設(shè)計(jì)型電學(xué)實(shí)驗(yàn)題考查考生對實(shí)驗(yàn)原理的認(rèn)識及理解、實(shí)驗(yàn)器材的選取、步驟的合理安排、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)分析處理及結(jié)論的得出等一系列知識和能力。試題具有考查方式新、考察內(nèi)容廣和能力要求高的特點(diǎn)，受到命題者的高度青睞，設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)題已將電學(xué)實(shí)驗(yàn)的考查推向了更新的高度。本文就以高考電學(xué)實(shí)驗(yàn)題為例進(jìn)行分類解析，供讀者參考。

1 提供器材及實(shí)驗(yàn)原理型試題

這類試題直接給出實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)原理或試題本身已經(jīng)設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)方案，且已完成實(shí)驗(yàn)的某些步驟，要求考生根據(jù)題意進(jìn)一步完成實(shí)驗(yàn)。

解答思路：學(xué)會遷移，突破難點(diǎn)。即根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理、題設(shè)要求和題設(shè)條件，整理加工信息和隱含條件，將教材相關(guān)實(shí)驗(yàn)的做法和知識有效地遷移到題目中，得出合理方案。

例1 (2007年上海單科16題)某同學(xué)設(shè)計(jì)了如圖1所示電路研究電源輸出功率變化情況。電源E電動勢、內(nèi)電阻恒定，R₁為滑動變阻器，R₂、R₃為定值電阻，A、V為理想電表。

(1)若滑動片P由a滑至b時(shí)A示數(shù)一直變小，則R₁和R₂必須滿足的關(guān)系是_______。

(2)若R₁=6Ω，R₂=12Ω，電源內(nèi)電阻r=6Ω，當(dāng)滑動片P由a滑至b時(shí)，電源E的輸出功率P隨外電路總電阻R的變化關(guān)系如圖2所示，則R₃的阻值應(yīng)該選擇________

A．2ΩB．4ΩC．6ΩD．8Ω

解析 本題考查“電壓和電源輸出功率的變化規(guī)律”知識點(diǎn)，重在電路分析，突破點(diǎn)為○A的示數(shù)一直變小，導(dǎo)致總電阻一直增大。

2 提供實(shí)驗(yàn)原理、自主選擇器材型試題

這類試題提供實(shí)驗(yàn)原理，給出一些器材，讓考生根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路圖，選擇所需實(shí)驗(yàn)器材，連接實(shí)物圖，完成實(shí)驗(yàn)。

解答思路：尋果追因，逆向思維。即根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，結(jié)合實(shí)驗(yàn)的目的和要求，從結(jié)果或結(jié)論出發(fā)尋找條件，由此確定解題路徑，用逆向思維的方法設(shè)計(jì)出方案。

例2 (2007年山東理綜23題)檢測一個標(biāo)稱值為5Ω的滑動變阻器?？晒┦褂玫钠鞑娜缦拢邯?/p>

A、待測滑動變阻器Rx，全電阻約5Ω(電阻絲繞制緊密，匝數(shù)清晰可數(shù)）

B、電流表A₁，量程0．6A，內(nèi)阻約0．6Ω；

C、電流表A₂，量程3A，內(nèi)阻約0．12Ω；

D、電壓表V₁，量程15V，內(nèi)阻約15kΩ；

E、電壓表V₂，量程3V，內(nèi)阻約3kΩ；

F、滑動變阻器R，全電阻約20Ω；

G、直流電源E，電動勢3V，內(nèi)阻不計(jì)；

H、游標(biāo)卡尺； I(xiàn)、毫米刻度尺；

J、電鍵； S、導(dǎo)線若干。

(1)用伏安法測定Rx的全電阻值，所選電流表_____(填“A₁”或“A₂”)，所選電壓表為______(填“V₁”或“V₂”)

(2)畫出測量電路的原理圖，并根據(jù)所畫原理圖將圖3中實(shí)物連接成測量電路。

(3)為了進(jìn)一步測量待測量滑動變阻器電阻絲的電阻率，需要測量電阻絲的直徑和總長度，在不破壞變阻器的前提下，請?jiān)O(shè)計(jì)一個實(shí)驗(yàn)方案，寫出所需器材及操作步驟，并給出直徑和總長度的表達(dá)式。

解析 題目所提供實(shí)驗(yàn)原理為用伏安法測量Rx，通過進(jìn)一步計(jì)算確定所選的電壓表和電流表；測量電阻率，可通過數(shù)滑動變阻器圈數(shù)和測量變阻器陶瓷管內(nèi)外部直徑之差求出電阻絲直徑及總長。

(1)因?yàn)樾铚y量的是Rx的全電阻，則電流

小于A₂表的滿偏值的23，故選A₁表，因電動勢E=3V＜23×15V=10V，故選V₂表。

(2)因滑動變阻器R約為20Ω，而Rx為5Ω，阻值相差不大，變阻器R有分壓法和限流法兩種接法(圖4為用分壓法設(shè)計(jì)原理圖和對應(yīng)的實(shí)物連接圖)。

(3)需要的器材：游標(biāo)卡尺。

主要操作步驟：

①數(shù)出變阻器線圈繞匝數(shù)n；

②用游標(biāo)卡尺測量變阻器線圈的外徑D₁和瓷管部分的外徑D₂，可得電阻絲的直徑為d=D₁-D₂2，電阻絲總長度l=nπ2(K₁+D₂)；

③重復(fù)測量三次，求出電阻的直徑和總長度的平均值。



3 綜合設(shè)計(jì)型試題

不提供實(shí)驗(yàn)原理，只給出實(shí)驗(yàn)可能用到的器材，要求考生根據(jù)所學(xué)知識，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路，選擇所需的器材，完成實(shí)驗(yàn)。要求實(shí)驗(yàn)方法盡量簡便、合理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加精確。

解答思路：根據(jù)題設(shè)要求，將所給的器材或條件進(jìn)行組合，考慮用教材中常用的測量方法或類似教材測量方法進(jìn)行測量，完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

例3 (05年全國理綜Ⅰ 22題)測量電源B的電動勢E及內(nèi)阻r(E約為4．5V，r約為5Ω)。器材：量程為3V的理想電壓表○V，量程為0．8A的電流表○A(具有一定內(nèi)阻)，固定電阻R=4Ω，滑線變阻器R′，開關(guān)S，導(dǎo)線若干。

①畫出實(shí)驗(yàn)電路原理圖，圖中各元件需用題目中給出的符號或字母標(biāo)出。

②實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)電流表示數(shù)為I₁時(shí)，電壓表讀數(shù)為U₁；當(dāng)電流表讀數(shù)為I₂時(shí)，電壓表讀數(shù)為U₂，則可以求出E=______，r=______。(用I₁、I₂、Ul、U₂及R表示)

解析 從題設(shè)知，可用伏安法測電動勢和內(nèi)阻。理想電壓表的量程為3V，待測的電源電動勢約為4．5V，所以電壓表不能直接接到電源的兩端，要考慮用定值電阻與電池串連，以增大內(nèi)阻、減小路端電壓，滑線變阻器的作用是控制電路中的電流，應(yīng)該用限流法。電流表有一定的內(nèi)阻，為減小內(nèi)阻測量誤差，電流表應(yīng)用內(nèi)接法。設(shè)計(jì)出的電路圖如圖5所示。

由閉合電路歐姆定律，有：

E=U₁+I₁（R+r)，E=U₂+I₂(R+r)

結(jié)合上兩式解得

E=I₁U₂-I₂U₁I₁-I₂，r=U₂-U₁I₁-I₂-R

設(shè)計(jì)型電學(xué)實(shí)驗(yàn)題對學(xué)生的能力要求較高，培養(yǎng)學(xué)生分析與解決這類題的能力不是一蹴而就的，必須遵循循序漸進(jìn)的原則，在備考過程中加強(qiáng)方法指導(dǎo)，讓學(xué)生在訓(xùn)練中體會設(shè)計(jì)思想，逐步掌握解答這類題的方法和技巧。

(欄目編輯王柏廬)

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。