若干。（1）為了盡可能減小測(cè)量誤差，應(yīng)選擇的電流表是______，電壓表是______。（2）應(yīng)采用電流表______（填“內(nèi)接法”或“外接法”）。分析與解答：（1）器材選擇首先考慮安全性和準(zhǔn)確性。電源電動(dòng)勢(shì)為6V，若選用電壓表V2（15V），指針偏轉(zhuǎn)會(huì)較小，測(cè)量誤差大，故優(yōu)先選用V1（3V）。根據(jù)歐姆定律，通過Rx的最大電流約為I=U/Rx=3V/5Ω=0.6A，因此電流表應(yīng)選用A1（0-0.6A），既能滿足量程要求，又能使指針有較大偏轉(zhuǎn)，讀數(shù)更準(zhǔn)確。（2）電流表內(nèi)外接法的選擇依據(jù)是比較Rx與√(RARV)的大小關(guān)系，或比較Rx/RA與RV/Rx的大小。Rx約5Ω，RA1約0.1Ω，RV1約3kΩ。Rx/RA1=5/0.1=50，RV1/Rx=3000/5=600。因?yàn)镽x/RA1<RV1/Rx，即Rx更接近RA，說明電壓表分流作用引起的誤差比電流表分壓作用引起的誤差小，故應(yīng)采用電流表外接法。例題4：在“伏安法測(cè)電阻”實(shí)驗(yàn)中，若采用如圖所示的電路圖（滑動(dòng)變阻器采用分壓式接法），試分析該電路的優(yōu)點(diǎn)，并說明在什么情況下優(yōu)先采用分壓式接法。分析與解答：圖示電路為滑動(dòng)變阻器的分壓式接法。其優(yōu)點(diǎn)是：待測(cè)電阻Rx兩端的電壓可以從0開始連續(xù)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍廣，便于精確測(cè)量多組數(shù)據(jù)。優(yōu)先采用分壓式接法的情況通常有：1.要求待測(cè)電阻兩端電壓（或通過的電流）從零開始連續(xù)變化。2.待測(cè)電阻的阻值遠(yuǎn)大于滑動(dòng)變阻器的最大阻值，采用限流式接法時(shí)，滑動(dòng)變阻器對(duì)電路電流的調(diào)節(jié)作用不明顯。3.實(shí)驗(yàn)要求測(cè)量多組數(shù)據(jù)，且電壓（或電流）變化范圍較大。本題中，若滑動(dòng)變阻器最大阻值與Rx相近或更大，在不要求電壓從零開始的情況下，也可考慮限流式接法以節(jié)約能源，但分壓式接法的調(diào)節(jié)優(yōu)勢(shì)明顯。例題5：某同學(xué)用伏安法測(cè)電阻時(shí)，誤將電流表和電壓表的位置接反了（假設(shè)電壓表內(nèi)阻很大，電流表內(nèi)阻很小），若閉合開關(guān)，可能出現(xiàn)什么現(xiàn)象？分析與解答：若電流表和電壓表位置接反，則電壓表串聯(lián)接入電路，電流表與Rx并聯(lián)。由于電壓表內(nèi)阻很大，根據(jù)歐姆定律，電路總電阻非常大，導(dǎo)致電路中的總電流極小。因此，電流表指針幾乎不偏轉(zhuǎn)。此時(shí)，電壓表測(cè)量的是電源電動(dòng)勢(shì)（因?yàn)殡娐分须娏鲙缀鯙榱悖渌謮嚎珊雎裕孰妷罕碇羔樋赡軙?huì)滿偏（若電源電動(dòng)勢(shì)超過電壓表量程，則可能損壞電壓表）。這種情況下，由于電流很小，一般不會(huì)損壞電流表，但電壓表有超量程損壞的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)立即斷開開關(guān)。例題6：現(xiàn)有一阻值約為1000Ω的電阻Rx，欲較精確地測(cè)量其阻值，實(shí)驗(yàn)室提供有電流表（量程0-1mA，內(nèi)阻約200Ω）和電壓表（量程0-3V，內(nèi)阻約10kΩ）。應(yīng)采用電流表內(nèi)接法還是外接法？并說明理由。分析與解答：已知Rx≈1000Ω，RA≈200Ω，RV≈10kΩ=____Ω。判斷方法一（比值法）：Rx/RA=1000/200=5；RV/Rx=____/1000=10。因?yàn)镽x/RA<RV/Rx，說明Rx的阻值更接近RA，電壓表的分流作用相對(duì)較小？不，此處需要仔細(xì)辨析。實(shí)際上，當(dāng)Rx較小時(shí)，電壓表分流明顯，用外接法；Rx較大時(shí)，電流表分壓明顯，用內(nèi)接法。更準(zhǔn)確的是比較“待測(cè)電阻與電流表內(nèi)阻的乘積”和“待測(cè)電阻與電壓表內(nèi)阻的乘積”的平方根，即比較Rx與√(RARV)。√(RARV)=√(200×____)=√(2×10^6)≈1414Ω。Rx（1000Ω）小于√(RARV)（約1414Ω），理論上應(yīng)采用外接法？但此處Rx為1000Ω，RV為____Ω，RV/Rx=10，即電壓表分流約為總電流的1/11，而Rx/RA=5，電流表分壓約為總電壓的1/6。顯然，電流表分壓帶來的誤差（約16.7%）比電壓表分流帶來的誤差（約9.1%）更大。因此，為了減小誤差，應(yīng)采用電流表外接法。此時(shí)，電壓表分流誤差相對(duì)較小。三、電源電動(dòng)勢(shì)與內(nèi)阻的測(cè)量例題7：某同學(xué)利用如圖所示的電路（即伏安法）測(cè)量一節(jié)干電池的電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)阻r。圖中V為電壓表，A為電流表，R為滑動(dòng)變阻器，S為開關(guān)。（1）請(qǐng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理寫出E和r的表達(dá)式（用所測(cè)物理量表示）。（2）由于電表內(nèi)阻的影響，該實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電動(dòng)勢(shì)E測(cè)和內(nèi)阻r測(cè)與真實(shí)值E真和r真相比，有何偏差？分析與解答：（1）根據(jù)閉合電路歐姆定律E=U+Ir，其中U為路端電壓（電壓表讀數(shù)），I為干路電流（電流表讀數(shù)）。通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，改變外電路電阻，可得到多組U、I值。聯(lián)立任意兩組數(shù)據(jù)：E=U1+I1rE=U2+I2r解得：E=(U1I2-U2I1)/(I2-I1)，r=(U1-U2)/(I2-I1)。通常也采用圖像法處理數(shù)據(jù)，作U-I圖像，圖像與縱軸交點(diǎn)的縱坐標(biāo)即為E，圖像斜率的絕對(duì)值即為r。（2）此電路中，電流表測(cè)量的是通過滑動(dòng)變阻器的電流I，但由于電壓表內(nèi)阻并非無窮大，通過電壓表也有電流IV=U/RV。因此，干路總電流I總=I+IV=I+U/RV。閉合電路歐姆定律的真實(shí)表達(dá)式為E真=U+I總r真=U+(I+U/RV)r真。整理得：U=E真/(1+r真/RV)-Ir真/(1+r真/RV)。與實(shí)驗(yàn)表達(dá)式U=E測(cè)-Ir測(cè)對(duì)比可知，E測(cè)=E真/(1+r真/RV)<E真，r測(cè)=r真/(1+r真/RV)<r真。即測(cè)得的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻均小于真實(shí)值。例題8：若將上題中的電路改為電流表外接（即電壓表并聯(lián)在電源兩端，電流表串聯(lián)在干路中，測(cè)量通過電源的電流），但考慮電流表內(nèi)阻RA的影響，則測(cè)得的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻又會(huì)有何偏差？分析與解答：此時(shí)，電壓表測(cè)量的是路端電壓U，但電流表內(nèi)阻RA會(huì)分得一部分電壓IRA。因此，電源兩端的真實(shí)路端電壓U真=U+IRA。閉合電路歐姆定律的真實(shí)表達(dá)式為E真=U真+Ir真=U+IRA+Ir真=U+I(r真+RA)。實(shí)驗(yàn)表達(dá)式為U=E測(cè)-Ir測(cè)。對(duì)比可知，E測(cè)=E真，r測(cè)=r真+RA>r真。即測(cè)得的電動(dòng)勢(shì)等于真實(shí)值，測(cè)得的內(nèi)阻大于真實(shí)值（等于真實(shí)內(nèi)阻與電流表內(nèi)阻之和）。例題9：在“測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻”的實(shí)驗(yàn)中，為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，除了選擇合適的電路和進(jìn)行多次測(cè)量取平均值外，在數(shù)據(jù)處理時(shí)采用U-I圖像法有何優(yōu)勢(shì)？在作圖時(shí)應(yīng)注意哪些事項(xiàng)？分析與解答：U-I圖像法的優(yōu)勢(shì)在于：1.可以直觀地反映U與I的線性關(guān)系，便于發(fā)現(xiàn)和剔除偶然誤差較大的數(shù)據(jù)點(diǎn)（即“壞點(diǎn)”）。2.通過圖像的斜率和截距求解E和r，可以減小單次測(cè)量誤差對(duì)結(jié)果的影響，使結(jié)果更接近真實(shí)值。作圖時(shí)應(yīng)注意：1.坐標(biāo)軸的標(biāo)度要合理，應(yīng)使圖像盡可能占據(jù)坐標(biāo)紙的大部分空間，避免圖像過小或過大。坐標(biāo)軸必須標(biāo)明物理量及其單位。2.描點(diǎn)時(shí)，要用規(guī)范的符號(hào)（如“×”或“·”），不能用“√”等不規(guī)范符號(hào)。3.連線時(shí)，應(yīng)使盡可能多的點(diǎn)分布在直線上，不在直線上的點(diǎn)應(yīng)均勻分布在直線兩側(cè)，偏離直線過遠(yuǎn)的點(diǎn)應(yīng)舍去并分析原因。4.求斜率時(shí)，應(yīng)選取直線上相距較遠(yuǎn)的兩個(gè)點(diǎn)（最好是橫縱坐標(biāo)均為整數(shù)的點(diǎn)，且不一定是所測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)），利用ΔU和ΔI計(jì)算，以減小誤差。四、多用電表的使用例題10：用多用電表探測(cè)一個(gè)未知電學(xué)元件的性質(zhì)，當(dāng)選擇開關(guān)置于“×100”歐姆擋時(shí)，指針偏轉(zhuǎn)角度很小。為了使測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確，下一步應(yīng)該如何操作？分析與解答：歐姆表指針偏轉(zhuǎn)角度很小，說明指針指示的刻度值很大，即當(dāng)前倍率下，待測(cè)電阻的阻值遠(yuǎn)大于該倍率下的中值電阻，流過表頭的電流太小。為了使指針指在中值電阻附近（刻度盤的中間區(qū)域，讀數(shù)更精確），應(yīng)增大倍率。因此，應(yīng)將選擇開關(guān)置于“×1k”歐姆擋，然后重新進(jìn)行歐姆調(diào)零（將兩表筆短接，調(diào)節(jié)歐姆調(diào)零旋鈕，使指針指到歐姆刻度線的0刻度處），之后再進(jìn)行測(cè)量。例題11：用多用電表的直流電壓擋檢查一個(gè)由電池、電阻和二極管組成的簡單電路故障。已知二極管具有單向?qū)щ娦裕ㄕ螂娮韬苄。聪螂娮韬艽螅＃?）若將紅表筆接二極管正極，黑表筆接二極管負(fù)極時(shí)，電壓表示數(shù)約為0；反向連接時(shí)，電壓表示數(shù)接近電源電動(dòng)勢(shì)。則該二極管可能處于什么狀態(tài)？（2）若無論正反向連接，電壓表示數(shù)都接近電源電動(dòng)勢(shì)，則可能的故障是什么？分析與解答：多用電表測(cè)量電壓時(shí)，紅表筆應(yīng)接高電勢(shì)點(diǎn)，黑表筆接低電勢(shì)點(diǎn)（內(nèi)部電源的正極接黑表筆，負(fù)極接紅表筆）。（1）正向連接時(shí)（紅接正，黑接負(fù)），二極管應(yīng)導(dǎo)通，其正向電阻很小，此時(shí)二極管兩端電壓降很小，故電壓表示數(shù)約為0，這是正常現(xiàn)象。反向連接時(shí)，二極管截止，其反向電阻很大，相當(dāng)于斷路，此時(shí)電壓表測(cè)量的是電源電動(dòng)勢(shì)，示數(shù)接近電源電動(dòng)勢(shì)，這也符合二極管的單向?qū)щ娞匦浴Ｒ虼耍摱O管是完好的。（2）無論正反向連接，電壓表示數(shù)都接近電源電動(dòng)勢(shì)，說明二極管兩端始終有較大電壓降，即流過二極管的電流始終很小，二極管始終處于截止?fàn)顟B(tài)。可能的原因是二極管斷路（內(nèi)部斷開），或者二極管正負(fù)極接反且電路中其他部分正常（但題目中已嘗試正反向連接，故更可能是二極管斷路）。五、其他重要電學(xué)實(shí)驗(yàn)例題12：在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”實(shí)驗(yàn)中，小燈泡的規(guī)格為“2.5V0.3A”。（1）實(shí)驗(yàn)中滑動(dòng)變阻器應(yīng)采用何種接法？為什么？（2）實(shí)驗(yàn)得到的伏安特性曲線為什么不是一條直線？分析與解答：（1）“描繪小燈泡的伏安特性曲線”實(shí)驗(yàn)要求小燈泡兩端的電壓從0開始連續(xù)變化到額定電壓（2.5V），并測(cè)量多組數(shù)據(jù)。因此，滑動(dòng)變阻器必須采用分壓式接法。若采用限流式接法，小燈泡兩端的電壓無法從零開始調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)范圍較小，難以完整描繪出特性曲線。（2）小燈泡的燈絲是金屬材料，其電阻隨溫度的升高而增大。當(dāng)小燈泡兩端電壓增大時(shí)，通過的電流增大，燈絲的功率P=UI增大，溫度升高，電阻R=U/I也隨之增大。因此，在U-I圖像中，各點(diǎn)的斜率k=I/U=1/R，斜率會(huì)逐漸減小，故伏安特性曲線是一條向電壓軸彎曲的曲線，而非直線。例題13：在“測(cè)定金屬的電阻率”實(shí)驗(yàn)中，需要測(cè)量金屬絲的長度L、直徑d和電阻Rx。（1）用螺旋測(cè)微器測(cè)量金屬絲直徑時(shí)，為什么要在不同位置測(cè)量多次并取平均值？（2）若金屬絲的長度測(cè)量值偏大，而直徑測(cè)量值準(zhǔn)確，則計(jì)算出的電阻率ρ會(huì)______（填“偏大”、“偏小”或“不變”）。分析與解答：（1）金屬絲的直徑可能存在一定的不均勻性，在不同位置測(cè)量多次并取平均值，可以減小由于直徑不均勻而帶來的偶然誤差，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。（2）根據(jù)電阻定律R=ρL/S，其中S為金屬絲的橫截面積，S=π(d/2)^2。解得電阻率ρ=RS/L=Rπd2/(4L)。在該實(shí)驗(yàn)中，Rx通常用伏安法測(cè)得。若L測(cè)量值偏大，而R、d的測(cè)量值準(zhǔn)確，則由上式可知，計(jì)算出的電阻率ρ會(huì)偏大。例題14：某同學(xué)在做“練習(xí)使用示波器”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，將掃描范圍旋鈕置于“外X”擋，衰減調(diào)節(jié)旋鈕置于“∞”擋，Y增益旋鈕順時(shí)針旋到底，X增益旋鈕適當(dāng)調(diào)節(jié)。在Y輸入和地之間接入一個(gè)正弦交流信號(hào)。若熒光屏上只