設(shè)計(jì)性電學(xué)實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)策略

■山東省日照海曲高級(jí)中學(xué) 石紅彬

設(shè)計(jì)性電學(xué)實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)策略

■山東省日照海曲高級(jí)中學(xué) 石紅彬

近幾年高考物理試題中的電學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題充分體現(xiàn)了探究性和應(yīng)用性,源于教材卻又高于教材,側(cè)重考查同學(xué)們的綜合實(shí)驗(yàn)素質(zhì)和利用基本原理、方法進(jìn)行創(chuàng)新的能力,力求達(dá)到“只有親自動(dòng)手做過(guò)實(shí)驗(yàn)并能進(jìn)行再思考的考生才能得高分”的命題思想。因此同學(xué)們?cè)趶?fù)習(xí)備考過(guò)程中,一定要切實(shí)訓(xùn)練和培養(yǎng)自身的設(shè)計(jì)能力、探究能力等實(shí)驗(yàn)綜合能力。

1.理解設(shè)計(jì)性電學(xué)實(shí)驗(yàn)的原理。

設(shè)計(jì)性電學(xué)實(shí)驗(yàn)要求同學(xué)們根據(jù)題目給出的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮推鞑?靈活運(yùn)用所學(xué)的基本實(shí)驗(yàn)方法、原理、技能,進(jìn)行創(chuàng)造性思維,設(shè)計(jì)出切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)方案、測(cè)量方法、實(shí)驗(yàn)步驟,并處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、得出結(jié)論。因此同學(xué)們必須在深刻理解和熟練掌握實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上,著重思考如何將其變成實(shí)際可行的操作過(guò)程。

2.掌握求解設(shè)計(jì)性電學(xué)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的思維方法。

求解設(shè)計(jì)性電學(xué)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題常用的思維方法有：等效替代法、控制變量法、轉(zhuǎn)換法、平衡法、補(bǔ)償法等。

3.領(lǐng)會(huì)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法。

設(shè)計(jì)性電學(xué)實(shí)驗(yàn)題往往會(huì)考查處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法,包括數(shù)據(jù)采集、信息獲取、信息加工等。圖像和圖表是給予信息的常用途徑,因此同學(xué)們?cè)趶?fù)習(xí)備考過(guò)程中需要通過(guò)對(duì)課本中有關(guān)數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理的典型題目的剖析,領(lǐng)會(huì)應(yīng)對(duì)這類(lèi)試題的基本方法。

注意：用作圖法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是電學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中最常用的方法之一。作圖時(shí)要標(biāo)明坐標(biāo)軸名稱(chēng)、單位;圖中連線(xiàn)要是光滑的曲線(xiàn)或直線(xiàn),連線(xiàn)時(shí)要使數(shù)據(jù)點(diǎn)合理地分布在連線(xiàn)的兩側(cè);在圖中求直線(xiàn)的斜率時(shí),要選取線(xiàn)上相距較遠(yuǎn)的兩點(diǎn)。用作圖法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)是直觀(guān)、簡(jiǎn)便,利用圖像的斜率、截距、所包圍面積和圖像的交點(diǎn)等可以研究物理量的變化情況和各物理量間的關(guān)系。

理解實(shí)驗(yàn)基本原理和方法需要明確的五個(gè)方面：(1)實(shí)驗(yàn)要達(dá)到什么目的,要達(dá)到這個(gè)目的,依據(jù)什么物理規(guī)律等;(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理,需要獲得哪些數(shù)據(jù),要得到這些數(shù)據(jù)要用什么方法,選擇哪些實(shí)驗(yàn)儀器和裝置,進(jìn)行哪些測(cè)量;(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)儀器和裝置的使用規(guī)則或?qū)嶒?yàn)要求,怎樣完成實(shí)驗(yàn),在操作過(guò)程中需要注意哪些事項(xiàng);(4)掌握實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法——平均值法和圖像法等;(5)依據(jù)實(shí)驗(yàn)原理和方法得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論并進(jìn)行誤差分析。

圖1

例題 (2017年高考江蘇卷)某同學(xué)通過(guò)實(shí)驗(yàn)制作一個(gè)簡(jiǎn)易的溫控裝置,實(shí)驗(yàn)原理電路如圖1所示,繼電器與熱敏電阻Rt、滑動(dòng)變阻器R串聯(lián)接在電源E兩端,當(dāng)繼電器的電流超過(guò)15mA時(shí),銜鐵被吸合,加熱器停止加熱,實(shí)現(xiàn)溫控。繼電器的電阻約為20Ω,熱敏電阻的阻值Rt與溫度t的關(guān)系如表1所示。

表1

(1)提供的實(shí)驗(yàn)器材有：電源E1(3V,內(nèi)阻不計(jì))、電源E2(6V,內(nèi)阻不計(jì))、滑動(dòng)變阻器R1(0～200 Ω)、滑動(dòng)變阻器R2(0～500Ω)、熱敏電阻Rt、繼電器、電阻箱(0～999.9Ω)、開(kāi)關(guān)S、導(dǎo)線(xiàn)若干。

為使該裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)30℃～80℃之間任一溫度的控制,電源E應(yīng)選用________(選填“E1”或“E2”),滑動(dòng)變阻器R應(yīng)選用_______(選填“R1”或“R2”)。

(2)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電路不工作,某同學(xué)為排查電路故障,用多用電表測(cè)量各接點(diǎn)間的電壓,則應(yīng)將如圖2所示的選擇開(kāi)關(guān)旋至____(選填“A”“B”“C”或“D”)。

(3)合上開(kāi)關(guān)S,用調(diào)節(jié)好的多用電表進(jìn)行排查,在圖1中,若只有b、c間斷路,則應(yīng)發(fā)現(xiàn)表筆接入a、b時(shí)指針____(選填“偏轉(zhuǎn)”或“不偏轉(zhuǎn)”),表筆接入a、c時(shí)指針____(選填“偏轉(zhuǎn)”或“不偏轉(zhuǎn)”)。

(4)排除故障后,欲使銜鐵在熱敏電阻為50℃時(shí)被吸合,下列操作步驟的正確順序是____。

圖2

①將熱敏電阻接入電路

②觀(guān)察到繼電器的銜鐵被吸合

③斷開(kāi)開(kāi)關(guān),將電阻箱從電路中移除

④合上開(kāi)關(guān),調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的阻值

⑤斷開(kāi)開(kāi)關(guān),用電阻箱替換熱敏電阻,將阻值調(diào)至108.1Ω

解析：(1)由表中數(shù)據(jù)可知,當(dāng)溫度為30℃時(shí),熱敏電阻的阻值為199.5Ω,繼電器的阻值R0=20Ω,當(dāng)電流I=15mA時(shí),E=I(Rt+R0)=3.3V,所以電源應(yīng)選E2。當(dāng)溫度為80℃時(shí),熱敏電阻的阻值為49.1Ω,則E2=I(Rt+R0+R),此時(shí)滑動(dòng)變阻器的阻值為330.9Ω,所以滑動(dòng)變阻器應(yīng)選R2。

(2)測(cè)量電路為直流電路,多用電表作為電壓表測(cè)量電壓,因此旋鈕應(yīng)旋至直流電壓擋C處。

(3)若只有b、c間斷路,則當(dāng)表筆接入a、b時(shí),整個(gè)回路斷路,電表指針不偏轉(zhuǎn);當(dāng)表筆接入a、c時(shí),電表中有電流通過(guò),電表指針偏轉(zhuǎn)。

(4)當(dāng)溫度為50℃時(shí),熱敏電阻的阻值為108.1 Ω,所以應(yīng)將電阻箱的阻值調(diào)至108.1Ω,并調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器使銜鐵吸合,再將電阻箱換成熱敏電阻,故正確的操作順序?yàn)棰茛堍冖邰佟?/p>

點(diǎn)評(píng)：本題(1)問(wèn),要求考生選擇合適的器材(電源,滑動(dòng)變阻器等),完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。選擇電源,應(yīng)計(jì)算實(shí)驗(yàn)中需要的電動(dòng)勢(shì)E的最小值,然后取電動(dòng)勢(shì)稍大的電源。選擇滑動(dòng)變阻器,應(yīng)考慮實(shí)驗(yàn)中的極端情況,求出滑動(dòng)變阻器的最大值,然后取阻值稍大的滑動(dòng)變阻器。(2)(3)問(wèn),考生可以根據(jù)平時(shí)所學(xué)的實(shí)驗(yàn)知識(shí)做出判斷。(4)問(wèn)考查實(shí)驗(yàn)的操作步驟,如果考生的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)不足,就容易出錯(cuò),因此同學(xué)們?cè)趶?fù)習(xí)備考過(guò)程中一定要親自操作,認(rèn)真訓(xùn)練。

跟蹤訓(xùn)練

有一個(gè)額定電壓為2.8 V、功率約為0.8W的小燈泡,現(xiàn)要用伏安法測(cè)繪這個(gè)小燈泡的I-U圖像,有下列器材供選用：

A.電壓表(0～3V,內(nèi)阻6k Ω)

B.電壓表(0～15V,內(nèi)阻30k Ω)

C.電流表(0～3A,內(nèi)阻0.1Ω)

D.電流表(0～0.6A,內(nèi)阻0.5Ω)

E.滑動(dòng)變阻器(10Ω,5A)

F.滑動(dòng)變阻器(200Ω,0.5A)

G.蓄電池(電動(dòng)勢(shì)6V,內(nèi)阻不計(jì))

圖3

(1)用如圖3所示的電路進(jìn)行測(cè)量,電壓表應(yīng)選用____,電流表應(yīng)選用____,滑動(dòng)變阻器應(yīng)選用____。(用序號(hào)字母表示)

(2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得這個(gè)小燈泡的伏安特性曲線(xiàn)如圖4所示。由圖像可求得此小燈泡在正常工作時(shí)的電阻為_(kāi)______Ω。

圖4

(3)若將此小燈泡與電動(dòng)勢(shì)為6V、內(nèi)阻不計(jì)的蓄電池相連,則要使此小燈泡正常發(fā)光,需串聯(lián)一個(gè)阻值為_(kāi)___Ω的電阻。

(責(zé)任編輯 張 巧)