張學(xué)均

(浙江省嵊州市嵊州中學(xué),浙江嵊州 312400)

物理實驗在高考中是以筆試的形式出現(xiàn),它通過考查設(shè)計性的實驗來鑒別考生獨立解決新問題的能力.分析近幾年的高考實驗試題,電學(xué)實驗成為當(dāng)今高考實驗題首選素材,而設(shè)計性的電學(xué)實驗更是考查的熱點.學(xué)生在面對設(shè)計性的電學(xué)實驗試題時,往往是束手無策,有時甚至無從下筆,究其原因,就是找不到電學(xué)設(shè)計性實驗的思維切入點.筆者以“測量電源的電動勢和內(nèi)阻”實驗為例,談?wù)動秒娐贩治鼋鉀Q設(shè)計性電學(xué)實驗.

1 3個最基本測量電源電動勢和內(nèi)阻的電路

電路1.電流變阻器型

(1)實驗器材:電壓表、電流表、變阻器、電源、電鍵、導(dǎo)線.

圖1

(2)實驗電路如圖1所示.

(3)實驗原理:E=U+Ir.

改變不同的R值,即可測出兩組不同的U和I的數(shù)據(jù),有

由(1)、(2)式得

電路2.電流電阻箱型

(1)實驗器材:一電流表、一電阻箱、電源、電鍵、導(dǎo)線.

(2)實驗電路如圖2所示.

(3)實驗原理:E=IR+Ir.

改變電阻箱R的阻值,多測幾組干路電流及對應(yīng)的外電阻阻值,有

圖2

則

電路3.電壓電阻箱型

(1)實驗器材:電壓表、電阻箱、電源、電鍵、導(dǎo)線.

(2)實驗電路如圖3所示.

圖3

改變電阻箱 R的阻值,多測幾組路端電壓及對應(yīng)的外電阻阻值,有

結(jié)合兩式解得

2 解析測定電源的電動勢和內(nèi)電阻

例1.測量電源B的電動勢E及內(nèi)阻r(E約為4.5 V,r約為1.5 Ω).可選用的器材如下:量程為3 V的理想電壓表V;量程為0.5 A的電流表A(有一定內(nèi)阻);固定電阻 R=4 Ω;滑動變阻器 R′;電鍵 S,導(dǎo)線若干.

(1)根據(jù)實物接線圖(本文未畫出)畫出實驗電路原理圖,圖中各元件需用題目給出的符號或字母標(biāo)出.

(2)實驗中,當(dāng)電流表的讀數(shù)為 I1時,電壓表的讀數(shù)為U1;當(dāng)電流表的讀數(shù)為 I2時,電壓表的讀數(shù)為 U2,則可求出E=________,r=________.(用 I1、I2、U1、U2及 R 表示)

解析:(1)對照以上 3個電路,不難發(fā)現(xiàn)是屬于電路1的電流變阻器型,如圖 4所示,但試題中多出一個定值電阻,進一步分析,若電壓表測量路端電壓,最大測3 V,這樣內(nèi)電壓最小約為1.5 V,那么總電流將達1 A,顯然電流表的量程0.5 A明顯不符合要求,于是就想到用定值電阻和電源內(nèi)阻串聯(lián)分壓,減小總電流.

圖4

例2.兩只電壓表V1和 V2,其量程已知,V1的內(nèi)阻RV1已知,V2內(nèi)阻不知為多少,電源內(nèi)阻不可忽略,且未知,電源電動勢不超過電壓表的量程.畫出實驗電路原理圖并寫出測量步驟和測量表達式.

解析:對照以上3個電路,可能會誤認(rèn)為是第3個電路,但仔細分析,若是第3個電路,外電阻是電阻箱,變化時,能把阻值直接讀出來,而這兩個電壓表內(nèi)阻只有一個已知,所以兩只表起不到電阻箱的作用,因此只可能是第1個電路,用兩只電壓表組合使用產(chǎn)生變化的外電阻,同時用內(nèi)阻已知的電壓表等效當(dāng)電流表測電流.所以該題的模型有些隱蔽,要仔細推敲.具體解答為如圖5所示先合上開關(guān)S,記下V1的示數(shù) U1;再斷開開關(guān)S,記下V1和V2的示數(shù)U1′和 U2′,有

聯(lián)立2式有

圖5

圖6

例3.某學(xué)生設(shè)計了一個如圖6所示的實驗電路,用以測定電源電動勢和內(nèi)阻,使用的實驗器材為:待測干電池組(電動勢約3 V)、電流表(量程0.6 A,內(nèi)阻小于 1 Ω)、電阻箱(0～ 99.99 Ω)、滑動變阻器(0～ 10 Ω)、單刀雙擲開關(guān) 、單刀單擲開關(guān)各一個及導(dǎo)線若干.考慮到干電池的內(nèi)阻較小,電流表的內(nèi)阻不能忽略.該學(xué)生按圖6連線,通過控制開關(guān)狀態(tài),測得電流表內(nèi)阻為0.20 Ω.

(1)簡要寫出利用圖6所示電路測量電源電動勢和內(nèi)阻的實驗步驟:

①_________________________________________;

②;

圖7

解析:對照以上3個電路,結(jié)合試題分析屬于第 2個電路,選擇開關(guān)S斷開,開關(guān)S′接D,構(gòu)成閉合電路測量電源的電動勢和內(nèi)電阻.

(1)①斷開S,將 R旋至最大值,S′擲向D.

(2)調(diào)小R直到電流表指針有足夠偏轉(zhuǎn),改變R值測幾組I隨R變化的數(shù)據(jù);

(2)E=2.86 V(2.76～2.96 V),

例4.圖8中 E為直流電源,R為已知電阻,V為理想電壓表,其量程略大于電源電動勢,S1和S2為開關(guān).現(xiàn)要利用圖中電路測量電源的電動勢 E和內(nèi)阻r,試寫出主要實驗步驟及結(jié)果表達式.

解析:對照以上3個電路,有電壓表和定值電阻,可以聯(lián)想可能屬于第3個電路,但要找到能起電阻箱作用的變化的外電阻,由于V為理想電壓表,當(dāng)S1閉合S2斷開時,外電阻值無窮大,電壓表的讀數(shù)即為電動勢 E,再S1、S2均閉合,R當(dāng)外電阻,問題就解決了.

實驗步驟:(1)S1閉合,S2斷開,記下電壓表示數(shù)U1,(2)S1、S2均閉合,記下電壓表示數(shù) U2.

圖8

3 總結(jié)

教材中測定電源電動勢和內(nèi)阻的實驗是運用電流表和電壓表等實驗器材完成的.《物理考試大綱》將原“用電流表和電壓表測定電池的電動勢和內(nèi)電阻”改為“測定電源的電動勢和內(nèi)阻”.雖然只刪減幾個字,但這預(yù)示高考中該實驗的方法不再拘泥于課本,要創(chuàng)新.這對學(xué)生的能力要求將更高.但不管怎么創(chuàng)新,只要深刻理解這3個最基本的電路,仔細去分析、推敲,細心體會,解題思路自然就能形成.