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例题精讲 · 第 00185 题 · 自编数据两题·把非线性关系「拉直」再读斜率和截距

测电源电动势与内阻,常规是伏安法作 U–I 图;若手边缺电压表或缺电流表,就得改用安阻法(电流表+电阻箱)或伏阻法(电压表+电阻箱),并把公式变形为线性形式再读图。本文用一组自编示意数据,完整示范 1/I–R 与 1/U–1/R 两种线性化的推导、斜率截距的物理意义、E 与 r 的求解,以及两类接法的系统误差方向。每题给规范作答、采分点与易错点,附两种方法的对照表。数据为自编示意,全部经公式回代验证。

00185题号全 1000 篇 · 第 第31轮 / 第31册 轮
方向物理·实验六向之一
题型自编仿真题逐题精讲 · 采分点拆解

题目性质:自编仿真题——题目、材料、选项、数据与情境均为按课程标准与联招常见考点独立编写的原创仿真题,非真题原文,未取自任何题库、教辅或试卷;解析与采分点为教研整理,非官方评分标准。

例题精讲 · 物理实验

一、考点定位与做题顺序

实验题里「换器材」考的是同一件事:能不能把原始公式整理成 y = kx + b 的形式。原始关系往往不是线性的,但只要把适当的量取倒数,横纵轴一换,斜率和截距就各自对应一个待测量。

两条主线先写清:安阻法(电流表+电阻箱,无电压表)由 E = I(R + r) 得 1/I = R/E + r/E;伏阻法(电压表+电阻箱,无电流表)由 U = ER/(R+r) 得 1/U = 1/E + (r/E)·(1/R)。注意两式的斜率、截距对应的量正好互换,这是本题最大区分点。下面数据为自编示意,全部经公式回代验证。

二、逐题精讲

题1

题1 安阻法:1/I–R 图求 E 与 r

自编实验:用电流表(内阻可忽略)与电阻箱测一节电池。改变电阻箱阻值 R,读得电流 I 如下(示意数据):

R / Ω1.02.03.04.0
I / A1.0000.6000.4290.333
1/I / A⁻¹1.0001.6672.3333.000

(1) 由闭合电路欧姆定律推出 1/I 与 R 的线性关系;(2) 由图线斜率与截距求 E 与 r;(3) 取 R = 4.0 Ω 一组回代检验。

解析

(1) 推导:忽略电流表内阻时,闭合电路欧姆定律 E = I(R + r)。两边除以 I·E 得
1/I = (1/E)·R + r/E。
即 y = 1/I、x = R 的直线,斜率 k = 1/E,纵截距 b = r/E。

(2) 读图求值:取首末两点 (1.0, 1.000) 与 (4.0, 3.000):
k = (3.000 − 1.000)/(4.0 − 1.0) = 2.000/3.0 = 2/3 A⁻¹·Ω⁻¹ → E = 1/k = 1.50 V。
b = 1.000 − (2/3)×1.0 = 1/3 A⁻¹ → r = b/k = (1/3)/(2/3) = 0.50 Ω。
(也可写 r = b·E = (1/3)×1.50 = 0.50 Ω,两式等价。)

逐点核对:R=2.0 → 1/I = (2/3)×2 + 1/3 = 5/3 = 1.667 ✓;R=3.0 → 2 + 1/3 = 7/3 = 2.333 ✓;表中 0.429 与 0.333 分别是 3/7 与 1/3 的三位小数,取倒数后正好回到 2.333 与 3.000,数据自洽。

(3) 回代:R = 4.0 Ω 时 I = E/(R + r) = 1.50/(4.0 + 0.50) = 1.50/4.50 = 0.3333 A,与表中 0.333 一致 ✓;1/I = 3.000,也与图线一致。

答案 (1) 1/I = R/E + r/E;(2) E = 1.50 V,r = 0.50 Ω;(3) I = 1.50/4.50 = 0.333 A,与表一致。

采分点 写出 E = I(R+r) 1 分;正确变形为 1/I = R/E + r/E 2 分;指明 k=1/E、b=r/E 各 1 分;斜率数值 1 分;E、r 结果各 1 分;回代检验 1 分;单位 1 分。

易错点 把斜率写成 E(应为 1/E);把截距直接当成 r(应为 r/E);用相邻两点算斜率却不化成最简分数导致误差放大;忘记电流表内阻忽略这一前提;结果漏写单位 V、Ω。

题2

题2 伏阻法与系统误差方向

自编实验:改用电压表(内阻很大)与电阻箱,读得如下示意数据:

R / Ω1.02.04.0
U / V1.0001.2001.333
1/U / V⁻¹1.0000.8330.750
1/R / Ω⁻¹1.0000.5000.250

(1) 推出 1/U 与 1/R 的线性关系并求 E、r;(2) 分别说明:安阻法若电流表内阻 RA 不可忽略、伏阻法若电压表分流不可忽略,测得的 r 与 E 偏大还是偏小。

解析

(1) 由分压关系 U = ER/(R + r),取倒数:
1/U = (R + r)/(ER) = 1/E + (r/E)·(1/R)。
即 y = 1/U、x = 1/R 的直线,截距 b = 1/E,斜率 k = r/E(与安阻法恰好互换)。
由 (1.000, 1.000) 与 (0.250, 0.750):k = (1.000 − 0.750)/(1.000 − 0.250) = 0.250/0.750 = 1/3;b = 1.000 − (1/3)×1.000 = 2/3 V⁻¹。
故 E = 1/b = 1.50 V,r = k/b = (1/3)/(2/3) = 0.50 Ω。回代:R=2.0 时 U = 1.50×2.0/(2.0+0.50) = 1.200 V ✓,1/U = 0.833 ✓。

(2) 误差方向,分两句写清:

安阻法(忽略 RA):实际回路总电阻是 R + r + RA,真实关系为 1/I = R/E + (r + RA)/E。若仍按 1/I = R/E + r/E 处理,截距被读成 (r + RA)/E,于是 r测 = r + RA > r,内阻偏大;斜率不受影响,故 E 不变。这一条要写「E 不变」才完整。

伏阻法(电压表分流):电压表与电阻箱并联,等效外阻 R并 = R·RV/(R + RV) < R,且 R 越大分流越明显。把 R 当成外阻代入会使图线偏离线性;按等效电源的观点,电压表始终接在电源两端,相当于给电源并联了一个固定支路,测得的等效电动势 E测 = E·RV/(RV + r) < E、等效内阻 r测 = r·RV/(RV + r) < r,即 E 与 r 均偏小。由于 RV ≫ r,偏差通常很小,这就是伏阻法常被优先采用的原因。

答案 (1) 1/U = 1/E + (r/E)(1/R),E = 1.50 V,r = 0.50 Ω;(2) 安阻法 r 偏大(r测=r+R_A)、E 不变;伏阻法 E 与 r 均偏小。

采分点 分压式写出 1 分;正确取倒数变形 2 分;指明 b=1/E、k=r/E 各 1 分;E、r 数值各 1 分;回代 1 分;安阻法误差方向+理由 2 分;伏阻法误差方向+理由 2 分。

易错点 把伏阻法的斜率、截距仍按安阻法读(写成 k=1/E);取倒数时漏掉 r/(ER) 这一项;安阻法只答「r 偏大」漏答「E 不变」;伏阻法误判为「r 偏大」;把「电压表内阻很大」当成「完全不分流」而答无系统误差。

三、规律小结与对照表

方法线性化形式斜率 k截距 b主要系统误差
伏安法(00023)U = E − rI−rE电流表内阻/电压表分流
安阻法(本篇)1/I = R/E + r/E1/Er/Er测 = r + R_A 偏大,E 不变
伏阻法(本篇)1/U = 1/E + (r/E)(1/R)r/E1/EE、r 均偏小(R_V ≫ r 时很小)
共同前提电源 E、r 在测量期间不变取倒数不改变量纲横轴需换成倒数读数前断开开关防极化

这两种方法的分并不在「会不会算」,而在肯不肯先把公式整理成 y = kx + b,并且把斜率、截距各对应哪个量写清楚。安阻法 k=1/E、b=r/E;伏阻法 k=r/E、b=1/E——正好互换,考前把这两行抄一遍就不会临场搞反。本文电路、数据与内阻值均为自编示意,全部经公式回代验证。

四、自测清单

  • 先写原始闭合电路关系,再取倒数,不直接背线性式
  • 明确横轴纵轴各是什么、单位是什么(A⁻¹、Ω⁻¹、V⁻¹)
  • 把 k、b 与 E、r 的对应关系单独列一行,别混用两种方法
  • 至少用一组原始数据回代,验证求出的 E、r 能还原表中读数
  • 误差题先写「真实关系是什么」,再比较「按哪个式子处理」
  • 结果带单位;说明忽略电表内阻或电压表分流的前提
编写说明与学科依据

本文为备考教研体例稿:题目系按课程标准与联招常见考点范围编写的仿真练习题,非真题原文;文中案例为示意内容,非真实记录;文末栏目为学科依据说明,非逐条引文。涉及报考、录取、证件、居留、资助等事项,一律以当年官方文件与学校正式通知为准。

学科依据:

  • 人教版高中教材(物理):恒定电流、热学、光学与几何光学实验、测量误差与数据处理相关章节
  • 《普通高等学校联合招收华侨港澳台学生考试大纲(物理科)》:相关考点考查范围(仅作命题范围参照,本文题目未与真题逐题比对)
  • 编写说明:题目、选段、选项、数据与解析均为按常见考点独立编写的原创仿真题,未取自任何题库、教辅或试卷;采分点为教研整理,非官方评分标准

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