高中電學實驗答題策略之“123”

武 維 曹聰明

(包頭市第九中學 內蒙古 包頭 014010)

高中電學實驗答題策略之“123”

武 維 曹聰明

(包頭市第九中學 內蒙古 包頭 014010)

基于新課程標準和高考考綱要求，高中物理電學實驗是高中物理學習的重點也是難點，為了使學生更有效地構建正確的設計實驗思路和解題步驟，將高中電學設計性實驗做如下詮釋，即圍繞一個中心，在器材選取的原則下，建立兩個基本單元，抓緊3個關鍵信號，解決4個電學實驗問題.

電學實驗 控制部件 測量部件

1 圍繞一個中心——測電阻

高中電學實驗圍繞測未知電阻這個中心開展了4個電學基礎實驗，分別是測金屬絲的電阻率，描繪小電珠的伏安特性曲線，測量電源的電動勢和內阻，練習使用多用電表.未知電阻的類型有定值電阻、電流表內阻、電壓表內阻、電源內阻、熱敏電阻、光敏電阻、二極管正反向電阻等.無論是測量何種類型的電阻，在設計實驗電路時，可以將電路分解為4個部件：供電單元、控制單元、測量單元、研究單元.研究單元就是未知電阻，而其他3個部件均服務于研究部件，要根據(jù)題干具體情境進行相應的調整.下面著重分析不同情境下控制單元和測量單元的調整.

2 在選取器材的原則下建立兩個基本單元

2.1 選取器材的原則

遵從八字原則：安全、準確、實用、匹配.

安全：實驗方案的實施要安全可靠，實施過程中不應對儀器及人身造成危害.要注意到多數(shù)電表均有量程，電阻均有最大允許電流和最大功率，電源也有最大允許電流，不能燒壞儀器.

實用：實驗應當便于操作，便于讀數(shù).

匹配：電流表、電壓表、電阻、電源要匹配.

2.2 控制單元的建立

用電器通過的電流和分配電壓一般是通過滑動變阻器調節(jié)，而滑動變阻器在電路中有兩種接法，分別是分壓式(圖1)和限流式連接(圖2).

圖1 分壓式接法

圖2 限流式接法

下列情況必須用分壓式接法：

(1)調節(jié)(測量)要求從零開始，或要求大范圍測量.

(2)滑動變阻器阻值比待測對象小得多(若用限流，調不動或調節(jié)范圍很小).

(3)用限流接法時電路中最小的電壓(或電流)仍超過用電器的額定值或儀表量程.

當電路中特別強調節(jié)能時，應采用限流連接.另外，在實驗操作時，若為分壓連接，滑動變阻器在閉合開關前應將與研究單元并聯(lián)部分電阻調節(jié)至零；若為限流連接，滑動變阻器應調節(jié)至電阻最大處，起到保護用電器的作用.

2.3 測量單元的建立

由于電壓表、電流表存在電阻，所以測量電路有兩種，即電流表內接和電流表外接.

(1)電路圖

電流表外接和電流表內接的電路圖分別如圖3和圖4所示.

圖3 電流表外接

圖4 電流表內接

(2)電流表內、外接法的選擇

1)已知RV,RA及待測電阻Rx的大致阻值時可以利用相對誤差判斷,若

選用內接法，若

選用外接法.

2)不知RV,RA及待測電阻Rx，采用試觸法.如圖5所示，當電壓表的一端分別接在a，b兩點時，如電流表示數(shù)有明顯變化，用內接法,電壓表示數(shù)有明顯變化，用外接法.

圖5 試觸法

3)若已知電流表的內阻，采用內接法

4)若已知電壓表的內阻，采用外接法

(3)誤差分析

內接時誤差是由于電流表分壓引起的，其測量值偏大，即

R測=RA+Rx>R真

外接時誤差是由于電壓表分流引起的，其測量值偏小，即

3 抓緊題干3個信號

3.1 給出了具體阻值的電流表或電壓表

若已知電流表和電壓表的內阻，可能有3個意思：一是“轉變身份”，電流表可以當電壓表用，電壓表可以當電流表用；二是可以實現(xiàn)電表改裝；三是可以實現(xiàn)精確測量.

【例1】(包頭市高考模擬試題)現(xiàn)需測量阻值約為100 Ω的電阻的阻值.給出的實驗器材有：

電池組E： 電動勢6 V，內阻可忽略不計;

電壓表V1：量程0～3 V，內阻約為15 kΩ;

電壓表V2：量程0～6 V, 內阻30 kΩ;

電流表A1:量程0～60 mA， 內阻約為20 Ω;

電流表A2:量程0～300 mA，內阻約為4 Ω;

滑動變阻器R1：0～100 Ω，額定電流1 A;

滑動變阻器R2：1 500 Ω，額定電流0.1 A;

開關S及導線若干.

請你選出所需器材.

解題思路：本題從器材的提供上可看到以伏安法為原型，但注意到兩個電壓表的阻值描述變化，電壓表V2應起到一表兩用的效果，既能測量出承擔電壓，也能算出通過電流，這樣就回避了系統(tǒng)誤差.因此電路設計應如圖6(a)所示.電壓表選擇V2，待測電阻阻值

假若本題給的電流表是準確值，電路設計應如圖6(b)所示,那么電流表應起到一表雙用的作用，待測電阻阻值

圖6 實驗電路圖

3.2 定值電阻的出現(xiàn)

(1)用于改裝電表或擴大已有電表的量程；

(2)充當保護電阻；

(3)充當增值電阻；

(4)充當電流表,當定值電阻分擔電壓已知，定值電阻可當做電流表使用;

(5)充當電壓表,當定值電阻通過電流已知，定值電阻可當做電壓表使用.

【例2】在測定一節(jié)干電池的電動勢和內阻的實驗中，備有下列器材：

A．干電池(電動勢約為1.5 V，內阻小于1.5 Ω)

B．電流表G(滿偏電流2 mA，內阻10 Ω)

C．電流表A(0～0.6 A，內阻約0.1 Ω)

D．滑動變阻器R1(0～20 Ω，10 A)

E．滑動變阻器R2(0～100 Ω，1 A)

F．定值電阻R3=990 Ω

G．開關、導線若干

(1)為方便且能較準確地進行測量，應選用滑動變阻器______(填寫序號)．

(2)請在所給虛線框內畫出利用本題提供的器材所設計的測量電池電動勢和內阻的實驗電路原理圖．

(3)某同學根據(jù)他設計的實驗測出了6組I1(電流表G的示數(shù))和I2(電流表A的示數(shù))，如表1所示，請在如圖7所示的坐標紙上作出I1和I2的關系圖線.

表1 測得的6組數(shù)據(jù)

圖7 坐標紙

(4)根據(jù)圖線可得，被測電池的電動勢為 V，內阻為Ω.

解析：(1)為了便于調節(jié)，滑動變阻器的阻值不能太大，選擇D比較合適．

(2)由于沒有電壓表，給定的電流表G可與定值電阻R3串聯(lián)作電壓表使用.

(3)根據(jù)數(shù)據(jù)描點跡即可.

(4)電流表G的示數(shù)與定值電阻R3和電流表G的內阻之和的乘積表示路端電壓，所以I1-I2圖線的縱截距與R3和電流表G的內阻之和的乘積即為電池的電動勢

E=1.48×10-3×(990+10)V=1.48V

I1-I2圖線的斜率的絕對值與R3和rG之和的乘積即為電池的內阻

代入數(shù)據(jù)得

r=0.80 Ω

答案：(1)D.

(2)如圖8所示．

圖8 電路原理圖

(3)如圖9所示．

圖9 I1-I2圖像

(4)1.48(1.47～1.49);0.80(0.70～0.90).

3.3 變阻箱的出現(xiàn)

電路中出現(xiàn)了變阻箱器材，往往該電路要采取電表半偏法、替代法，或者惠斯通電橋法進行電阻測量.

【例3】(2015年高考新課標Ⅱ卷)電壓表滿偏時通過該表的電流是半偏時通過該表電流的2倍.同學利用這一事實測量電壓表的內阻(半偏法)，實驗室提供的器材如下：

待測電壓表 (量程3 V，內阻約為3 000 Ω)，電阻箱R0(最大阻值為99 999.9 Ω)，滑動變阻器R1(最大阻值100 Ω,額定電流2 A)，電源E(電動勢6 V，內阻不計)，開關2個，導線若干.

(1)虛線框(圖10)內為該同學設計的測量電壓表內阻的電路圖的一部分，將電路圖補充完整.

(2)根據(jù)設計的電路，寫出實驗步驟：

.

(3)將用這種方法測出的電壓表內阻RV′,與電壓表內阻的真實值RV相比，RV′___________________RV(填

“>”、“=”、“<”)，主要理由是___________.

圖10 例3題圖

解析：(1)實驗電路圖如圖11所示.

圖11 完整電路圖

(2)移動滑動變阻器的滑片，以保證通電后電壓表所在支路電壓最小；閉合開關S1和S2，調節(jié)R1，使電壓表的指針滿偏；保持滑動變阻器滑片的位置不變，斷開S2，調節(jié)電阻箱R0，使電壓表的指針半偏；讀取電阻箱所示的電阻值，此即為測得的電壓表內阻.

(3)>.斷開S2，調節(jié)電阻箱使電壓表成半偏狀態(tài)，電壓表所在支路總電阻增大，分得的電壓也增大，此時R0兩端的電壓大于電壓表的半偏電壓，故RV′>RV.

4 結束語

電學實驗在每年的高考中常常是在伏安法的基礎上演變而來的設計性實驗，每年卻讓許多考生失利.這主要是由考生觀念不清，思路不廣，在運用伏安法時生搬硬套造成的.本文通過將電路結構分成4個單元，著重幫學生理清控制單元和測量單元，把握測量單元3個關鍵信號，使學生注意到方法的演變，希望對學生有所幫助.

2016-06-30)