由兩道電學(xué)實驗題引起的思考

電學(xué)實驗在歷年高考的實驗考試中占的分量較大，近年來電學(xué)設(shè)計性實驗的考查特為凸顯，實驗?zāi)芰κ俏锢韺W(xué)科的重要能力。目前高考物理只有筆試，實驗素養(yǎng)與能力實際上是很難有效地進行考查的，不過近年高考試題命題者一直在努力地將實驗素養(yǎng)和能力的考核滲透到實驗試題當(dāng)中來，盡力提高實驗考核的有效度。我省《理科綜合能力測試》的《考試說明》中將“設(shè)計和完成實驗的能力”作為實驗?zāi)芰σ?，“設(shè)計”體現(xiàn)重點考查“實踐能力和創(chuàng)新精神”。近幾年，高考中大多以電學(xué)設(shè)計性實驗為主。設(shè)計思想涉及電表的量程選擇，電流表、電壓表的內(nèi)外接選擇，滑動變阻器的限流，分壓接法選擇，電表的等效替用，定值電阻在電路中的使用等。而定值電阻的使用難度較大，靈活性較強，這里就我在教學(xué)中遇到的兩道電學(xué)實驗題進行評析，并由此引起思考。

例題1.某同學(xué)對一個標(biāo)稱值為“5 Ω、1.25 W”的定值電阻的阻值是否準(zhǔn)確產(chǎn)生了懷疑，準(zhǔn)備用伏安法盡可能準(zhǔn)確進行測量，現(xiàn)可供使用的器材如下：

A.電流表A1，量程50 mA，內(nèi)阻9 Ω

B.電壓表V1，量程l5 V，內(nèi)阻約l5 kΩ

C.電壓表V2，量程3 V，內(nèi)阻約3 kΩ

D.變阻器R，全電阻約20 Ω

E.定值電阻R0=1 Ω

F.直流電源E，電動勢4.5 V，內(nèi)阻不計

G.開關(guān)S、導(dǎo)線若干

（1）上述器材中，最適合的電壓表為 （填字母編號）。

（2）設(shè)計出測量Rx的電路圖。

本題的設(shè)計意圖是想讓學(xué)生對電表進行改裝。學(xué)生通過分析不難發(fā)現(xiàn)電流表的量程太小，不方便測量，因此唯有另想辦法，一般的思路是先找替代電表，如已知內(nèi)阻的電壓表可做電流表使用，如已知內(nèi)阻的電流表可作電壓表使用，通過計算看是否滿足實驗要求。如果這一條件不滿足，再考慮改裝電表。改裝電表還需具備兩個條件，即已知待改裝的電表內(nèi)阻和定值電阻或電阻箱。該題中只有電流表A1內(nèi)阻已知，電壓表內(nèi)阻不清楚不可作為電流表，因此只能改裝，即將電流表A1的量程進行擴充，改裝為大量程的電流表。做法是將R0和A1進行并聯(lián)，起到分流的作用，通過運算可求的改裝后的電流表的量程為0.45安培，可以滿足題目的需求。

課堂上我將定值電阻R0=1 Ω改為100 Ω，讓學(xué)生重新設(shè)計電路圖，學(xué)生興趣大增，躍躍欲試，課堂氣氛頓時調(diào)動起來，但學(xué)生設(shè)計的電路圖卻五花八門，說明學(xué)生對定值電阻的運用還不熟練，還無法做到靈活應(yīng)用。其實如果R0=100 Ω，則電流表量程擴充就沒有實際意義，定值電可作為保護作用。但保護也應(yīng)該考慮放置的位置，由于電壓表V2的量程和電源電動勢接近，因此R0與Rx串聯(lián)，以擴大待測電阻的阻值。設(shè)計的電路圖如2所示。

例題2.某同學(xué)要測量一均勻新材料制成的圓柱體的電阻R，步驟如下：

（1）用多用電表按正確的操作步驟測得此圓柱體的電阻阻值約為220 Ω。

（2）該同學(xué)想用伏安法更精確地測量待測圓柱體電阻R，現(xiàn)有的器材及其代號和規(guī)格如下：

A.金屬絲L，長度為L0，直徑為D

B.電流表A1，量程1 mA，內(nèi)阻r1=375 Ω

C.電流表A2，量程500 μA，內(nèi)阻r2=750 Ω

D.電壓表V，量程10 V，內(nèi)阻10 kΩ

E.定值電阻R1=1000 Ω，起保護作用

F.滑動變阻器R2，總阻值約20 Ω

G.電池E，電動勢1.5 V，內(nèi)阻很小

H.開關(guān)S、導(dǎo)線若干

為使實驗誤差較小，要求測得多組數(shù)據(jù)進行分析，請設(shè)計出測量電阻的電路圖，并標(biāo)明所用器材的代號。

本題的電路圖的設(shè)計難度比較大，首先電壓表的量程太大，不可用，因此應(yīng)該考慮用電流表等效替用或者電流表改裝為電壓表。但電流表的量程又太小，因此定值電阻R1應(yīng)該作為保護電阻使用，通過計算分析應(yīng)該放在支路比較合理。設(shè)計電路如圖3示。同樣，該題中如果定值電阻取值80 Ω，則該電阻應(yīng)該置于干路中才能起到保護作用

由這兩個例題，可以看出電路的設(shè)計涉及的知識面較廣，靈活性強，特別是涉及定值電阻的使用問題，看似簡單，但卻大有文章。下面就個人的看法進行歸納。

1.用定值電阻做電表。在電路設(shè)計型實驗中時，有時題目所給的器材由于量程問題無法正常選用或電表不全，在這種情況下，就可以考慮用定值電阻和電表配合使用，以此來充當(dāng)電壓表或電流表使用。

2.用定值電阻來改裝電表，以擴大電表量。這是比較常見，當(dāng)題目所給的電表量程太小，不能滿足測量要求時，可用定值電阻進行擴充使用。

3.用定值電阻增大待測電阻阻值。在物理實驗中，經(jīng)常出現(xiàn)待測電阻阻值較小，不便于測量，導(dǎo)致無法正常測量或誤差較大，為了克服這一問題，為了減小誤差，經(jīng)常采用定值電阻來增大待測電阻的方法進行測量。

4.用定值電阻來保護電表等器材。定值電阻用來保護電路中的儀表，是定值電阻常見的應(yīng)用方法。解決這類問題的關(guān)鍵是弄清題目的設(shè)計原理，根據(jù)提供的數(shù)據(jù)進行分析計算，以此確定保護電阻在電路中的最佳位置。

高考物理電學(xué)實驗設(shè)計靈活，定值電阻在電路的設(shè)常涉及到，其使用方法也不是一成不變的，因此在教學(xué)中應(yīng)需要的注意理順定值電阻的應(yīng)用方法，注重培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維。

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作者簡介：陳海，男，1978年11月出生，本科，就職學(xué)校：福建省南安市第三中學(xué)，研究方向：物理教學(xué)。

編輯 魯翠紅