武 維 曹聰明

(包頭市第九中學(xué) 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

高中電學(xué)實(shí)驗(yàn)答題策略之“123”

武 維 曹聰明

(包頭市第九中學(xué) 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

基于新課程標(biāo)準(zhǔn)和高考考綱要求，高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)是高中物理學(xué)習(xí)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)，為了使學(xué)生更有效地構(gòu)建正確的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)思路和解題步驟，將高中電學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)做如下詮釋，即圍繞一個(gè)中心，在器材選取的原則下，建立兩個(gè)基本單元，抓緊3個(gè)關(guān)鍵信號(hào)，解決4個(gè)電學(xué)實(shí)驗(yàn)問題.

電學(xué)實(shí)驗(yàn) 控制部件 測(cè)量部件

1 圍繞一個(gè)中心——測(cè)電阻

高中電學(xué)實(shí)驗(yàn)圍繞測(cè)未知電阻這個(gè)中心開展了4個(gè)電學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，分別是測(cè)金屬絲的電阻率，描繪小電珠的伏安特性曲線，測(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，練習(xí)使用多用電表.未知電阻的類型有定值電阻、電流表內(nèi)阻、電壓表內(nèi)阻、電源內(nèi)阻、熱敏電阻、光敏電阻、二極管正反向電阻等.無論是測(cè)量何種類型的電阻，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路時(shí)，可以將電路分解為4個(gè)部件：供電單元、控制單元、測(cè)量單元、研究單元.研究單元就是未知電阻，而其他3個(gè)部件均服務(wù)于研究部件，要根據(jù)題干具體情境進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整.下面著重分析不同情境下控制單元和測(cè)量單元的調(diào)整.

2 在選取器材的原則下建立兩個(gè)基本單元

2.1 選取器材的原則

遵從八字原則：安全、準(zhǔn)確、實(shí)用、匹配.

安全：實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)施要安全可靠，實(shí)施過程中不應(yīng)對(duì)儀器及人身造成危害.要注意到多數(shù)電表均有量程，電阻均有最大允許電流和最大功率，電源也有最大允許電流，不能燒壞儀器.

實(shí)用：實(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)便于操作，便于讀數(shù).

匹配：電流表、電壓表、電阻、電源要匹配.

2.2 控制單元的建立

用電器通過的電流和分配電壓一般是通過滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)，而滑動(dòng)變阻器在電路中有兩種接法，分別是分壓式(圖1)和限流式連接(圖2).

圖1 分壓式接法

圖2 限流式接法

下列情況必須用分壓式接法：

(1)調(diào)節(jié)(測(cè)量)要求從零開始，或要求大范圍測(cè)量.

(2)滑動(dòng)變阻器阻值比待測(cè)對(duì)象小得多(若用限流，調(diào)不動(dòng)或調(diào)節(jié)范圍很小).

(3)用限流接法時(shí)電路中最小的電壓(或電流)仍超過用電器的額定值或儀表量程.

當(dāng)電路中特別強(qiáng)調(diào)節(jié)能時(shí)，應(yīng)采用限流連接.另外，在實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，若為分壓連接，滑動(dòng)變阻器在閉合開關(guān)前應(yīng)將與研究單元并聯(lián)部分電阻調(diào)節(jié)至零；若為限流連接，滑動(dòng)變阻器應(yīng)調(diào)節(jié)至電阻最大處，起到保護(hù)用電器的作用.

2.3 測(cè)量單元的建立

由于電壓表、電流表存在電阻，所以測(cè)量電路有兩種，即電流表內(nèi)接和電流表外接.

(1)電路圖

電流表外接和電流表內(nèi)接的電路圖分別如圖3和圖4所示.

圖3 電流表外接

圖4 電流表內(nèi)接

(2)電流表內(nèi)、外接法的選擇

1)已知RV,RA及待測(cè)電阻Rx的大致阻值時(shí)可以利用相對(duì)誤差判斷,若

選用內(nèi)接法，若

選用外接法.

2)不知RV,RA及待測(cè)電阻Rx，采用試觸法.如圖5所示，當(dāng)電壓表的一端分別接在a，b兩點(diǎn)時(shí)，如電流表示數(shù)有明顯變化，用內(nèi)接法,電壓表示數(shù)有明顯變化，用外接法.

圖5 試觸法

3)若已知電流表的內(nèi)阻，采用內(nèi)接法

4)若已知電壓表的內(nèi)阻，采用外接法

(3)誤差分析

內(nèi)接時(shí)誤差是由于電流表分壓引起的，其測(cè)量值偏大，即

R測(cè)=RA+Rx>R真

外接時(shí)誤差是由于電壓表分流引起的，其測(cè)量值偏小，即

3 抓緊題干3個(gè)信號(hào)

3.1 給出了具體阻值的電流表或電壓表

若已知電流表和電壓表的內(nèi)阻，可能有3個(gè)意思：一是“轉(zhuǎn)變身份”，電流表可以當(dāng)電壓表用，電壓表可以當(dāng)電流表用；二是可以實(shí)現(xiàn)電表改裝；三是可以實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量.

【例1】(包頭市高考模擬試題)現(xiàn)需測(cè)量阻值約為100 Ω的電阻的阻值.給出的實(shí)驗(yàn)器材有：

電池組E： 電動(dòng)勢(shì)6 V，內(nèi)阻可忽略不計(jì);

電壓表V1：量程0～3 V，內(nèi)阻約為15 kΩ;

電壓表V2：量程0～6 V, 內(nèi)阻30 kΩ;

電流表A1:量程0～60 mA， 內(nèi)阻約為20 Ω;

電流表A2:量程0～300 mA，內(nèi)阻約為4 Ω;

滑動(dòng)變阻器R1：0～100 Ω，額定電流1 A;

滑動(dòng)變阻器R2：1 500 Ω，額定電流0.1 A;

開關(guān)S及導(dǎo)線若干.

請(qǐng)你選出所需器材.

解題思路：本題從器材的提供上可看到以伏安法為原型，但注意到兩個(gè)電壓表的阻值描述變化，電壓表V2應(yīng)起到一表兩用的效果，既能測(cè)量出承擔(dān)電壓，也能算出通過電流，這樣就回避了系統(tǒng)誤差.因此電路設(shè)計(jì)應(yīng)如圖6(a)所示.電壓表選擇V2，待測(cè)電阻阻值

假若本題給的電流表是準(zhǔn)確值，電路設(shè)計(jì)應(yīng)如圖6(b)所示,那么電流表應(yīng)起到一表雙用的作用，待測(cè)電阻阻值

圖6 實(shí)驗(yàn)電路圖

3.2 定值電阻的出現(xiàn)

(1)用于改裝電表或擴(kuò)大已有電表的量程；

(2)充當(dāng)保護(hù)電阻；

(3)充當(dāng)增值電阻；

(4)充當(dāng)電流表,當(dāng)定值電阻分擔(dān)電壓已知，定值電阻可當(dāng)做電流表使用;

(5)充當(dāng)電壓表,當(dāng)定值電阻通過電流已知，定值電阻可當(dāng)做電壓表使用.

【例2】在測(cè)定一節(jié)干電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)中，備有下列器材：

A．干電池(電動(dòng)勢(shì)約為1.5 V，內(nèi)阻小于1.5 Ω)

B．電流表G(滿偏電流2 mA，內(nèi)阻10 Ω)

C．電流表A(0～0.6 A，內(nèi)阻約0.1 Ω)

D．滑動(dòng)變阻器R1(0～20 Ω，10 A)

E．滑動(dòng)變阻器R2(0～100 Ω，1 A)

F．定值電阻R3=990 Ω

G．開關(guān)、導(dǎo)線若干

(1)為方便且能較準(zhǔn)確地進(jìn)行測(cè)量，應(yīng)選用滑動(dòng)變阻器______(填寫序號(hào))．

(2)請(qǐng)?jiān)谒o虛線框內(nèi)畫出利用本題提供的器材所設(shè)計(jì)的測(cè)量電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)電路原理圖．

(3)某同學(xué)根據(jù)他設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)出了6組I1(電流表G的示數(shù))和I2(電流表A的示數(shù))，如表1所示，請(qǐng)?jiān)谌鐖D7所示的坐標(biāo)紙上作出I1和I2的關(guān)系圖線.

表1 測(cè)得的6組數(shù)據(jù)

圖7 坐標(biāo)紙

(4)根據(jù)圖線可得，被測(cè)電池的電動(dòng)勢(shì)為 V，內(nèi)阻為Ω.

解析：(1)為了便于調(diào)節(jié)，滑動(dòng)變阻器的阻值不能太大，選擇D比較合適．

(2)由于沒有電壓表，給定的電流表G可與定值電阻R3串聯(lián)作電壓表使用.

(3)根據(jù)數(shù)據(jù)描點(diǎn)跡即可.

(4)電流表G的示數(shù)與定值電阻R3和電流表G的內(nèi)阻之和的乘積表示路端電壓，所以I1-I2圖線的縱截距與R3和電流表G的內(nèi)阻之和的乘積即為電池的電動(dòng)勢(shì)

E=1.48×10-3×(990+10)V=1.48V

I1-I2圖線的斜率的絕對(duì)值與R3和rG之和的乘積即為電池的內(nèi)阻

代入數(shù)據(jù)得

r=0.80 Ω

答案：(1)D.

(2)如圖8所示．

圖8 電路原理圖

(3)如圖9所示．

圖9 I1-I2圖像

(4)1.48(1.47～1.49);0.80(0.70～0.90).

3.3 變阻箱的出現(xiàn)

電路中出現(xiàn)了變阻箱器材，往往該電路要采取電表半偏法、替代法，或者惠斯通電橋法進(jìn)行電阻測(cè)量.

【例3】(2015年高考新課標(biāo)Ⅱ卷)電壓表滿偏時(shí)通過該表的電流是半偏時(shí)通過該表電流的2倍.同學(xué)利用這一事實(shí)測(cè)量電壓表的內(nèi)阻(半偏法)，實(shí)驗(yàn)室提供的器材如下：

待測(cè)電壓表 (量程3 V，內(nèi)阻約為3 000 Ω)，電阻箱R0(最大阻值為99 999.9 Ω)，滑動(dòng)變阻器R1(最大阻值100 Ω,額定電流2 A)，電源E(電動(dòng)勢(shì)6 V，內(nèi)阻不計(jì))，開關(guān)2個(gè)，導(dǎo)線若干.

(1)虛線框(圖10)內(nèi)為該同學(xué)設(shè)計(jì)的測(cè)量電壓表內(nèi)阻的電路圖的一部分，將電路圖補(bǔ)充完整.

(2)根據(jù)設(shè)計(jì)的電路，寫出實(shí)驗(yàn)步驟：

.

(3)將用這種方法測(cè)出的電壓表內(nèi)阻RV′,與電壓表內(nèi)阻的真實(shí)值RV相比，RV′___________________RV(填

“>”、“=”、“<”)，主要理由是___________.

圖10 例3題圖

解析：(1)實(shí)驗(yàn)電路圖如圖11所示.

圖11 完整電路圖

(2)移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片，以保證通電后電壓表所在支路電壓最??；閉合開關(guān)S1和S2，調(diào)節(jié)R1，使電壓表的指針滿偏；保持滑動(dòng)變阻器滑片的位置不變，斷開S2，調(diào)節(jié)電阻箱R0，使電壓表的指針半偏；讀取電阻箱所示的電阻值，此即為測(cè)得的電壓表內(nèi)阻.

(3)>.斷開S2，調(diào)節(jié)電阻箱使電壓表成半偏狀態(tài)，電壓表所在支路總電阻增大，分得的電壓也增大，此時(shí)R0兩端的電壓大于電壓表的半偏電壓，故RV′>RV.

4 結(jié)束語

電學(xué)實(shí)驗(yàn)在每年的高考中常常是在伏安法的基礎(chǔ)上演變而來的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，每年卻讓許多考生失利.這主要是由考生觀念不清，思路不廣，在運(yùn)用伏安法時(shí)生搬硬套造成的.本文通過將電路結(jié)構(gòu)分成4個(gè)單元，著重幫學(xué)生理清控制單元和測(cè)量單元，把握測(cè)量單元3個(gè)關(guān)鍵信號(hào)，使學(xué)生注意到方法的演變，希望對(duì)學(xué)生有所幫助.

2016-06-30)