一道2014年高三模擬試卷實驗題的分析

(江蘇省泰州市教研室，江蘇 泰州 225300)

泰州市2014年高三模擬考試中有一道實驗題，現(xiàn)提出來和大家交流，借此機會談談筆者對這個題目的理解以及教師講評的一些感受.

原題：為了描繪小燈泡的伏安特性曲線，實驗室可供選擇的器材如下：

A．待測小燈泡(6V 500mA)

B．電流表A(0～0.6A,內阻約0.5Ω)

C．電壓表V(0～3V,內阻5kΩ)

D．滑動變阻器R1(0～1kΩ，100mA)

E．滑動變阻器R2(0～5Ω，1.5A)

F．電阻箱R3(0～9999.9Ω)

G．直流電源E(約6V，內阻不計)

H．開關S，導線若干

(1)將電壓表量程擴大為6V，與它串聯(lián)的電阻箱的阻值應調為kΩ．

圖甲

(2)圖甲中畫出了實驗的部分電路，請你補全電路圖；滑動變阻器應選用(選填“R1”或“R2”)．

(3)實驗中變阻器滑動觸頭P在ab間移動時，發(fā)現(xiàn)小燈泡兩端的電壓只能在3.5V～6.0V間變化，則電路中出現(xiàn)的故障可能是．

圖乙

(4)排除故障后，測量出多組數據，以燈泡兩端的電壓U為橫軸、電流表的示數I為縱軸，描點作出小燈泡的伏安特性曲線如圖乙所示．若電壓表V的實際阻值大于5kΩ，則小燈泡實際的伏安特性曲線應在所畫圖線的(選填“上方”或“下方”)．

解析：(1)中學物理實驗室使用的電流表一般是磁電式電流表，其內部構造如圖1所示，在磁電式電流表內部，有均勻輻向分布的磁場，如正視圖2所示，該磁場中磁感線沿著以圓柱形鐵芯的軸心為圓心的豎直圓周的半徑方向，并且沿圓周均勻分布.

圖1

圖2

圖3

圖3為線圈平面所在處的磁場分布圖.當線圈通有電流I時，線圈受安培力而轉動.當線圈轉動時，電流表內的游絲彈簧產生一個阻礙線圈轉動的力矩，游絲彈簧產生的力矩與線框的轉動角度θ成正比.因為θ∝I，θ隨I的變化是線性關系，所以電流表表盤的刻度是均勻的.由歐姆定律U=IR可知，電流表兩端的電壓與流過電流表的電流與也是一一對應的，所以如果表盤的電流刻度標成相對應電流表兩端的電壓值，這就是一個電壓表.所以從本質上來看電流表和電壓表都是電阻，不同的是電流表刻度盤上的讀數是表示流過電流表的電流，而電壓表刻度盤上的讀數表示電壓表兩端的電壓.

由于線圈的導線很細，允許通過的電流很小(一般幾十微安到幾毫安)，所以要測量較大的電流或電壓值，就需要進行改裝以擴大其量程.

圖4

在教師講評時，讓學生加深對電表結構的理解，有助于學生更加深刻體會電表的本質，同時也應該向學生說明改裝后表盤的刻度也要重新標度，原來的量程3V相應地改成量程為6V了，也就是說原來的刻度在重新標度時都變?yōu)樵瓉淼?倍.因為經過改裝后的電壓表已經是一個新電壓表了，此時新電壓表的三個參數：內阻為RV新=RV原+R=10kΩ、滿偏電流為Ig=0.6mA、滿偏電壓為2Ug=6V.

圖5

(3)實驗中，當變阻器滑動觸頭P在ab間移動時，如果滑動變阻器分壓式接法沒有故障，則小燈泡兩端的電壓變化范圍應該在0V～6V之間，而小燈泡獲得的最低電壓沒有達到0，所以判斷是分壓式部分有故障，可能是ca間斷路.

所以本題立意、定位較好，它不是簡單地考查學生按課本的要求進行重復性的操作，而是重視對實驗原理、器材選擇、實驗方法等的理解和應用，雖然高中現(xiàn)階段不講力矩，但借用初中講的杠桿的平衡問題可以解決對原理的理解，它不僅考查了學生對多個知識點的掌握情況，如了解實驗原理；會控制條件、選擇實驗器材；會設計簡單的實驗方案；會使用儀器、會觀察現(xiàn)象、分析原因、會解釋結果得出相應結論.同時對實驗過程中出現(xiàn)的各種可能的問題，都要求學生能進行周密的思考和分析，這有利于促進學生認真做好實驗，注重在實驗中養(yǎng)成發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，運用已學過的物理知識去解決問題的習慣，同時可以積極培養(yǎng)學生的探究能力、運用知識解決問題的能力，對中學實驗教學有良好的導向作用，有利于學生在實驗中進一步強化動手操作意識、樹立安全規(guī)范意識、培養(yǎng)創(chuàng)新質疑意識.