江蘇 王舉村

電路設(shè)計(jì)多樣性在高考復(fù)習(xí)中的實(shí)踐

江蘇 王舉村

科學(xué)就是整理事實(shí)，不同的條件又會(huì)生出不同的事實(shí)。

縱觀近年各地的高考試題，實(shí)驗(yàn)題的命題形式靈活，考查角度多變，設(shè)問(wèn)方式新穎。而且各地試卷都考查了電學(xué)實(shí)驗(yàn)，這充分體現(xiàn)了電學(xué)實(shí)驗(yàn)在高考實(shí)驗(yàn)考查中的地位。

電路設(shè)計(jì)、器材選擇、數(shù)據(jù)處理仍然是電學(xué)實(shí)驗(yàn)試題考查的重點(diǎn)和命題趨勢(shì)，設(shè)計(jì)思路的關(guān)鍵是根據(jù)問(wèn)題的要求和條件確定實(shí)驗(yàn)原理。高考試題大多是已經(jīng)給足實(shí)驗(yàn)器材來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)原理，從而確定測(cè)量的物理量及安排實(shí)驗(yàn)步驟。在實(shí)驗(yàn)器材不足的情況下，往往是由試題給出的器材進(jìn)行組裝轉(zhuǎn)化為需要的器材。需要注意的幾點(diǎn)有：

1．若知道內(nèi)阻，非理想電壓表也是非理想電流表，非理想電流表也是非理想電壓表，多用表是三用表。

2．對(duì)于理想電表一表一用，即電流表只能測(cè)量電流且串聯(lián)在電路中，電壓表只能測(cè)電壓且只能并聯(lián)在電路中，但對(duì)非理想電表可一表三用，即可當(dāng)電阻、電壓表、電流表使用。

3．一個(gè)已知電阻，可用作降壓與限流，即用來(lái)保護(hù)電路，還可以與電流表或電壓表連接用來(lái)擴(kuò)大量程，另外還可以起電流和電壓的轉(zhuǎn)換作用。

【例題】從下列實(shí)驗(yàn)器材中選出適當(dāng)?shù)钠鞑?，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)電流表的內(nèi)阻，要求方法簡(jiǎn)捷，有盡可能高的測(cè)量精度。

A．待測(cè)電流表A1，量程5 0mA，內(nèi)電阻約幾十歐

B．待測(cè)電流表A2，量程3 0mA，內(nèi)電阻約幾十歐

C．電壓表V，量程1 5V，內(nèi)阻r＝1 5k Ω

D．電阻箱R1，阻值范圍0～9 9 9 9．9Ω

E．電阻箱R2，阻值范圍0～9 9．9Ω

F．滑動(dòng)變阻器R3，阻值0～1 5 0Ω，額定電流1．5A

G．滑動(dòng)變阻器R4，阻值0～2 0Ω，額定電流2A

H．電阻R0，阻值是4 0Ω，功率是0．5W（用作保護(hù)電阻）

I．電池組，電動(dòng)勢(shì)為1 2V，內(nèi)電阻約0．5Ω

此外還有單刀開(kāi)關(guān)若干和導(dǎo)線若干，供需要選用。

（1）除A、B外再選出必要的器材，用器材前的字母表示，有____________；

（2）請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)量電路，畫(huà)出電路圖；

（3）說(shuō)明實(shí)驗(yàn)需要測(cè)量的物理量，并列出計(jì)算兩個(gè)電流表內(nèi)電阻的計(jì)算式。

【思路點(diǎn)拔】要求學(xué)生靈活運(yùn)用直流電路實(shí)驗(yàn)知識(shí)，獨(dú)立選擇實(shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路，要求有相當(dāng)高的理解水平和創(chuàng)新能力。有的學(xué)生束手無(wú)策，有的學(xué)生受“伏安法測(cè)電阻”思維定式的影響，認(rèn)為將所給電壓表與電流表直接并聯(lián)，電壓表與各電流表示數(shù)之比即為電流表內(nèi)阻。他們忽視了在這樣的電路中，電壓表示數(shù)最大值也達(dá)不到量程的1／3，讀數(shù)誤差較大，不能滿足有盡可能高的測(cè)量精度的要求。我們可以從不同的角度思考可以得到不同的答案，且都是正確的。現(xiàn)分析如下：

1．等勢(shì)法

（1）E GH I

（2）電路圖如圖1所示。

（3）開(kāi)關(guān)S1、S2閉合時(shí)，測(cè)得電流表的示數(shù)I1和I2；斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S2，調(diào)整電阻箱的阻值為R時(shí)，測(cè)得電流表的示數(shù)I′1和I′2。利用電勢(shì)相等分別列式：

注意本題滑動(dòng)變阻器的選擇不是按“越大越好”或“越小越好”選擇的，而是在明確了滑動(dòng)變阻器在電路中的作用的基礎(chǔ)上進(jìn)行選擇的。此法有較高的測(cè)量精度，但計(jì)算煩瑣。

2．半偏法

（1）D E I （2）電路圖如圖2所示

（3）閉合開(kāi)關(guān)S和S1，調(diào)整電阻箱R1的阻值。使電流表A1指針轉(zhuǎn)到滿刻度Ig1，再閉合開(kāi)關(guān)S3，調(diào)整電阻箱R2的阻值，使電流表A1指針偏轉(zhuǎn)到正好是滿刻度的一半，即Ig1／2。當(dāng)R1比R2大很多時(shí)，接入R2后，干路電流變化不大，則通過(guò)R2的電流I2＝Ig1／2，所以RA1＝R2（電阻箱R2的阻值可以從電阻箱上讀出）。同理可測(cè)RA2。

這是測(cè)電流表內(nèi)阻最常用的一種方法，此法簡(jiǎn)捷，但必須滿足R1比R2大很多這一條件，否則誤差較大。

3．滿偏法

（1）D E I （2）電路圖與半偏法相同

（3）閉合開(kāi)關(guān)S和S1，調(diào)整電阻箱R1的阻值大小，使電流表A1滿偏。則再閉合開(kāi)關(guān)S3，將R1的阻值減小為原來(lái)的一半后，調(diào)整R2的阻值大小，使電流表A1指針仍然滿偏，則干路中的電流I′為I′＝由以上三式得因電源內(nèi)阻很小，相對(duì)R1可忽略不計(jì)，則由上式得RA1＝R2。同理可求RA2。

此法與半偏法類(lèi)似，優(yōu)點(diǎn)是可取消R1比R2大很多這一條件的限制，且精確度較高。

4．替代法

（1）D E I （2）電路圖如圖3所示

（3）閉合開(kāi)關(guān)S和S1，調(diào)節(jié)R1的值，使電流表A2的指針指一定電流值I，然后斷開(kāi)S1接通S2，調(diào)R2使電流表A2指針仍指I，則RA1＝R2。交換電流表A1和A2的位置同理可得RA2。

這種方法簡(jiǎn)捷，測(cè)量精度較高。不需經(jīng)復(fù)雜的計(jì)算，即可得到電流表內(nèi)阻值，是比較理想的測(cè)量方法之一。

5．電流表法

（1）D E I （2）電路圖如圖4所示

（3）閉合開(kāi)關(guān)S，調(diào)節(jié)R1和R2的阻值，電流表A1和A2的示數(shù)分別為I1和I2，則R2兩端的電壓為（I2－I1）R2，由并聯(lián)電路電壓相等可得（I2－I1）R2＝I1RA1，得RA1＝交換電流表A1和A2位置同理可得RA2。此法簡(jiǎn)捷，且誤差較小。

6．電壓表法

（1）C D I （2）電路圖如圖5所示

（3）閉合開(kāi)關(guān)S，調(diào)節(jié)R1的阻值，記下電流表A1和A2的示數(shù)I1和I2，記下電壓表的示數(shù)U。則

這種方法簡(jiǎn)捷，有較高的測(cè)量精度。

7．求差法

（1）E G I （2）電路圖如圖6所示

（3）閉合開(kāi)關(guān)S，調(diào)節(jié)R4和R2的值，記下電流表A2的示數(shù)I2，再閉合開(kāi)關(guān)S1，調(diào)節(jié)電阻箱R2，使電流表A2的示數(shù)仍為I2，此時(shí)電阻箱R2的示數(shù)為R′2，則RA1＝R′2－R2。同理可求RA2。此法巧妙，若用R1換下R4且以限流法接在電路中也可。

在電學(xué)實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)中，我們要立足于考綱規(guī)定的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)電路、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)處理、誤差分析等方面進(jìn)行認(rèn)真的研究，學(xué)會(huì)拓展、延伸、遷移，提高綜合實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)，才能解決新穎、靈活的實(shí)驗(yàn)問(wèn)題。

（作者單位：江蘇省連云港市贛榆區(qū)海頭高級(jí)中學(xué)）