高中物理实验：创新类实验（培优）
创新类实验（培优）1.导体或半导体材料在外力作用下产生机械形变时，其电阻值发生相应变化，这种现象称为应变电阻效应。图甲所示，用来称重的电子吊秤，就是利用了这个应变效应。电子吊秤实现称重的关键元件是拉力传感器。其工作原理是：挂钩上挂上重物，传感器中拉力敏感电阻丝在拉力作用下发生微小形变（宏观上可认为形状不变）），拉力敏感电阻丝的电阻也随着发生变化，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流）），从而完成将所称物体重量变换为电信号。
物理小组找到一根拉力敏感电阻丝RL，其阻值随拉力F变化的图象如图乙所示，小组按图丙所示电路制作了一个简易吊秤。电路中电源电动势E＝3V，内阻r＝1；灵敏毫安表量程为10mA，内阻Rg＝50；R1是可变电阻器，A、B两接线柱等高且固定。现将这根拉力敏感电阻丝套上轻质光滑绝缘环，将其两端接在A、B两接线柱之间固定不动。通过光滑绝缘滑环可将重物吊起，不计敏感电阻丝重力，现完成下列操作步骤：
步骤a.滑环下不吊重物时，闭合开关调节可变电阻R1使毫安表指针满偏；步骤b.滑环下吊上已知重力的重物G，测出电阻丝与竖直方向的夹角为；骤步骤c.保持可变电阻R1接入电路电阻不变，读出此时毫安表示数I；；骤步骤d.换用不同已知重力的重物，挂在滑环上记录每一个重力值对应的电流值；步骤e：将电流表刻度盘改装为重力刻度盘。
（（11））试写出敏感电阻丝上的拉力F与重物重力力G的关系式式F＝＝；（（22））设设R-F图象斜率为k，试写出电流表示数I与待测重物重力G的表达式I＝（用E、r、R1、Rg、R0、k、表示））；（（3））若若R-F图象中R0＝100，，k＝0.5／N，测得＝60，毫安表指针半偏，则待测重物重力力G=N；；（44）关于改装后的重力刻度盘，下列说法正确的是（）A．重力零刻度线在电流表满刻度处，刻度线均匀B．重力零刻度线在电流表
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零刻度处，刻度线均匀C．重力零刻度线在电流表满刻度处，刻度线不均匀D．重力零刻度线在电流表零刻度处，刻度线不均匀（55）若电源电动势不变，内阻变大，其他条件不变，用这台简易吊秤称重前，进行了步骤a操作；则测量结果（填偏大、偏小或不变））。
GIE【答案】】（（1））F2cos；（（2））rRRRkG；（（3））g102cos600N；；
（（4）C；；(5)不变【解析】（（11））对滑环受力分析，由平衡知识可知：2Fcos=G，解得F
（（22））由图乙可知：R=kF+R0；由丙电路可知：
G2cos；IEErRgR1RrRRRkG；g102cos（（3））将将R0
＝100，，k＝0.5／N，＝＝60，，1g，，E＝3V，，I=2I=5mAIE内阻r＝1，Rg＝50带入rRRRkG可得G=600N；；g102cos
（44）当不挂重物时，电流计满篇，则
重力零刻度线在电流表满刻度因处，因G与与I不是正比关系，则刻度线不均匀，故选C.（55）了实验前进行了a操作，则Ig
rRgER1R0，则当挂重物G时：
IErRgR1REEkG，则I不变，对实验的结果无影响，测量Ig2cos
结果不变.2.太阳能电池帆板可以给卫星、宇宙飞船提供能量。如图甲，太阳能电池在有光照时，可以将光能转化为电能，在没有光照时，可以视为一个电动势为零的电学器件。
探究一：实验小组用测绘小灯泡伏安特性曲线的实验方法，用图乙电
路探究太阳能电池被不透光黑纸包住时的I-U特性曲线。
(1)图乙中虚线处（填需要、不需要）连接导线：滑动变阻器如图丙所示，开关闭合前，滑片应移至（填A、B）端。
2
(2)通过实验，在图上作出被黑纸包住的太阳能电池的的I-U特性曲线如图，，将其与一个电动势为3V（（内阻忽略不计））的电源和阻值为5k的定值电阻串联在一起，，它消耗的电功率约为W（（结果保留两位有效数字）探究二：在稳定光照环境中，取下太阳能电池外黑纸，并按图丁电路丁测量金属丝的电阻率。
(3)该小组用螺旋测微器测量金属丝直径时读数如图戊所示，其直径为mm(4)实验中测得电压表示数为为U，，电流表示数I，，金属丝直径为为D、、长度为l,则金属丝电阻率为（用上述测量量表示））。
(5)考虑电压表与电流表内阻对测量结果的影响，金属丝电阻的测量值（填大于、等于、小于）真实值。
【答案】】需要A4.210-4W（3.810-44.610-4都行）0.790D2U小于4LI【解析】（（1））为了使电压调节范围尽量大，滑动变阻器应采用分压式接法，则图乙中虚线处需要连接导线；实验前应使待测元件的分压为零，滑片应移至A端。
（（2）将其与一个电动势为3V（内阻忽略不计））的电源和阻值为5k的定值电阻串联在一起时，可等效为将其接在电动势为3V、内阻为5k的电源上，将等效电源的IU图象画在元件的IU图象上，交点处电压与电流的乘积即为它消耗的电功率（如图）），即I=210uA，U=1.9V，则P=IU=4.010-4W。
。
（（3）螺旋测微器测量金属丝直径为：0.5mm+0.01mm29.0=0.790mm；；R
lRU
D2U（44）由电阻定律s，以及I,可得=。
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4LI（55）由于电压表的分流作用，使得电阻上电流的测量值偏大，则电阻测量值偏小.3.举世瞩目的嫦娥四号，其能源供给方式实现了新的科技突破：它采用同位素温差发电与热电综合利用技术结合的方式供能，也就是用航天器两面太阳翼收集的太阳能和月球车上的同位素热源两种能源供给探测器。图甲中探测器两侧张开的是光伏发电板，光伏发电板在外太空将光能转化为电能。
某同学利用图乙所示电路探究某光伏电池的路端电压U与电流I的的关系，图中定值电阻R0=5，设相同光照强度下光伏电池的电动势不变，电压表、电流表均可视为理想电表。
（11）实验一：用一定强度的光照射该电池，闭合电键键S，调节滑动变阻器R的阻值，通过测量得到该电池的U﹣I曲线a（（如图丁））。
由此可知，该电源内阻是否为常数（填是或否）），某时刻电压表示数如图丙所示，读数为V，，由图像可知，此时电源内阻为。
实验二：减小实验一光照的强度，重复实验，测得U-I曲线b（（如图丁））。
（22）在实验一中当滑动变阻器的电阻为某值时路端电压为2.5V，则在实验二中滑动变阻器仍为该值时，滑动变阻器消耗的电功率为W（计算结果保留两位有效数字））。
【答案】】否1.505.67.210-2（（7.010-2-7.410-2均算正确）
【解析】（（1）由U-I图像可知，因图像的斜率等于电源的内阻，可知电源内阻不是常数；电压表的量程为3.0V，则读数为1.50V；由图中读出，此时电路中的电流为250mA，
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因电源的电动势为E=2.9V，可得此时电源的内阻rEU2.901.505.6；I0.25
（（2））在实验一中当滑动变阻器的电阻为某值时路端电压为2.5V，可得此时的电流为100mA，则滑动变阻器的阻值为：
RUR2.5520；则在实验二中滑动变阻器仍为该值时，此时I00.1外电路
电阻为R外=R+R0=25，将此电阻的U-I线画在此电源的U-I图图像中，如图；直线与b的交点为电路的工作点，此时I=60mA，则滑动变阻器消耗的电功率为PI2R0.06220W
7.2102W.4.在用DIS测电源的电动势和内阻的实验中，将待
测电池组、滑动变阻器、电流传感器、电压传感器、定值电阻、电键及若干导线连接成如图(甲)阻所示的电路，定值电阻约为3。
(1)图(甲)所示的电路中有一处连接错误，连接错误的导线是是:(填写导线的字母代号）
(2)现有两种规格的滑动变阻器:(A)1000，0.1A;(B)10，2.0A。
。实验中应选用(填写变阻器前的字母)。
。
(3)某同学按照图(乙)所示的电路进行连接，，误将电压传感器的正负极接反，但他尚未发现，继续后面的操作。将变阻器的滑动头P移移到左端，闭合电键，对电压传感器和电流传感器进行调零。
将滑动头P逐渐向右侧移动，测出相应的电压、电流，由电脑绘出的伏安特性曲线应为（）【答案】dBB【解析】(1)[1]d线接错,滑动变阻器接线要求接在接线柱上,不能连接在
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滑片上上,故d导线连接错误;(2)[2]A滑动变阻器最大阻值太大,电流较小,不方便调节,也不方便电流的测量,故滑动变阻器选B;
rRR(3)[3]将变阻器的滑动头P移到左端,闭合电键,对电压传感器和电流传感器进行调零此时电路中电流最小,值为I0ErRR0以这个电流作为伏安特性曲线中电流的0点点此时电压传感器的值反向最大,为为U0
I0RR0
I0rE,以这个电压作为伏
E0将要增
安特性曲线中电压的0点点将滑动头头P逐渐向右侧移动,则R将要减小,I大;而电压传感器示数U
(EIr)
IrE,I增大,则Ir将增大,IrE将要增大,即电压传感器
的值在增大,且成线性关系故I0时时,U就在调零后的起始位置,故故B正确，ACD错误。5．实验室中有热敏电阻Rt、电炉丝、电磁继电器、电源E（3.6V，，内阻不计））、电阻箱R0（0～999.9））、开关K和导线若干，某同学设计了如图1所示的温控电路，当通过电磁继电器线圈的电流达到20mA时，衔铁被吸合，电炉丝停止加热；当通过继电器线圈的电流降到18mA时，衔铁与继电器分开，电炉丝通电加热，图2为热敏电阻阻Rt的阻值与温度t的关系,
第10页，总12页该同学主要实验过程如下，完成下列填空：
（11）用多用电表的欧姆1档测继电器线圈的电阻时，主要步骤如下：
a.将选择开关旋至1档，短接两表笔，调节欧姆调零旋钮，使指针指在欧姆档0刻度b.调节多用电表的指针定位螺丝，使指针指在直流电流0刻度c．将多用电表的选择开关旋至OFFd．将两表笔直接连到图1中的1、4两点，读出欧姆表的示数即继电器线圈的电阻值以上步骤中存在错误的一项是。
。
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改正后正确的步骤顺序为。
（填步骤前的字母）（22）已知继电器线圈的电阻为25.0．该同学讲电阻箱的阻值调为75.0，则该温控器的温度控制范围在之间；若要提高控制的温度，则需要将电阻箱的阻值（选填调大或调小）（33）正确设计电路后闭合K，发现电炉丝发热，Rt温度一直升高但继电器并不吸合。将多用电表选择开关旋至直流电压10V档，将表笔分别接到图1中1、2、3、4各点进行故障排查，现象如下表，则可知表笔位置1、23、23、44、1电表示数3.60V3.60V00
第11页，总12页R+rA.关开关K断路B.电阻箱断路C.阻热敏电阻Rt短路D.电磁继电器线圈短路【答案】】（（1）dbadc（（2）50℃~60℃℃；调大（（3）B【解析】（11）由于欧姆表不能直接测量带电源的电路，应该断开开关后再放到到1.4直接测量继电器的电阻，所以上述步骤中的d有错误，欧姆表的正确的操作步骤是badc当通过电磁继电器线圈的电流达到20mA时，衔铁被吸合，电炉丝停止加热；当通过继电器线圈的电流降到18mA时，所以回路中的电流取值范围是18mA20mA，当继电器线圈的电阻为25.0。
电阻箱的阻值调为75.0，利用闭合电路欧姆定律I围为80
E可解得此时热敏电阻的取值范
100，结合图像可知温度的取值范围为为50℃~60℃℃，若要提高控制的温
度，即热敏电阻的变小，则需要将电阻箱的阻值调大，保持回路中电流的取值范围不变。
（22）从图中可以看出电表在测量变阻箱时的电压为电源电动势，所以回路中应该出现了变阻箱断路这样的故障，所以
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