設計型電學實驗題的分類與解答思路
2008-01-01 00:00:00岑忠
物理教學探討 2008年3期
設計型電學實驗題考查考生對實驗原理的認識及理解、實驗器材的選取、步驟的合理安排、實驗操作、數(shù)據(jù)分析處理及結論的得出等一系列知識和能力。試題具有考查方式新、考察內容廣和能力要求高的特點，受到命題者的高度青睞，設計型實驗題已將電學實驗的考查推向了更新的高度。本文就以高考電學實驗題為例進行分類解析，供讀者參考。
1 提供器材及實驗原理型試題
這類試題直接給出實驗器材和實驗原理或試題本身已經(jīng)設計出實驗方案，且已完成實驗的某些步驟，要求考生根據(jù)題意進一步完成實驗。
解答思路：學會遷移，突破難點。即根據(jù)實驗原理、題設要求和題設條件，整理加工信息和隱含條件，將教材相關實驗的做法和知識有效地遷移到題目中，得出合理方案。
例1 (2007年上海單科16題)某同學設計了如圖1所示電路研究電源輸出功率變化情況。電源E電動勢、內電阻恒定，R1為滑動變阻器，R2、R3為定值電阻，A、V為理想電表。
(1)若滑動片P由a滑至b時A示數(shù)一直變小，則R1和R2必須滿足的關系是_______。
(2)若R1=6Ω，R2=12Ω，電源內電阻r=6Ω，當滑動片P由a滑至b時，電源E的輸出功率P隨外電路總電阻R的變化關系如圖2所示，則R3的阻值應該選擇________
A．2ΩB．4ΩC．6ΩD．8Ω
解析 本題考查“電壓和電源輸出功率的變化規(guī)律”知識點，重在電路分析，突破點為○A的示數(shù)一直變小，導致總電阻一直增大。
2 提供實驗原理、自主選擇器材型試題
這類試題提供實驗原理，給出一些器材，讓考生根據(jù)實驗原理設計實驗電路圖，選擇所需實驗器材，連接實物圖，完成實驗。
解答思路：尋果追因，逆向思維。即根據(jù)實驗原理，結合實驗的目的和要求，從結果或結論出發(fā)尋找條件，由此確定解題路徑，用逆向思維的方法設計出方案。
例2 (2007年山東理綜23題)檢測一個標稱值為5Ω的滑動變阻器。可供使用的器材如下：
A、待測滑動變阻器Rx，全電阻約5Ω(電阻絲繞制緊密，匝數(shù)清晰可數(shù)）
B、電流表A1，量程0．6A，內阻約0．6Ω；
C、電流表A2，量程3A，內阻約0．12Ω；
D、電壓表V1，量程15V，內阻約15kΩ；
E、電壓表V2，量程3V，內阻約3kΩ；
F、滑動變阻器R，全電阻約20Ω；
G、直流電源E，電動勢3V，內阻不計；
H、游標卡尺； I、毫米刻度尺；
J、電鍵； S、導線若干。
(1)用伏安法測定Rx的全電阻值，所選電流表_____(填“A1”或“A2”)，所選電壓表為______(填“V1”或“V2”)
(2)畫出測量電路的原理圖，并根據(jù)所畫原理圖將圖3中實物連接成測量電路。
(3)為了進一步測量待測量滑動變阻器電阻絲的電阻率，需要測量電阻絲的直徑和總長度，在不破壞變阻器的前提下，請設計一個實驗方案，寫出所需器材及操作步驟，并給出直徑和總長度的表達式。
解析 題目所提供實驗原理為用伏安法測量Rx，通過進一步計算確定所選的電壓表和電流表；測量電阻率，可通過數(shù)滑動變阻器圈數(shù)和測量變阻器陶瓷管內外部直徑之差求出電阻絲直徑及總長。
(1)因為需測量的是Rx的全電阻，則電流
小于A2表的滿偏值的23，故選A1表，因電動勢E=3V＜23×15V=10V，故選V2表。
(2)因滑動變阻器R約為20Ω，而Rx為5Ω，阻值相差不大，變阻器R有分壓法和限流法兩種接法(圖4為用分壓法設計原理圖和對應的實物連接圖)。
(3)需要的器材：游標卡尺。
主要操作步驟：
①數(shù)出變阻器線圈繞匝數(shù)n；
②用游標卡尺測量變阻器線圈的外徑D1和瓷管部分的外徑D2，可得電阻絲的直徑為d=D1-D22，電阻絲總長度l=nπ2(K1+D2)；
③重復測量三次，求出電阻的直徑和總長度的平均值。
3 綜合設計型試題
不提供實驗原理，只給出實驗可能用到的器材，要求考生根據(jù)所學知識，自行設計實驗電路，選擇所需的器材，完成實驗。要求實驗方法盡量簡便、合理，實驗結果更加精確。
解答思路：根據(jù)題設要求，將所給的器材或條件進行組合，考慮用教材中常用的測量方法或類似教材測量方法進行測量，完成實驗設計。
例3 (05年全國理綜Ⅰ 22題)測量電源B的電動勢E及內阻r(E約為4．5V，r約為5Ω)。器材：量程為3V的理想電壓表○V，量程為0．8A的電流表○A(具有一定內阻)，固定電阻R=4Ω，滑線變阻器R′，開關S，導線若干。
①畫出實驗電路原理圖，圖中各元件需用題目中給出的符號或字母標出。
②實驗中，當電流表示數(shù)為I1時，電壓表讀數(shù)為U1；當電流表讀數(shù)為I2時，電壓表讀數(shù)為U2，則可以求出E=______，r=______。(用I1、I2、Ul、U2及R表示)
解析 從題設知，可用伏安法測電動勢和內阻。理想電壓表的量程為3V，待測的電源電動勢約為4．5V，所以電壓表不能直接接到電源的兩端，要考慮用定值電阻與電池串連，以增大內阻、減小路端電壓，滑線變阻器的作用是控制電路中的電流，應該用限流法。電流表有一定的內阻，為減小內阻測量誤差，電流表應用內接法。設計出的電路圖如圖5所示。
由閉合電路歐姆定律，有：
E=U1+I1（R+r)，E=U2+I2(R+r)
結合上兩式解得
E=I1U2-I2U1I1-I2，r=U2-U1I1-I2-R
設計型電學實驗題對學生的能力要求較高，培養(yǎng)學生分析與解決這類題的能力不是一蹴而就的，必須遵循循序漸進的原則，在備考過程中加強方法指導，讓學生在訓練中體會設計思想，逐步掌握解答這類題的方法和技巧。
(欄目編輯王柏廬)
注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。
