高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)熱點(diǎn)考題模型探究

文/劉禮全

摘 要：高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)電學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)，對(duì)典型電學(xué)實(shí)驗(yàn)熱點(diǎn)的歸納總結(jié)不僅有助于學(xué)生知識(shí)框架的完善，同時(shí)也是提升基本物理技能的有效途徑。從現(xiàn)階段人教版物理教材的要求出發(fā)，歸納探討了電學(xué)實(shí)驗(yàn)常見的熱點(diǎn)模型，通過實(shí)例解析灌輸了不同電學(xué)熱點(diǎn)對(duì)應(yīng)的具體物理模型，供廣大學(xué)習(xí)者借鑒。

關(guān)鍵詞：電學(xué)實(shí)驗(yàn)；高中物理；物理模型

一、電學(xué)實(shí)驗(yàn)相關(guān)技能分析

高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)作為技能培養(yǎng)的基礎(chǔ)，對(duì)器材的正確認(rèn)識(shí)是開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的前提。根據(jù)現(xiàn)階段高中學(xué)生在電學(xué)實(shí)驗(yàn)部分的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，該部分的實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)很大程度上體現(xiàn)在對(duì)電學(xué)實(shí)驗(yàn)核心器材的認(rèn)識(shí)和理解上。高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的硬件器材主要包括電流表、電壓表、滑動(dòng)變阻器以及各種開關(guān)等。正確認(rèn)識(shí)電學(xué)實(shí)驗(yàn)原理的首要前提是對(duì)各種電表的正確接線以及準(zhǔn)確讀數(shù)，該技能是完成電學(xué)實(shí)驗(yàn)的必備技能，也稱之為電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的“硬件操作能力”。

此外，與硬件實(shí)驗(yàn)器材相對(duì)應(yīng)的就是對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的理論認(rèn)識(shí)和理解，亦即通過教材理論知識(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、規(guī)劃等，該技能也稱之為電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的“軟件設(shè)計(jì)技能”，譬如，再利用滑動(dòng)變阻器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先應(yīng)該熟知該器件所具備的分壓、限流等原理，而后才能依據(jù)合理的物理規(guī)律進(jìn)行電路連接等操作，該過程不僅涉及硬件控制技能，更重要的是考查了學(xué)生在整個(gè)電學(xué)原理的學(xué)習(xí)中是否具備系統(tǒng)的電學(xué)理論框架，能夠設(shè)計(jì)合理、科學(xué)的電學(xué)實(shí)驗(yàn)，并且能夠利用課本基本知識(shí)合理地解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等。可見當(dāng)具備扎實(shí)的硬件操作技能和完善的電學(xué)理論功底時(shí)，才能正確深刻地理解電學(xué)規(guī)律，進(jìn)而對(duì)電學(xué)熱點(diǎn)考題進(jìn)行歸納總結(jié)，在處理相關(guān)問題時(shí)才會(huì)體現(xiàn)出高屋建瓴的優(yōu)勢。

二、高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)熱點(diǎn)模型分析

1.滑動(dòng)變阻器模型

■

高中物理實(shí)驗(yàn)中對(duì)滑動(dòng)變阻器的考查相對(duì)頻繁，主要涉及對(duì)滑動(dòng)變阻器原理的理解，在實(shí)際電路中對(duì)滑動(dòng)變阻器的使用要求相對(duì)固定，亦即對(duì)變阻器在電路中所起的作用性質(zhì)分析。通常情況下，高中物理中滑動(dòng)變阻器的主要作用分為“限流”和“分壓”原理，所以這塊內(nèi)容的電學(xué)實(shí)驗(yàn)中主要圍繞這兩點(diǎn)原理展開，限流和分壓的基本原理都是通過滑動(dòng)變阻器觸頭的改變達(dá)到電路某個(gè)負(fù)載上所分擔(dān)的電壓或者電流的變化效果。如圖1所示，（a）圖為典型的分壓效果等效電路圖，（b）圖為限流原理等效電路圖，（a）圖中通過觸頭P的移動(dòng)改變電路中總電阻R的大小，在總電動(dòng)勢E不變的情況下電路電流發(fā)生變化，亦即達(dá)到控制流過負(fù)載RL的電流目的。同理，（b）圖中通過觸頭P的移動(dòng)改變與負(fù)載RL并聯(lián)的支路中電阻值的大小，進(jìn)而達(dá)到改變負(fù)載RL兩端電壓的調(diào)節(jié)目的。此外，電學(xué)實(shí)驗(yàn)中對(duì)滑動(dòng)變阻器的具體控制原理選擇上必須依托于電路中負(fù)載之間的特性和控制需求。一般說來，對(duì)控制范圍較大的電路采用分壓接法，而限流接法更加適合與電路中其他負(fù)載電阻總和與滑動(dòng)變阻器相接近的情況，同時(shí)后者具有更低的能耗。

例1：用伏安法測金屬電阻Rx（約為5 Ω）的值，實(shí)驗(yàn)中所用電流表和電壓表內(nèi)阻分別為：1 Ω和8kΩ，量程分別為0.6 A和3 V，電源電動(dòng)勢為E=9 V，滑動(dòng)變阻器R0的全電阻為5 Ω，額定電流為5A，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)測量Rx的模擬電路圖。

分析：該題中對(duì)滑動(dòng)變阻器的額定電流有了明確要求，因此電路設(shè)計(jì)的首要原則之一是流過變阻器的最小電流不能超過其額定電流，如果采用限流接法，通過變阻器的調(diào)節(jié)，電路中最小電流為：Imin=E/（Rx+R0）>電流表所給的量程，因此此時(shí)必須采用分壓接法如圖2所示。

2.精度考查模型

高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的精度原則也是考查的熱點(diǎn)模型，從基本原則上來說對(duì)電表讀書的要求誤差必須盡可能小，因此涉及滑動(dòng)變阻器類型的選擇時(shí)必須綜合電表讀數(shù)以及量程范圍而確定，如下實(shí)例2中的實(shí)驗(yàn)器材選擇是高考常見模型。

例2：如圖3，在測量電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)中，可供選擇的器材有：電壓表（3 V，3 kΩ）、電流表（0.6 A，1.0 Ω）、滑動(dòng)變阻器有R1（10 Ω，2 A）和R2（100 Ω，0.1A）。據(jù)粗略估計(jì)待測電源電動(dòng)勢E約為1.5 V，內(nèi)阻約為1 Ω，則較為恰當(dāng)?shù)淖冏杵鳛?？

分析：該模型的出發(fā)點(diǎn)在于如何提高電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的有效測試精度，亦即考查學(xué)生對(duì)電學(xué)知識(shí)的精細(xì)化理解。從電學(xué)基本理論來說，對(duì)以上已知變阻器的任何選擇都可以得到相應(yīng)的測試結(jié)果，然而對(duì)于精確化測試來說不同的選擇對(duì)應(yīng)的誤差等級(jí)相差甚大。從該題出發(fā)，通過待測電動(dòng)勢的估測電動(dòng)勢值可以首先粗略計(jì)算電路中的最大電流與最小電流，進(jìn)而根據(jù)電表所給的量程選擇最接近的參數(shù)，因?yàn)閷?duì)電表的讀數(shù)本身存在很大的人為主觀性，只有當(dāng)實(shí)測電流、電壓值和量程相差較小時(shí)，才可保證相對(duì)較為準(zhǔn)確的讀數(shù)。然而，在限制條件的選擇上出現(xiàn)多元化模式，亦即電表范圍、滑動(dòng)變阻器自身額定電流限制等，因此面對(duì)這種模型的電學(xué)考查時(shí)必須從多角度綜合分析，選擇適合于各種電表以及全部用電器的有效電阻范圍，主要從以下幾方面分類討論。

（1）電表限制因素分析

考慮到電表的安全與合理性，從電表量程范圍入手挖掘有用信息。不難看出，電路中具備最大電流時(shí)，接入電路的滑動(dòng)變阻器的有效電阻為0 Ω，僅有電源內(nèi)阻提供負(fù)載，亦即1.5 A，此時(shí)顯然已經(jīng)超過了電流表最大量程，因此必須借助滑動(dòng)變阻器進(jìn)行限流控制，而且根據(jù)電流表限制條件可以確定允許接入電路的最小有效電阻為：Rmin=E/Imax-RA-RE=0.5 Ω，單從這一點(diǎn)上來看兩個(gè)變阻器都能實(shí)現(xiàn)該目的，因此電流表量程的判斷標(biāo)準(zhǔn)不能作為唯一的解題信息。

（2）電路誤差因素分析

按照最大電流為1.5 A可以看出滑動(dòng)變阻器R2的額定電流與之相差甚遠(yuǎn)，對(duì)于高精度測試電路來說這種選擇存在較大誤差，而且在實(shí)際調(diào)解中可操作性較弱，因此從該角度出發(fā)選擇R2時(shí)存在較大誤差。上述分析可知，對(duì)于涉及精度選擇的電學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠碚f，常用的處理技巧所包含的原則必須從實(shí)際電壓、電流的大小與所給量程是否接近以及是否保證電路的安全等，在滿足該條件的基礎(chǔ)上要使得整個(gè)電學(xué)實(shí)驗(yàn)具備較強(qiáng)的可操作性，亦即滿足實(shí)驗(yàn)條件的變化范圍相對(duì)寬泛，只有滿足以上幾點(diǎn)原則才是正確處理電學(xué)實(shí)驗(yàn)問題的先決條件。

3.電路故障模型

電路故障的分析是高中物理中常見的考查模型之一，從思維角度出發(fā)故障分析更加傾向于逆向賦值法則，亦即通過電路中用電器狀態(tài)的假設(shè)進(jìn)一步判斷該狀態(tài)對(duì)整個(gè)電路以及電表特性的影響。

例3：如圖4所示的電路中，開關(guān)閉合后小燈泡不亮。現(xiàn)需要接入恰當(dāng)電表對(duì)其進(jìn)行故障排除：（1）如圖電路能否判斷開關(guān)是否完好，如果能，需要用到何種電表以及具體接入位置？如果不能，判斷需要對(duì)電路進(jìn)行哪些調(diào)整？（2）若電壓表示數(shù)接近電源電動(dòng)勢E，則可能出現(xiàn)問題的是什么？

分析：該題屬于簡單的故障分析模型，首先開關(guān)是否完好關(guān)系到電路中是否有電流通過，然而題目尚未給出電流表是否正常工作，因此必須借助外用電表進(jìn)行測試，該題可以采用逆向創(chuàng)新思維進(jìn)行探究，通過開關(guān)狀態(tài)的假定推導(dǎo)題設(shè)中滿足條件的故障。（1）假定開關(guān)斷路。此時(shí)常用的技巧是接入電壓表，通過電壓表示數(shù)與電源電動(dòng)勢的區(qū)別判斷是否該部分處于斷路狀態(tài)，接入位置為開關(guān)兩側(cè)接線柱，若外接入電壓表示數(shù)接近電源電動(dòng)勢，則說明開關(guān)斷路。如果開關(guān)完好，則燈泡不亮可能是由于電流表斷路自身故障造成，此時(shí)可以根據(jù)電表是否有示數(shù)來判斷，可見僅憑該題中的已知條件并不能確定判斷開關(guān)是否完好的方案。（2）若電壓表示數(shù)接近電源電動(dòng)勢時(shí)，可以斷定開關(guān)接線良好，此時(shí)電路中有電流通過，燈泡不亮只能是自身出現(xiàn)故障所致斷路現(xiàn)象。

通過上述故障分析不難看出，電學(xué)實(shí)驗(yàn)中對(duì)故障的排除離不開對(duì)用電器以及電表狀態(tài)的逆向假設(shè)思維，實(shí)際問題處理中必須根據(jù)題設(shè)條件進(jìn)行有針對(duì)的臨界法賦值，使得抽象問題具體化，增加解題的成功率。對(duì)高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)問題的考查，并非僅限本文所述的模型，面對(duì)復(fù)雜問題的處理往往離不開對(duì)多種模型的綜合理解，只有學(xué)生對(duì)基本電學(xué)常識(shí)融會(huì)貫通，領(lǐng)會(huì)適合自己的處理技巧，才能成功探究電學(xué)實(shí)驗(yàn)問題。

參考文獻(xiàn)：

［1］劉超.高中電學(xué)實(shí)驗(yàn)問題淺析［J］.湖南中學(xué)物理，2013（09）.

［2］王光毅.高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)器材和電路選擇［J］.物理教學(xué)探討，2010（08）.

編輯 謝尾合

摘 要：高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)電學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)，對(duì)典型電學(xué)實(shí)驗(yàn)熱點(diǎn)的歸納總結(jié)不僅有助于學(xué)生知識(shí)框架的完善，同時(shí)也是提升基本物理技能的有效途徑。從現(xiàn)階段人教版物理教材的要求出發(fā)，歸納探討了電學(xué)實(shí)驗(yàn)常見的熱點(diǎn)模型，通過實(shí)例解析灌輸了不同電學(xué)熱點(diǎn)對(duì)應(yīng)的具體物理模型，供廣大學(xué)習(xí)者借鑒。

關(guān)鍵詞：電學(xué)實(shí)驗(yàn)；高中物理；物理模型

一、電學(xué)實(shí)驗(yàn)相關(guān)技能分析

高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)作為技能培養(yǎng)的基礎(chǔ)，對(duì)器材的正確認(rèn)識(shí)是開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的前提。根據(jù)現(xiàn)階段高中學(xué)生在電學(xué)實(shí)驗(yàn)部分的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，該部分的實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)很大程度上體現(xiàn)在對(duì)電學(xué)實(shí)驗(yàn)核心器材的認(rèn)識(shí)和理解上。高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的硬件器材主要包括電流表、電壓表、滑動(dòng)變阻器以及各種開關(guān)等。正確認(rèn)識(shí)電學(xué)實(shí)驗(yàn)原理的首要前提是對(duì)各種電表的正確接線以及準(zhǔn)確讀數(shù)，該技能是完成電學(xué)實(shí)驗(yàn)的必備技能，也稱之為電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的“硬件操作能力”。

此外，與硬件實(shí)驗(yàn)器材相對(duì)應(yīng)的就是對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的理論認(rèn)識(shí)和理解，亦即通過教材理論知識(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、規(guī)劃等，該技能也稱之為電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的“軟件設(shè)計(jì)技能”，譬如，再利用滑動(dòng)變阻器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先應(yīng)該熟知該器件所具備的分壓、限流等原理，而后才能依據(jù)合理的物理規(guī)律進(jìn)行電路連接等操作，該過程不僅涉及硬件控制技能，更重要的是考查了學(xué)生在整個(gè)電學(xué)原理的學(xué)習(xí)中是否具備系統(tǒng)的電學(xué)理論框架，能夠設(shè)計(jì)合理、科學(xué)的電學(xué)實(shí)驗(yàn)，并且能夠利用課本基本知識(shí)合理地解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等?？梢姰?dāng)具備扎實(shí)的硬件操作技能和完善的電學(xué)理論功底時(shí)，才能正確深刻地理解電學(xué)規(guī)律，進(jìn)而對(duì)電學(xué)熱點(diǎn)考題進(jìn)行歸納總結(jié)，在處理相關(guān)問題時(shí)才會(huì)體現(xiàn)出高屋建瓴的優(yōu)勢。

二、高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)熱點(diǎn)模型分析

1.滑動(dòng)變阻器模型

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高中物理實(shí)驗(yàn)中對(duì)滑動(dòng)變阻器的考查相對(duì)頻繁，主要涉及對(duì)滑動(dòng)變阻器原理的理解，在實(shí)際電路中對(duì)滑動(dòng)變阻器的使用要求相對(duì)固定，亦即對(duì)變阻器在電路中所起的作用性質(zhì)分析。通常情況下，高中物理中滑動(dòng)變阻器的主要作用分為“限流”和“分壓”原理，所以這塊內(nèi)容的電學(xué)實(shí)驗(yàn)中主要圍繞這兩點(diǎn)原理展開，限流和分壓的基本原理都是通過滑動(dòng)變阻器觸頭的改變達(dá)到電路某個(gè)負(fù)載上所分擔(dān)的電壓或者電流的變化效果。如圖1所示，（a）圖為典型的分壓效果等效電路圖，（b）圖為限流原理等效電路圖，（a）圖中通過觸頭P的移動(dòng)改變電路中總電阻R的大小，在總電動(dòng)勢E不變的情況下電路電流發(fā)生變化，亦即達(dá)到控制流過負(fù)載RL的電流目的。同理，（b）圖中通過觸頭P的移動(dòng)改變與負(fù)載RL并聯(lián)的支路中電阻值的大小，進(jìn)而達(dá)到改變負(fù)載RL兩端電壓的調(diào)節(jié)目的。此外，電學(xué)實(shí)驗(yàn)中對(duì)滑動(dòng)變阻器的具體控制原理選擇上必須依托于電路中負(fù)載之間的特性和控制需求。一般說來，對(duì)控制范圍較大的電路采用分壓接法，而限流接法更加適合與電路中其他負(fù)載電阻總和與滑動(dòng)變阻器相接近的情況，同時(shí)后者具有更低的能耗。

例1：用伏安法測金屬電阻Rx（約為5 Ω）的值，實(shí)驗(yàn)中所用電流表和電壓表內(nèi)阻分別為：1 Ω和8kΩ，量程分別為0.6 A和3 V，電源電動(dòng)勢為E=9 V，滑動(dòng)變阻器R0的全電阻為5 Ω，額定電流為5A，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)測量Rx的模擬電路圖。

分析：該題中對(duì)滑動(dòng)變阻器的額定電流有了明確要求，因此電路設(shè)計(jì)的首要原則之一是流過變阻器的最小電流不能超過其額定電流，如果采用限流接法，通過變阻器的調(diào)節(jié)，電路中最小電流為：Imin=E/（Rx+R0）>電流表所給的量程，因此此時(shí)必須采用分壓接法如圖2所示。

2.精度考查模型

高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的精度原則也是考查的熱點(diǎn)模型，從基本原則上來說對(duì)電表讀書的要求誤差必須盡可能小，因此涉及滑動(dòng)變阻器類型的選擇時(shí)必須綜合電表讀數(shù)以及量程范圍而確定，如下實(shí)例2中的實(shí)驗(yàn)器材選擇是高考常見模型。

例2：如圖3，在測量電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)中，可供選擇的器材有：電壓表（3 V，3 kΩ）、電流表（0.6 A，1.0 Ω）、滑動(dòng)變阻器有R1（10 Ω，2 A）和R2（100 Ω，0.1A）。據(jù)粗略估計(jì)待測電源電動(dòng)勢E約為1.5 V，內(nèi)阻約為1 Ω，則較為恰當(dāng)?shù)淖冏杵鳛?？

分析：該模型的出發(fā)點(diǎn)在于如何提高電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的有效測試精度，亦即考查學(xué)生對(duì)電學(xué)知識(shí)的精細(xì)化理解。從電學(xué)基本理論來說，對(duì)以上已知變阻器的任何選擇都可以得到相應(yīng)的測試結(jié)果，然而對(duì)于精確化測試來說不同的選擇對(duì)應(yīng)的誤差等級(jí)相差甚大。從該題出發(fā)，通過待測電動(dòng)勢的估測電動(dòng)勢值可以首先粗略計(jì)算電路中的最大電流與最小電流，進(jìn)而根據(jù)電表所給的量程選擇最接近的參數(shù)，因?yàn)閷?duì)電表的讀數(shù)本身存在很大的人為主觀性，只有當(dāng)實(shí)測電流、電壓值和量程相差較小時(shí)，才可保證相對(duì)較為準(zhǔn)確的讀數(shù)。然而，在限制條件的選擇上出現(xiàn)多元化模式，亦即電表范圍、滑動(dòng)變阻器自身額定電流限制等，因此面對(duì)這種模型的電學(xué)考查時(shí)必須從多角度綜合分析，選擇適合于各種電表以及全部用電器的有效電阻范圍，主要從以下幾方面分類討論。

（1）電表限制因素分析

考慮到電表的安全與合理性，從電表量程范圍入手挖掘有用信息。不難看出，電路中具備最大電流時(shí)，接入電路的滑動(dòng)變阻器的有效電阻為0 Ω，僅有電源內(nèi)阻提供負(fù)載，亦即1.5 A，此時(shí)顯然已經(jīng)超過了電流表最大量程，因此必須借助滑動(dòng)變阻器進(jìn)行限流控制，而且根據(jù)電流表限制條件可以確定允許接入電路的最小有效電阻為：Rmin=E/Imax-RA-RE=0.5 Ω，單從這一點(diǎn)上來看兩個(gè)變阻器都能實(shí)現(xiàn)該目的，因此電流表量程的判斷標(biāo)準(zhǔn)不能作為唯一的解題信息。

（2）電路誤差因素分析

按照最大電流為1.5 A可以看出滑動(dòng)變阻器R2的額定電流與之相差甚遠(yuǎn)，對(duì)于高精度測試電路來說這種選擇存在較大誤差，而且在實(shí)際調(diào)解中可操作性較弱，因此從該角度出發(fā)選擇R2時(shí)存在較大誤差。上述分析可知，對(duì)于涉及精度選擇的電學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠碚f，常用的處理技巧所包含的原則必須從實(shí)際電壓、電流的大小與所給量程是否接近以及是否保證電路的安全等，在滿足該條件的基礎(chǔ)上要使得整個(gè)電學(xué)實(shí)驗(yàn)具備較強(qiáng)的可操作性，亦即滿足實(shí)驗(yàn)條件的變化范圍相對(duì)寬泛，只有滿足以上幾點(diǎn)原則才是正確處理電學(xué)實(shí)驗(yàn)問題的先決條件。

3.電路故障模型

電路故障的分析是高中物理中常見的考查模型之一，從思維角度出發(fā)故障分析更加傾向于逆向賦值法則，亦即通過電路中用電器狀態(tài)的假設(shè)進(jìn)一步判斷該狀態(tài)對(duì)整個(gè)電路以及電表特性的影響。

例3：如圖4所示的電路中，開關(guān)閉合后小燈泡不亮?，F(xiàn)需要接入恰當(dāng)電表對(duì)其進(jìn)行故障排除：（1）如圖電路能否判斷開關(guān)是否完好，如果能，需要用到何種電表以及具體接入位置？如果不能，判斷需要對(duì)電路進(jìn)行哪些調(diào)整？（2）若電壓表示數(shù)接近電源電動(dòng)勢E，則可能出現(xiàn)問題的是什么？

分析：該題屬于簡單的故障分析模型，首先開關(guān)是否完好關(guān)系到電路中是否有電流通過，然而題目尚未給出電流表是否正常工作，因此必須借助外用電表進(jìn)行測試，該題可以采用逆向創(chuàng)新思維進(jìn)行探究，通過開關(guān)狀態(tài)的假定推導(dǎo)題設(shè)中滿足條件的故障。（1）假定開關(guān)斷路。此時(shí)常用的技巧是接入電壓表，通過電壓表示數(shù)與電源電動(dòng)勢的區(qū)別判斷是否該部分處于斷路狀態(tài)，接入位置為開關(guān)兩側(cè)接線柱，若外接入電壓表示數(shù)接近電源電動(dòng)勢，則說明開關(guān)斷路。如果開關(guān)完好，則燈泡不亮可能是由于電流表斷路自身故障造成，此時(shí)可以根據(jù)電表是否有示數(shù)來判斷，可見僅憑該題中的已知條件并不能確定判斷開關(guān)是否完好的方案。（2）若電壓表示數(shù)接近電源電動(dòng)勢時(shí)，可以斷定開關(guān)接線良好，此時(shí)電路中有電流通過，燈泡不亮只能是自身出現(xiàn)故障所致斷路現(xiàn)象。

通過上述故障分析不難看出，電學(xué)實(shí)驗(yàn)中對(duì)故障的排除離不開對(duì)用電器以及電表狀態(tài)的逆向假設(shè)思維，實(shí)際問題處理中必須根據(jù)題設(shè)條件進(jìn)行有針對(duì)的臨界法賦值，使得抽象問題具體化，增加解題的成功率。對(duì)高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)問題的考查，并非僅限本文所述的模型，面對(duì)復(fù)雜問題的處理往往離不開對(duì)多種模型的綜合理解，只有學(xué)生對(duì)基本電學(xué)常識(shí)融會(huì)貫通，領(lǐng)會(huì)適合自己的處理技巧，才能成功探究電學(xué)實(shí)驗(yàn)問題。

參考文獻(xiàn)：

［1］劉超.高中電學(xué)實(shí)驗(yàn)問題淺析［J］.湖南中學(xué)物理，2013（09）.

［2］王光毅.高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)器材和電路選擇［J］.物理教學(xué)探討，2010（08）.

編輯 謝尾合

摘 要：高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)電學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)，對(duì)典型電學(xué)實(shí)驗(yàn)熱點(diǎn)的歸納總結(jié)不僅有助于學(xué)生知識(shí)框架的完善，同時(shí)也是提升基本物理技能的有效途徑。從現(xiàn)階段人教版物理教材的要求出發(fā)，歸納探討了電學(xué)實(shí)驗(yàn)常見的熱點(diǎn)模型，通過實(shí)例解析灌輸了不同電學(xué)熱點(diǎn)對(duì)應(yīng)的具體物理模型，供廣大學(xué)習(xí)者借鑒。

關(guān)鍵詞：電學(xué)實(shí)驗(yàn)；高中物理；物理模型

一、電學(xué)實(shí)驗(yàn)相關(guān)技能分析

高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)作為技能培養(yǎng)的基礎(chǔ)，對(duì)器材的正確認(rèn)識(shí)是開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的前提。根據(jù)現(xiàn)階段高中學(xué)生在電學(xué)實(shí)驗(yàn)部分的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，該部分的實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)很大程度上體現(xiàn)在對(duì)電學(xué)實(shí)驗(yàn)核心器材的認(rèn)識(shí)和理解上。高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的硬件器材主要包括電流表、電壓表、滑動(dòng)變阻器以及各種開關(guān)等。正確認(rèn)識(shí)電學(xué)實(shí)驗(yàn)原理的首要前提是對(duì)各種電表的正確接線以及準(zhǔn)確讀數(shù)，該技能是完成電學(xué)實(shí)驗(yàn)的必備技能，也稱之為電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的“硬件操作能力”。

此外，與硬件實(shí)驗(yàn)器材相對(duì)應(yīng)的就是對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的理論認(rèn)識(shí)和理解，亦即通過教材理論知識(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、規(guī)劃等，該技能也稱之為電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的“軟件設(shè)計(jì)技能”，譬如，再利用滑動(dòng)變阻器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先應(yīng)該熟知該器件所具備的分壓、限流等原理，而后才能依據(jù)合理的物理規(guī)律進(jìn)行電路連接等操作，該過程不僅涉及硬件控制技能，更重要的是考查了學(xué)生在整個(gè)電學(xué)原理的學(xué)習(xí)中是否具備系統(tǒng)的電學(xué)理論框架，能夠設(shè)計(jì)合理、科學(xué)的電學(xué)實(shí)驗(yàn)，并且能夠利用課本基本知識(shí)合理地解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等?？梢姰?dāng)具備扎實(shí)的硬件操作技能和完善的電學(xué)理論功底時(shí)，才能正確深刻地理解電學(xué)規(guī)律，進(jìn)而對(duì)電學(xué)熱點(diǎn)考題進(jìn)行歸納總結(jié)，在處理相關(guān)問題時(shí)才會(huì)體現(xiàn)出高屋建瓴的優(yōu)勢。

二、高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)熱點(diǎn)模型分析

1.滑動(dòng)變阻器模型

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高中物理實(shí)驗(yàn)中對(duì)滑動(dòng)變阻器的考查相對(duì)頻繁，主要涉及對(duì)滑動(dòng)變阻器原理的理解，在實(shí)際電路中對(duì)滑動(dòng)變阻器的使用要求相對(duì)固定，亦即對(duì)變阻器在電路中所起的作用性質(zhì)分析。通常情況下，高中物理中滑動(dòng)變阻器的主要作用分為“限流”和“分壓”原理，所以這塊內(nèi)容的電學(xué)實(shí)驗(yàn)中主要圍繞這兩點(diǎn)原理展開，限流和分壓的基本原理都是通過滑動(dòng)變阻器觸頭的改變達(dá)到電路某個(gè)負(fù)載上所分擔(dān)的電壓或者電流的變化效果。如圖1所示，（a）圖為典型的分壓效果等效電路圖，（b）圖為限流原理等效電路圖，（a）圖中通過觸頭P的移動(dòng)改變電路中總電阻R的大小，在總電動(dòng)勢E不變的情況下電路電流發(fā)生變化，亦即達(dá)到控制流過負(fù)載RL的電流目的。同理，（b）圖中通過觸頭P的移動(dòng)改變與負(fù)載RL并聯(lián)的支路中電阻值的大小，進(jìn)而達(dá)到改變負(fù)載RL兩端電壓的調(diào)節(jié)目的。此外，電學(xué)實(shí)驗(yàn)中對(duì)滑動(dòng)變阻器的具體控制原理選擇上必須依托于電路中負(fù)載之間的特性和控制需求。一般說來，對(duì)控制范圍較大的電路采用分壓接法，而限流接法更加適合與電路中其他負(fù)載電阻總和與滑動(dòng)變阻器相接近的情況，同時(shí)后者具有更低的能耗。

例1：用伏安法測金屬電阻Rx（約為5 Ω）的值，實(shí)驗(yàn)中所用電流表和電壓表內(nèi)阻分別為：1 Ω和8kΩ，量程分別為0.6 A和3 V，電源電動(dòng)勢為E=9 V，滑動(dòng)變阻器R0的全電阻為5 Ω，額定電流為5A，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)測量Rx的模擬電路圖。

分析：該題中對(duì)滑動(dòng)變阻器的額定電流有了明確要求，因此電路設(shè)計(jì)的首要原則之一是流過變阻器的最小電流不能超過其額定電流，如果采用限流接法，通過變阻器的調(diào)節(jié)，電路中最小電流為：Imin=E/（Rx+R0）>電流表所給的量程，因此此時(shí)必須采用分壓接法如圖2所示。

2.精度考查模型

高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的精度原則也是考查的熱點(diǎn)模型，從基本原則上來說對(duì)電表讀書的要求誤差必須盡可能小，因此涉及滑動(dòng)變阻器類型的選擇時(shí)必須綜合電表讀數(shù)以及量程范圍而確定，如下實(shí)例2中的實(shí)驗(yàn)器材選擇是高考常見模型。

例2：如圖3，在測量電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)中，可供選擇的器材有：電壓表（3 V，3 kΩ）、電流表（0.6 A，1.0 Ω）、滑動(dòng)變阻器有R1（10 Ω，2 A）和R2（100 Ω，0.1A）。據(jù)粗略估計(jì)待測電源電動(dòng)勢E約為1.5 V，內(nèi)阻約為1 Ω，則較為恰當(dāng)?shù)淖冏杵鳛?？

分析：該模型的出發(fā)點(diǎn)在于如何提高電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的有效測試精度，亦即考查學(xué)生對(duì)電學(xué)知識(shí)的精細(xì)化理解。從電學(xué)基本理論來說，對(duì)以上已知變阻器的任何選擇都可以得到相應(yīng)的測試結(jié)果，然而對(duì)于精確化測試來說不同的選擇對(duì)應(yīng)的誤差等級(jí)相差甚大。從該題出發(fā)，通過待測電動(dòng)勢的估測電動(dòng)勢值可以首先粗略計(jì)算電路中的最大電流與最小電流，進(jìn)而根據(jù)電表所給的量程選擇最接近的參數(shù)，因?yàn)閷?duì)電表的讀數(shù)本身存在很大的人為主觀性，只有當(dāng)實(shí)測電流、電壓值和量程相差較小時(shí)，才可保證相對(duì)較為準(zhǔn)確的讀數(shù)。然而，在限制條件的選擇上出現(xiàn)多元化模式，亦即電表范圍、滑動(dòng)變阻器自身額定電流限制等，因此面對(duì)這種模型的電學(xué)考查時(shí)必須從多角度綜合分析，選擇適合于各種電表以及全部用電器的有效電阻范圍，主要從以下幾方面分類討論。

（1）電表限制因素分析

考慮到電表的安全與合理性，從電表量程范圍入手挖掘有用信息。不難看出，電路中具備最大電流時(shí)，接入電路的滑動(dòng)變阻器的有效電阻為0 Ω，僅有電源內(nèi)阻提供負(fù)載，亦即1.5 A，此時(shí)顯然已經(jīng)超過了電流表最大量程，因此必須借助滑動(dòng)變阻器進(jìn)行限流控制，而且根據(jù)電流表限制條件可以確定允許接入電路的最小有效電阻為：Rmin=E/Imax-RA-RE=0.5 Ω，單從這一點(diǎn)上來看兩個(gè)變阻器都能實(shí)現(xiàn)該目的，因此電流表量程的判斷標(biāo)準(zhǔn)不能作為唯一的解題信息。

（2）電路誤差因素分析

按照最大電流為1.5 A可以看出滑動(dòng)變阻器R2的額定電流與之相差甚遠(yuǎn)，對(duì)于高精度測試電路來說這種選擇存在較大誤差，而且在實(shí)際調(diào)解中可操作性較弱，因此從該角度出發(fā)選擇R2時(shí)存在較大誤差。上述分析可知，對(duì)于涉及精度選擇的電學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠碚f，常用的處理技巧所包含的原則必須從實(shí)際電壓、電流的大小與所給量程是否接近以及是否保證電路的安全等，在滿足該條件的基礎(chǔ)上要使得整個(gè)電學(xué)實(shí)驗(yàn)具備較強(qiáng)的可操作性，亦即滿足實(shí)驗(yàn)條件的變化范圍相對(duì)寬泛，只有滿足以上幾點(diǎn)原則才是正確處理電學(xué)實(shí)驗(yàn)問題的先決條件。

3.電路故障模型

電路故障的分析是高中物理中常見的考查模型之一，從思維角度出發(fā)故障分析更加傾向于逆向賦值法則，亦即通過電路中用電器狀態(tài)的假設(shè)進(jìn)一步判斷該狀態(tài)對(duì)整個(gè)電路以及電表特性的影響。

例3：如圖4所示的電路中，開關(guān)閉合后小燈泡不亮?，F(xiàn)需要接入恰當(dāng)電表對(duì)其進(jìn)行故障排除：（1）如圖電路能否判斷開關(guān)是否完好，如果能，需要用到何種電表以及具體接入位置？如果不能，判斷需要對(duì)電路進(jìn)行哪些調(diào)整？（2）若電壓表示數(shù)接近電源電動(dòng)勢E，則可能出現(xiàn)問題的是什么？

分析：該題屬于簡單的故障分析模型，首先開關(guān)是否完好關(guān)系到電路中是否有電流通過，然而題目尚未給出電流表是否正常工作，因此必須借助外用電表進(jìn)行測試，該題可以采用逆向創(chuàng)新思維進(jìn)行探究，通過開關(guān)狀態(tài)的假定推導(dǎo)題設(shè)中滿足條件的故障。（1）假定開關(guān)斷路。此時(shí)常用的技巧是接入電壓表，通過電壓表示數(shù)與電源電動(dòng)勢的區(qū)別判斷是否該部分處于斷路狀態(tài)，接入位置為開關(guān)兩側(cè)接線柱，若外接入電壓表示數(shù)接近電源電動(dòng)勢，則說明開關(guān)斷路。如果開關(guān)完好，則燈泡不亮可能是由于電流表斷路自身故障造成，此時(shí)可以根據(jù)電表是否有示數(shù)來判斷，可見僅憑該題中的已知條件并不能確定判斷開關(guān)是否完好的方案。（2）若電壓表示數(shù)接近電源電動(dòng)勢時(shí)，可以斷定開關(guān)接線良好，此時(shí)電路中有電流通過，燈泡不亮只能是自身出現(xiàn)故障所致斷路現(xiàn)象。

通過上述故障分析不難看出，電學(xué)實(shí)驗(yàn)中對(duì)故障的排除離不開對(duì)用電器以及電表狀態(tài)的逆向假設(shè)思維，實(shí)際問題處理中必須根據(jù)題設(shè)條件進(jìn)行有針對(duì)的臨界法賦值，使得抽象問題具體化，增加解題的成功率。對(duì)高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)問題的考查，并非僅限本文所述的模型，面對(duì)復(fù)雜問題的處理往往離不開對(duì)多種模型的綜合理解，只有學(xué)生對(duì)基本電學(xué)常識(shí)融會(huì)貫通，領(lǐng)會(huì)適合自己的處理技巧，才能成功探究電學(xué)實(shí)驗(yàn)問題。

參考文獻(xiàn)：

［1］劉超.高中電學(xué)實(shí)驗(yàn)問題淺析［J］.湖南中學(xué)物理，2013（09）.

［2］王光毅.高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)器材和電路選擇［J］.物理教學(xué)探討，2010（08）.

編輯 謝尾合