(江蘇省儀征中學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 211900)

物理是一門以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)有利于培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，能在觀察和實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題，提出合理的猜想和假設(shè)，具有設(shè)計(jì)探究方案和獲取數(shù)據(jù)的能力，使用不同方法和手段分析來處理信息，并解釋探究結(jié)果和變化趨勢。這些能力的考查由于高考的考試模式限制，只能通過試卷反映學(xué)生的這些能力。在每年全國各地高考卷中，電學(xué)實(shí)驗(yàn)題也就成了必考的試題，通過電路的設(shè)計(jì)，可以考查學(xué)生的探究能力；通過電表讀數(shù)培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力，通過電路故障的分析，考查學(xué)生的動(dòng)手能力；通過數(shù)據(jù)的處理、誤差的分析，考查學(xué)生的分析數(shù)據(jù)能力。

近五年來江蘇高考的電學(xué)實(shí)驗(yàn)題主要圍繞以下幾個(gè)方面考查，如描繪小燈泡、二極管等元件的伏安特性曲線，掌握電流表和電壓表的改裝，多用電表的使用和讀數(shù)，會(huì)使用螺旋測微器和游標(biāo)卡尺，并能準(zhǔn)確讀數(shù)，會(huì)測量金屬的電阻率，通過電路的設(shè)計(jì)掌握滑動(dòng)變阻器的限流式和分壓式連接，知道電流表的內(nèi)接和外接，會(huì)測量電源的電動(dòng)勢和內(nèi)阻。

1 各種器材讀數(shù)和使用的考查

電學(xué)實(shí)驗(yàn)中考查讀數(shù)主要圍繞兩把尺和三個(gè)表，即螺旋測微器、游標(biāo)卡尺、電流表、電壓表和多用電表。

1.1 游標(biāo)卡尺

如圖1所示，游標(biāo)卡尺主要由主尺和游標(biāo)尺兩部分組成，主尺以毫米為單位，游標(biāo)尺有10分度、20分度和50分度，分度值分別為0.1mm、0.05mm和0.02mm。讀數(shù)時(shí)分兩部分，其一為游標(biāo)尺零刻度線左側(cè)對(duì)應(yīng)的主尺上面毫米的整數(shù)倍。其二為與主尺對(duì)齊的游標(biāo)尺第N條刻度線，對(duì)應(yīng)數(shù)值為N乘以分度值。二者之和即為最終讀數(shù)，單位為毫米。該尺可以測直徑，也可以測內(nèi)徑，還可以測量深度。

圖1

1.2 螺旋測微器

圖2為螺旋測微器，又稱千分尺，其讀數(shù)由固定刻度和可動(dòng)刻度兩部分構(gòu)成，讀數(shù)時(shí)先讀出固定刻度上面露出0.5mm的整數(shù)倍，再讀出可動(dòng)刻度上面與固定刻度對(duì)齊的刻度線乘以0.01mm，可動(dòng)刻度線必須估讀到下一位，二者之和為最終讀數(shù)。

圖2

1.3 電流表和電壓表

因中學(xué)電學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的電流表和電壓表準(zhǔn)確度級(jí)別較低，對(duì)估讀不作要求。

1.4 多用電表

讀數(shù)時(shí)先看選擇開關(guān)所選的功能擋位，是測電阻，還是測電流、電壓等。如圖3所示，第一行為電阻，如果指針指在某一刻度線上，直接讀出示數(shù)即可，可以不估讀，用讀出的值乘以倍率。第二行為直流電流、直流電壓和交流電流，第三行為交流電壓，多用電表在高中只對(duì)歐姆擋、直流電流擋和直流電壓擋進(jìn)行考查。

圖3

江蘇2014年高考電學(xué)部分考查了螺旋測微器的使用，2015年考查了電流表的讀數(shù)，現(xiàn)以2014年高考題做分析。

例1：某同學(xué)通過實(shí)驗(yàn)測量一種合金的電阻率。用螺旋測微器測量合金絲的直徑。為防止讀數(shù)時(shí)測微螺桿發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),讀數(shù)前應(yīng)先旋緊如圖4所示的部件 (選填“A”“B”“C”或“D”)。從圖4中的示數(shù)可讀出合金絲的直徑_______mm。

圖4

解析：對(duì)于螺旋測微器一般考查讀數(shù)，但是該問考查了旋鈕的功能，該題選擇B。讀數(shù)時(shí)需要估讀，讀數(shù)為0.410mm。

在5年考試中有2年對(duì)儀器的讀數(shù)作了考查，在考查的同時(shí)關(guān)注學(xué)生對(duì)儀器的使用，各個(gè)功能需要熟悉，最近三年都沒有考查儀器讀數(shù)，在復(fù)習(xí)中對(duì)電壓表的讀數(shù)和多用電表測電阻時(shí)的讀數(shù)需要關(guān)注。

2 實(shí)驗(yàn)電路的選擇

關(guān)于電學(xué)實(shí)驗(yàn)的電路需要關(guān)注原理電路圖和實(shí)物電路圖，在具體的連接過程中對(duì)滑動(dòng)變阻器的限流、分壓兩種控制電路的原理把握要準(zhǔn)，對(duì)安培表的內(nèi)、外接要區(qū)分清楚，并注意電表的正負(fù)極。

2.1 限流式

圖5

如圖5所示，滑動(dòng)變阻器與待測電阻串聯(lián)，滑動(dòng)變阻器右半部分被短路，滑片向右移動(dòng)，電流變小，待測電阻上的電壓變小，但是其上電壓無法減小到0。這種電路的設(shè)計(jì)在江蘇高考題中是常規(guī)電路，一般不需要學(xué)生去設(shè)計(jì)，在測定電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)中對(duì)這個(gè)電路考查得較多。

2.2 分壓式

圖6

如圖6所示，滑動(dòng)變阻器左半部分與待測電阻并聯(lián)，滑片向右滑動(dòng)，待測電阻上的電壓增大，當(dāng)滑片移動(dòng)到最左端時(shí)，待測電阻被短路，待測電阻上的電壓為0，與限流式不同之處在于其上電壓可以從零開始調(diào)節(jié)。這種電路的設(shè)計(jì)，往往容易被學(xué)生忽視，是考查的熱點(diǎn)，現(xiàn)以2013年江蘇高考為例進(jìn)行分析。

例2：為探究小燈泡的電功率P和電壓U的關(guān)系,小明測量小燈泡的電壓U和電流I,利用P=UI得到電功率。實(shí)驗(yàn)所使用的小燈泡規(guī)格為“3.0V 1.8W”,電源為12V的電池,滑動(dòng)變阻器的最大阻值為10Ω。

(1) 準(zhǔn)備使用的實(shí)物電路如圖7甲所示。請(qǐng)將滑動(dòng)變阻器接入電路的正確位置(用筆畫線代替導(dǎo)線)。

解析：根據(jù)測量要求，本實(shí)驗(yàn)需要使加在小燈泡上的電壓有較大變化范圍，故滑動(dòng)變阻器選擇分壓式，電路連接如圖7乙所示。

對(duì)于電路的設(shè)計(jì)首先要能夠畫出原理圖，對(duì)照原理圖再去分析實(shí)物圖，五年來江蘇高考給出的都是實(shí)物圖，所以無論如何考查，都要回歸本源，回歸到實(shí)驗(yàn)室的操作中去，認(rèn)清了原理才能準(zhǔn)確地連接實(shí)物圖，并能分析電路中出現(xiàn)各種故障的原因，電流表內(nèi)接和電流表外接法僅在2014年江蘇高考中做了考查。

圖7

3 實(shí)驗(yàn)器材的選用

一個(gè)完整的電學(xué)實(shí)驗(yàn)，其中涉及的器材很多，主要包括電源、開關(guān)、電壓表、電流表、滑動(dòng)變阻器、電阻箱、多用電表等。5年來江蘇高考3年考查了器材的選用，2013年考查的是定值電阻選用，2016年考查的是電流表的選用，2017年考查的是電源E的選擇和滑動(dòng)變阻器的選用，現(xiàn)以2017年江蘇高考試題作分析。

例3：某同學(xué)通過實(shí)驗(yàn)制作一個(gè)簡易的溫控裝置，實(shí)驗(yàn)原理電路圖如圖8所示，繼電器與熱敏電阻Rt、滑動(dòng)變阻器R串聯(lián)接在電源E兩端，當(dāng)繼電器的電流超過15mA時(shí)，銜鐵被吸合，加熱器停止加熱，實(shí)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(guān)系如表1所示。

表1

圖8

(1) 提供的實(shí)驗(yàn)器材有：電源E1(3V，內(nèi)阻不計(jì))、電源E2(6V，內(nèi)阻不計(jì))、滑動(dòng)變阻器R1(0～200Ω)、滑動(dòng)變阻器R2(0～500Ω)、熱敏電阻Rt，繼電器、電阻箱(0～999.9Ω)、開關(guān)S、導(dǎo)線若干。

為使該裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)30～80℃之間任一溫度的控制，電源E應(yīng)選用______(選填“E1”或“E2”)，滑動(dòng)變阻器R應(yīng)選用_____(選填“R1”或“R2”)。

解析：由表1知當(dāng)溫度為30℃時(shí)，熱敏電阻的阻值為199.5Ω，繼電器的阻值為30Ω，當(dāng)電流為15mA時(shí),得到E=3.3V,所以電源取E2。當(dāng)溫度為80℃時(shí)，熱敏電阻的阻值為49.1Ω，則變阻器電阻為330.9Ω，所以滑動(dòng)變阻器R應(yīng)選用R2。

各種器材的選擇要首先保證電路安全，電源的選擇要保證流過電流表的電流和加在電壓表上的電壓均不超過使用量程，然后合理選擇量程，務(wù)必使指針有較大偏轉(zhuǎn)，以減少讀數(shù)誤差，流過滑動(dòng)變阻器、定值電阻和電阻箱的電流不能超過其額定值。

4 電路故障的分析

常見的電路故障如下：(1) 閉合開關(guān)時(shí)燈泡不亮、電流表和電壓表無示數(shù)，電源、電流表、開關(guān)或滑動(dòng)變阻器損壞或者接線柱接觸不良，出現(xiàn)了斷路。

(2) 電流表與電壓表的示數(shù)為零，可能是電流表和電壓表的正負(fù)接線柱接反。

(3) 電流表與電壓表的指針偏轉(zhuǎn)角度很小，可能是電流表與電壓表的量程選擇過大或者電源電壓過低。

(4) 電表的指針超過最大刻度，可能是電表量程選擇過小、電路中出現(xiàn)短路。

(5) 滑動(dòng)變阻器的滑片滑動(dòng)時(shí)，電表示數(shù)及燈泡的亮度不變，可能是滑動(dòng)變阻器連接錯(cuò)誤，沒有遵循“一上一下”的接線原則，同時(shí)接在了上面或者下面兩個(gè)接線柱上。

在近五年的江蘇高考中，2014年是發(fā)現(xiàn)電壓表和電流表的指針只在圖示位置發(fā)生很小的變化，分析其原因，2017年高考是分析電路故障，現(xiàn)以2014年的高考試題作分析。

圖9

例4：(1) 如圖9所示是測量合金絲電阻的電路,相關(guān)器材的規(guī)格已在圖中標(biāo)出。合上開關(guān),將滑動(dòng)變阻器的滑片移到最左端的過程中,發(fā)現(xiàn)電壓表和電流表的指針只在圖示位置發(fā)生很小的變化。由此可以推斷:電路中________(選填圖中表示接線柱的數(shù)字)之間出現(xiàn)了_______(選填“短路”或“斷路”)。

(2) 在電路故障被排除后,調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器,讀出電壓表和電流表的示數(shù)分別為2.23V和38mA,由此,該同學(xué)算出接入電路部分的合金絲的阻值為58.7Ω。為了更準(zhǔn)確地測出合金絲的阻值,在不更換實(shí)驗(yàn)器材的條件下,對(duì)實(shí)驗(yàn)應(yīng)做怎樣的改進(jìn)?請(qǐng)寫出兩條建議。

解析：(1) 電表指針在圖示位置發(fā)生很小的變化，即電壓表讀數(shù)在3V左右，電流表讀數(shù)幾乎為0。接線柱7、9間發(fā)生斷路時(shí)，會(huì)出現(xiàn)這個(gè)情況。

2017年高考試題為已經(jīng)知道了故障，要求選擇器材去判斷，在高考復(fù)習(xí)中對(duì)于實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的各類故障問題要做詳細(xì)的歸類，方能從容面對(duì)。

5 實(shí)驗(yàn)的正確操作和實(shí)驗(yàn)步驟考查

實(shí)驗(yàn)?zāi)芰κ歉呖贾攸c(diǎn)考查的內(nèi)容，可是在高考題中只能是“紙上談兵”，為考查學(xué)生的動(dòng)手能力，命題者考慮從實(shí)驗(yàn)器材的使用出發(fā)，近五年來江蘇高考考了3次器材的使用，2013年考查了測量結(jié)束后的操作，2016年考查了電阻箱的使用，2017年考查了多用電表的使用，尤其是最近的兩年都考查了操作步驟的正確順序，現(xiàn)以2016江蘇高考題作分析。

圖10

例5：小明同學(xué)通過實(shí)驗(yàn)探究某一金屬電阻的阻值R隨溫度t的變化關(guān)系。已知該金屬電阻在常溫下的阻值約為10Ω，R隨t的升高而增大。實(shí)驗(yàn)電路如圖10所示，控溫箱用以調(diào)節(jié)金屬電阻的溫度。實(shí)驗(yàn)時(shí)閉合S,先將開關(guān)K與1端閉合，調(diào)節(jié)金屬電阻的溫度，分別記下溫度t1，t2，…和電流表的相應(yīng)示數(shù)I1，I2，…。然后將開關(guān)K與2端閉合,調(diào)節(jié)電阻箱使電流表的示數(shù)再次為I1，I2，…,分別記下電阻箱相應(yīng)的示數(shù)R1，R2，…。

(1) 有以下兩種電流表,實(shí)驗(yàn)電路中應(yīng)選用______。

A. 量程0～100mA,內(nèi)阻約2Ω

B. 量程0～0.6A,內(nèi)阻可忽略

(2) 實(shí)驗(yàn)過程中,要將電阻箱的阻值由9.9Ω調(diào)節(jié)至10.0Ω,需旋轉(zhuǎn)圖中電阻箱的旋鈕“a”“b”“c”,正確的操作順序是_______。

① 旋鈕a由“0”旋轉(zhuǎn)至“1”；②旋鈕b由“9”旋轉(zhuǎn)至“0”；③旋鈕c由“9”旋轉(zhuǎn)至“0”。

(2) 電阻箱的調(diào)節(jié)要從大到小，確保電路安全，所以順序是：①②③或①③②。

6 結(jié)語

2016年和2017年都考查了實(shí)驗(yàn)的正確操作步驟，對(duì)數(shù)據(jù)的考查和誤差的分析也是考查的重點(diǎn)，比如2015年考查了測電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻的誤差分析，通過作圖考查了數(shù)據(jù)處理。由于高考的選拔性要求，試題以課本實(shí)驗(yàn)為背景，通過改變實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)置題目，不脫離教材而又不拘泥教材，體現(xiàn)了開放性、探究性等特點(diǎn)。不過從2016和2017年的命題來看，電學(xué)實(shí)驗(yàn)題的考查逐漸回歸到常規(guī)題目，所以在高考實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)中，有條件的可以讓學(xué)生把測定金屬的電阻率、描繪小燈泡的伏安特性曲線、測定電源的電動(dòng)勢和內(nèi)阻、練習(xí)使用多用電表的實(shí)驗(yàn)都操作一遍。在練習(xí)的過程中不必要追求難、偏、怪、非常規(guī)的問題，回歸常規(guī)，回歸課本，才是高考物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)取得成功的關(guān)鍵。

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