■山東省日照海曲高級中學 石紅彬

設計性電學實驗復習策略

■山東省日照海曲高級中學 石紅彬

近幾年高考物理試題中的電學設計性實驗題充分體現(xiàn)了探究性和應用性,源于教材卻又高于教材,側重考查同學們的綜合實驗素質和利用基本原理、方法進行創(chuàng)新的能力,力求達到“只有親自動手做過實驗并能進行再思考的考生才能得高分”的命題思想。因此同學們在復習備考過程中,一定要切實訓練和培養(yǎng)自身的設計能力、探究能力等實驗綜合能力。

1.理解設計性電學實驗的原理。

設計性電學實驗要求同學們根據(jù)題目給出的實驗目的和器材,靈活運用所學的基本實驗方法、原理、技能,進行創(chuàng)造性思維,設計出切實可行的實驗方案、測量方法、實驗步驟,并處理實驗數(shù)據(jù)、得出結論。因此同學們必須在深刻理解和熟練掌握實驗原理的基礎上,著重思考如何將其變成實際可行的操作過程。

2.掌握求解設計性電學實驗問題的思維方法。

求解設計性電學實驗問題常用的思維方法有：等效替代法、控制變量法、轉換法、平衡法、補償法等。

3.領會處理實驗數(shù)據(jù)的方法。

設計性電學實驗題往往會考查處理實驗數(shù)據(jù)的方法,包括數(shù)據(jù)采集、信息獲取、信息加工等。圖像和圖表是給予信息的常用途徑,因此同學們在復習備考過程中需要通過對課本中有關數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理的典型題目的剖析,領會應對這類試題的基本方法。

注意：用作圖法處理實驗數(shù)據(jù)是電學設計性實驗中最常用的方法之一。作圖時要標明坐標軸名稱、單位;圖中連線要是光滑的曲線或直線,連線時要使數(shù)據(jù)點合理地分布在連線的兩側;在圖中求直線的斜率時,要選取線上相距較遠的兩點。用作圖法處理實驗數(shù)據(jù)的優(yōu)點是直觀、簡便,利用圖像的斜率、截距、所包圍面積和圖像的交點等可以研究物理量的變化情況和各物理量間的關系。

理解實驗基本原理和方法需要明確的五個方面：(1)實驗要達到什么目的,要達到這個目的,依據(jù)什么物理規(guī)律等;(2)根據(jù)實驗原理,需要獲得哪些數(shù)據(jù),要得到這些數(shù)據(jù)要用什么方法,選擇哪些實驗儀器和裝置,進行哪些測量;(3)根據(jù)實驗儀器和裝置的使用規(guī)則或實驗要求,怎樣完成實驗,在操作過程中需要注意哪些事項;(4)掌握實驗數(shù)據(jù)的處理方法——平均值法和圖像法等;(5)依據(jù)實驗原理和方法得出實驗結論并進行誤差分析。

圖1

例題 (2017年高考江蘇卷)某同學通過實驗制作一個簡易的溫控裝置,實驗原理電路如圖1所示,繼電器與熱敏電阻Rt、滑動變阻器R串聯(lián)接在電源E兩端,當繼電器的電流超過15mA時,銜鐵被吸合,加熱器停止加熱,實現(xiàn)溫控。繼電器的電阻約為20Ω,熱敏電阻的阻值Rt與溫度t的關系如表1所示。

表1

(1)提供的實驗器材有：電源E1(3V,內阻不計)、電源E2(6V,內阻不計)、滑動變阻器R1(0～200 Ω)、滑動變阻器R2(0～500Ω)、熱敏電阻Rt、繼電器、電阻箱(0～999.9Ω)、開關S、導線若干。

為使該裝置實現(xiàn)對30℃～80℃之間任一溫度的控制,電源E應選用________(選填“E1”或“E2”),滑動變阻器R應選用_______(選填“R1”或“R2”)。

(2)實驗發(fā)現(xiàn)電路不工作,某同學為排查電路故障,用多用電表測量各接點間的電壓,則應將如圖2所示的選擇開關旋至____(選填“A”“B”“C”或“D”)。

(3)合上開關S,用調節(jié)好的多用電表進行排查,在圖1中,若只有b、c間斷路,則應發(fā)現(xiàn)表筆接入a、b時指針____(選填“偏轉”或“不偏轉”),表筆接入a、c時指針____(選填“偏轉”或“不偏轉”)。

(4)排除故障后,欲使銜鐵在熱敏電阻為50℃時被吸合,下列操作步驟的正確順序是____。

圖2

①將熱敏電阻接入電路

②觀察到繼電器的銜鐵被吸合

③斷開開關,將電阻箱從電路中移除

④合上開關,調節(jié)滑動變阻器的阻值

⑤斷開開關,用電阻箱替換熱敏電阻,將阻值調至108.1Ω

解析：(1)由表中數(shù)據(jù)可知,當溫度為30℃時,熱敏電阻的阻值為199.5Ω,繼電器的阻值R0=20Ω,當電流I=15mA時,E=I(Rt+R0)=3.3V,所以電源應選E2。當溫度為80℃時,熱敏電阻的阻值為49.1Ω,則E2=I(Rt+R0+R),此時滑動變阻器的阻值為330.9Ω,所以滑動變阻器應選R2。

(2)測量電路為直流電路,多用電表作為電壓表測量電壓,因此旋鈕應旋至直流電壓擋C處。

(3)若只有b、c間斷路,則當表筆接入a、b時,整個回路斷路,電表指針不偏轉;當表筆接入a、c時,電表中有電流通過,電表指針偏轉。

(4)當溫度為50℃時,熱敏電阻的阻值為108.1 Ω,所以應將電阻箱的阻值調至108.1Ω,并調節(jié)滑動變阻器使銜鐵吸合,再將電阻箱換成熱敏電阻,故正確的操作順序為⑤④②③①。

點評：本題(1)問,要求考生選擇合適的器材(電源,滑動變阻器等),完成實驗設計。選擇電源,應計算實驗中需要的電動勢E的最小值,然后取電動勢稍大的電源。選擇滑動變阻器,應考慮實驗中的極端情況,求出滑動變阻器的最大值,然后取阻值稍大的滑動變阻器。(2)(3)問,考生可以根據(jù)平時所學的實驗知識做出判斷。(4)問考查實驗的操作步驟,如果考生的實際操作經(jīng)驗不足,就容易出錯,因此同學們在復習備考過程中一定要親自操作,認真訓練。

跟蹤訓練

有一個額定電壓為2.8 V、功率約為0.8W的小燈泡,現(xiàn)要用伏安法測繪這個小燈泡的I-U圖像,有下列器材供選用：

A.電壓表(0～3V,內阻6k Ω)

B.電壓表(0～15V,內阻30k Ω)

C.電流表(0～3A,內阻0.1Ω)

D.電流表(0～0.6A,內阻0.5Ω)

E.滑動變阻器(10Ω,5A)

F.滑動變阻器(200Ω,0.5A)

G.蓄電池(電動勢6V,內阻不計)

圖3

(1)用如圖3所示的電路進行測量,電壓表應選用____,電流表應選用____,滑動變阻器應選用____。(用序號字母表示)

(2)通過實驗測得這個小燈泡的伏安特性曲線如圖4所示。由圖像可求得此小燈泡在正常工作時的電阻為_______Ω。

圖4

(3)若將此小燈泡與電動勢為6V、內阻不計的蓄電池相連,則要使此小燈泡正常發(fā)光,需串聯(lián)一個阻值為____Ω的電阻。

(責任編輯 張 巧)