解答高考電學(xué)實(shí)驗(yàn)題的幾個(gè)有效途徑

葉孫華

摘 要：在高考試卷中，電學(xué)實(shí)驗(yàn)題幾乎年年有。電學(xué)實(shí)驗(yàn)題對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力、科學(xué)思維、綜合分析能力有很好的考查效果。本文從電學(xué)實(shí)驗(yàn)得分率低的原因分析和電學(xué)實(shí)驗(yàn)題的有效解決兩個(gè)方面表達(dá)理解和認(rèn)識(shí)，提出解決電學(xué)實(shí)驗(yàn)題的觀點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：高考；電學(xué)實(shí)驗(yàn)題；有效解決

眾所周知，在高考中，電學(xué)實(shí)驗(yàn)題幾乎年年出現(xiàn)，電學(xué)實(shí)驗(yàn)題目總是標(biāo)新立異，對(duì)學(xué)生能力考查起到很好的效果。但如何有效的應(yīng)對(duì)在考中出現(xiàn)的電學(xué)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題，成為擺在每位考生面前的難關(guān)。面對(duì)千變?nèi)f化的電學(xué)實(shí)驗(yàn)題目，我們老師也應(yīng)該理順?biāo)悸?，幫助學(xué)生找到一條有效的解決途徑，以不變應(yīng)萬(wàn)變。

1 高考中電學(xué)實(shí)驗(yàn)題得分率低的原因分析

從高考試卷得分情況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及日常教學(xué)過(guò)程中的各種測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，電學(xué)實(shí)驗(yàn)題目失誤率很高、得分率很低。在學(xué)生眼中，電學(xué)實(shí)驗(yàn)題目不愧為試卷的壓軸題之一，甚至部分學(xué)生不加復(fù)習(xí)，選擇放棄。那么，造成得分率低的原因是什么呢？

首先，與電學(xué)實(shí)驗(yàn)題本身難度大有關(guān)系。難度大就是體現(xiàn)在思維量大，要考慮的方方面面比較多，一道復(fù)雜的電學(xué)實(shí)驗(yàn)題目的思維量不亞于一道計(jì)算題，它包括：器材的選擇，方法的選擇，誤差的減小，數(shù)據(jù)的處理等等。因此，電學(xué)實(shí)驗(yàn)題對(duì)學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)探究能力要求是很高的，同時(shí)要求學(xué)生有較高的分析推理能力、綜合運(yùn)用能力以及數(shù)學(xué)計(jì)算能力[ 1 ]。

其次，與實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)有關(guān)系。實(shí)驗(yàn)本身也是一門(mén)科學(xué)，有它自身的特點(diǎn)，獨(dú)特的地方，實(shí)驗(yàn)要求善于觀察、善于操作、要有一些優(yōu)良的心理品質(zhì)，比如細(xì)心、耐心、嚴(yán)謹(jǐn)、規(guī)范等，要尊重事實(shí)，尊重實(shí)驗(yàn)誤差。以上素養(yǎng)都是我們必須在學(xué)生身上形成的素質(zhì)，高中階段由于條件限制，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)方面并沒(méi)有得到很好的教育，特別是在一些農(nóng)村學(xué)校。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室并沒(méi)有很好的完成任務(wù)，操作不規(guī)范，實(shí)驗(yàn)過(guò)程不了解，比如說(shuō)對(duì)電表的使用，不注重電表量程的選擇，讀數(shù)也不進(jìn)行估讀，缺乏對(duì)減小實(shí)驗(yàn)誤差的意識(shí)。這些素養(yǎng)、意識(shí)、能力的缺乏必將影響到高考中對(duì)電學(xué)實(shí)驗(yàn)題目的正確解答。

另外，應(yīng)該與題型有關(guān)系。實(shí)驗(yàn)題基本以填空題的方式出現(xiàn)，填空題要求最終答案，體現(xiàn)不了解題的過(guò)程，也就是說(shuō)，做對(duì)百分之九十與完全不會(huì)做從得分情況來(lái)說(shuō)是一樣的。填空題與選擇題又不一樣，選擇題已經(jīng)給出答案，只是把正確答案選出來(lái)即可，這樣選擇題實(shí)際上難度比填空題小很多。所以，做填空題最怕粗心，比如說(shuō)有效數(shù)字位數(shù)搞錯(cuò)。

以上三點(diǎn)，筆者認(rèn)為是造成電學(xué)實(shí)驗(yàn)題得分率低的主要原因。因此，找到了原因之后，作為我們教師就應(yīng)該對(duì)癥下藥，幫助學(xué)生找到一條行之有效的解決途徑，突破高考中電學(xué)實(shí)驗(yàn)題的難關(guān)。

2 電學(xué)實(shí)驗(yàn)題的有效解答途徑

針對(duì)以上原因，我們必須采取相應(yīng)措施。對(duì)于題型方面的原因，應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)生細(xì)心的品質(zhì)、較高的計(jì)算能力，減少因粗心帶來(lái)的失誤。對(duì)于實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)方面的原因，在日常教學(xué)中，應(yīng)該注重學(xué)生實(shí)驗(yàn)意識(shí)的培養(yǎng)，養(yǎng)成好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，老師更要以身作則，做好實(shí)驗(yàn)，規(guī)范操作，起表率作用。對(duì)于實(shí)驗(yàn)題自身難方面的原因，我們應(yīng)該重點(diǎn)去分析、解決、克服，我們應(yīng)該摸索出它的特點(diǎn)，找到規(guī)律，掌握它的“設(shè)計(jì)規(guī)則”，以下從多個(gè)方面來(lái)加以闡述。

（1）電路的組成部分

一個(gè)閉合電路可以劃分為以下三部分：電源、控制電路、調(diào)節(jié)電路。日常教學(xué)中，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生從這三個(gè)方面去思考。

在高中階段，分析電源時(shí)主要考慮兩個(gè)方面：電動(dòng)勢(shì)、內(nèi)阻。在半偏法測(cè)電阻中，電源應(yīng)選電動(dòng)勢(shì)適當(dāng)大的，這樣才能讓半偏法成立的條件落到實(shí)處；在測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)中，若電源內(nèi)阻較大，應(yīng)采用內(nèi)接法。

控制電路，也叫調(diào)節(jié)電路，它的作用有兩點(diǎn)：一是保護(hù)電路；二是讓電路可處于多種狀態(tài)，電表可測(cè)得多組數(shù)據(jù)，從而達(dá)到多次測(cè)量減少偶然誤差的目的?？刂齐娐芬话氵x用滑動(dòng)變阻器來(lái)實(shí)現(xiàn)，常見(jiàn)的有兩種接法：限流式接法和分壓式接法。首先應(yīng)該讓學(xué)生認(rèn)識(shí)和理解兩種電路結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)功能、優(yōu)缺點(diǎn)，然后合理選用。把握以下關(guān)鍵點(diǎn)：①分壓電路更有“安全感”，（因?yàn)殡妷嚎梢詮牧汩_(kāi)始連續(xù)調(diào)節(jié)）；②比較待測(cè)電阻的阻值與滑動(dòng)變阻器的總阻值。

測(cè)量電路，是整個(gè)電路設(shè)計(jì)中最核心的部分，也是最難的一塊，方法多種多樣，不拘一格。首先應(yīng)該掌握一些常用的模型或者說(shuō)是套路，例如：伏安法測(cè)電阻（有內(nèi)、外接之別）、半偏法、替代法等等，方法太多，所以無(wú)法一一讓學(xué)生去識(shí)記，應(yīng)該通過(guò)這些有限的模型或套路，讓學(xué)生真正領(lǐng)悟電學(xué)實(shí)驗(yàn)的思想要領(lǐng)。有篇文章就專(zhuān)門(mén)介紹高考中常用的電阻測(cè)量方法，一說(shuō)就說(shuō)了七種方法，可謂多矣！包括：伏安法、伏伏法、安安法、伏阻法、安阻法、替代法、半偏法 [ 2 ]。學(xué)生不搞暈了才怪，應(yīng)該總結(jié)出一點(diǎn)規(guī)律來(lái)，把握共性。

（2）電路所遵循的物理規(guī)律

高中階段電路所遵循的物理規(guī)律是比較簡(jiǎn)潔的，包括：兩個(gè)歐姆定律，以及串聯(lián)、并聯(lián)電路的規(guī)律。解決物理中的一切問(wèn)題，當(dāng)然需要用到物理規(guī)律，電路設(shè)計(jì)問(wèn)題也不例外，首先必須把電學(xué)規(guī)律搞清楚。

電學(xué)實(shí)驗(yàn)原理，就是用到了以上說(shuō)的某條規(guī)律，結(jié)合具體情況把方程列出來(lái)。下面舉幾個(gè)例子加以說(shuō)明：測(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，不管用什么方法，都要用到閉合回路的歐姆定律；伏安法測(cè)電阻的依據(jù)就是歐姆定律，在誤差分析時(shí)，用的就是串、并聯(lián)電路的規(guī)律；半偏法測(cè)電阻，用的也是串、并聯(lián)電路的規(guī)律，用到了以下思想：串聯(lián)電路的總電阻取決于大電阻，并聯(lián)電路的總電阻取決小電阻，這才是根本，至于半偏不半偏并不重要。

簡(jiǎn)言之，利用物理規(guī)律把原理式列出來(lái)。

（3）換個(gè)視角認(rèn)識(shí)電表

高中階段用到的電表主要包括：安培表、伏特表、歐姆表。歐姆表比較特殊，內(nèi)部含有電源，依據(jù)是閉合回路歐姆定律，粗測(cè)電阻時(shí)用到它；對(duì)于安培表和伏特表，我們可以換個(gè)視角來(lái)認(rèn)識(shí)它們。

首先，它們也是一個(gè)電阻，理想安培表的內(nèi)阻為零，理想伏特表的內(nèi)阻為無(wú)窮大，作為實(shí)驗(yàn)，我們應(yīng)該尊重誤差，所以一般不能把它們當(dāng)作理想化來(lái)處理；其次，它們是一個(gè)具備“功能”的電阻，安培表的“功能”是能測(cè)流過(guò)自身的電流，伏特表的“功能”是能測(cè)加在自身兩端的電壓。從這個(gè)角度上去看，如何接電表，應(yīng)根據(jù)我們的需要、目的而定，如果要測(cè)量待測(cè)電阻的電流，就把安培表與之串聯(lián)，因?yàn)榇?lián)電路電流處處相等；如果要測(cè)量待測(cè)電阻的電壓，就把伏特表與之并聯(lián)，因?yàn)椴⒙?lián)電路兩端電壓相等?？梢?jiàn)，電表怎么接都有可能，因?yàn)樗鼈儽旧硪彩请娮瑁灰愕慕臃苓_(dá)到安全、準(zhǔn)確的目的。換個(gè)角度認(rèn)識(shí)電表，會(huì)覺(jué)得一切更加自然了，思路也打開(kāi)了。

（4）電學(xué)實(shí)驗(yàn)的“設(shè)計(jì)規(guī)則”

在電學(xué)問(wèn)題中，設(shè)計(jì)電路是最難的題型之一。有的學(xué)生在設(shè)計(jì)電路時(shí)，根本搞不懂自己要做什么，胡亂設(shè)計(jì)，結(jié)果自然是答非所問(wèn)。通過(guò)以上闡述，我們應(yīng)該具備了解決電學(xué)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的理論依據(jù)、方法論等方面的準(zhǔn)備條件。接下來(lái)，就是要談怎么樣用好這些理論、方法了，要達(dá)到什么樣的一個(gè)目的。對(duì)于一個(gè)合理的電路設(shè)計(jì)，必須做到：安全、可測(cè)、精確、方便。這里，關(guān)鍵要做到的就是精確，這就要求在測(cè)量中電表要盡量偏轉(zhuǎn)得大些，以減小相對(duì)誤差，多數(shù)題目有指出至少半偏以上。所以，我們?cè)O(shè)計(jì)的電路要達(dá)到的效果是：讓電表盡量偏轉(zhuǎn)得大一些；如果有多個(gè)電表同時(shí)接入電路，要求每個(gè)電表都要盡量同步偏轉(zhuǎn)得大一些。這就是我們的“設(shè)計(jì)規(guī)則”。特別是，多個(gè)表同時(shí)接入電路，不能出現(xiàn)一個(gè)表接近滿偏，另一個(gè)表偏得很少的情況；也不能出現(xiàn)一個(gè)表偏多，另一個(gè)表又超過(guò)量程的情況。

這個(gè)“設(shè)計(jì)規(guī)則”很重要，在教學(xué)中，必須強(qiáng)調(diào)，否則學(xué)生會(huì)搞不懂電路設(shè)計(jì)是做什么?！霸O(shè)計(jì)規(guī)則”就是告訴你電路設(shè)計(jì)這個(gè)設(shè)計(jì)必須怎么做。

（5）幾點(diǎn)注意事項(xiàng)

細(xì)節(jié)決定成敗，在電路設(shè)計(jì)的試題中，應(yīng)該認(rèn)真審題，看清所給器材的相關(guān)參數(shù)。除了看清電表的量程之外，還要看電表的內(nèi)阻是“為幾歐”，還是“約為幾歐”，前者是精確值，可以用于計(jì)算的，而后者只是參考數(shù)值，只用于估算。一字之差，但是很關(guān)鍵，也許是解題的突破口。

選擇器材時(shí)，一定要先進(jìn)行估算，選擇合適量程的電表、選擇合適的滑動(dòng)變阻器、選擇合適的定值電阻等等。未經(jīng)計(jì)算的選擇是毫無(wú)意義的，比如說(shuō)選電流表，你必須計(jì)算得出通過(guò)待測(cè)電阻的最大電流值，做到在電表安全的前提下盡量讓電流表指針偏多些，遵照我們所謂的“設(shè)計(jì)規(guī)則”。簡(jiǎn)言之，讓計(jì)算伴隨著器材的選擇和電路的設(shè)計(jì)。

【例題1】：用以下器材測(cè)量待測(cè)電阻Rx（約為100 Ω）的阻值：

電源E：電動(dòng)勢(shì)約為6.0V、內(nèi)阻忽略不計(jì)；

電流表1：量程50mA、內(nèi)阻r1=20Ω；電流表2：量程300 mA、內(nèi)阻r2約為4Ω；

定值電阻R0：阻值為20Ω； 滑動(dòng)變阻器R：最大阻值為10Ω；

單刀單擲開(kāi)關(guān)S、導(dǎo)線若干。要求設(shè)計(jì)出測(cè)量電阻Rx的電路圖。

分析：一考慮電源，就選電源E；二考慮控制電路，因滑動(dòng)變阻器R的最大阻值為10Ω，遠(yuǎn)小于待測(cè)電阻Rx（約為100Ω）的阻值，故選用分壓式接法；三考慮測(cè)量電路，這是最難的環(huán)節(jié)，常規(guī)是用伏安法，但是本題沒(méi)有伏特表，應(yīng)該考慮其它的做法，至于怎么接，關(guān)鍵要做到符合我們的“設(shè)計(jì)規(guī)則”。

可能作為測(cè)量電路中的元件有：待測(cè)電阻Rx、電流表1、電流表2、定值電阻R0，把這四個(gè)元件放在一起認(rèn)真考慮就可以了，不難得出答案。再?gòu)膬呻娏鞅淼牧砍炭?，它們不能直接串?lián)，應(yīng)把量程大的電流表2應(yīng)放于干路；另外，也注意到了電流表1的內(nèi)阻r1=20Ω，這個(gè)數(shù)值是可以用的。通過(guò)以上分析再加上一些計(jì)算離正確答案應(yīng)該就不遠(yuǎn)了。正確答案如圖1所示?，F(xiàn)在我們檢驗(yàn)一下所設(shè)計(jì)出的測(cè)量電路是否符合我們的“測(cè)試規(guī)則”，就是兩電表偏轉(zhuǎn)情況要同步，做到同步偏得大些?？梢粤铍娏鞅?處于滿偏狀態(tài)，估算出電流表1的示數(shù)約為43 mA，也接近滿偏，故符合。實(shí)際上，電流表2與定值電阻配合起到了伏特表的作用。

在畫(huà)電路圖時(shí)，應(yīng)提醒學(xué)生把電學(xué)元件的代碼標(biāo)到圖中。若某次測(cè)量中電流表A1的示數(shù)為I1，電流表A2的示數(shù)為I2，則由已知量和測(cè)得量表示Rx的表達(dá)式為

Rx =-r1。

【例題2】測(cè)量一只量程已知的電壓表內(nèi)阻，器材如下：

待測(cè)電壓表（量程3 V，內(nèi)阻約3 KΩ）； 電流表（量程0.6 A，內(nèi)阻0.01 Ω）；

定值電阻R0（阻值2 KΩ，額定電流0.5 A）；電源E（電動(dòng)勢(shì)約3 V，內(nèi)阻不計(jì)）；

開(kāi)關(guān)兩只，S1、S2，導(dǎo)線若干。

（1）某同學(xué)設(shè)計(jì)了如圖2（甲）所示的測(cè)量電路，在實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，發(fā)現(xiàn)不可行。你認(rèn)為主要問(wèn)題是什么？（答案：不可行理由：電流表量程太大，而電路中電流太小，電流表沒(méi)有明顯讀數(shù)）。換言之，就是不符合我們的“設(shè)計(jì)規(guī)則”。

（2）請(qǐng)從上述所給器材中選用所需器材，幫助該同學(xué)設(shè)計(jì)一個(gè)能盡量減小實(shí)驗(yàn)誤差的測(cè)量電路，畫(huà)出原理圖，要求標(biāo)明給定器材的符號(hào)。用需要測(cè)量的物理量和電路中器材已給的物理量，寫(xiě)出電壓表內(nèi)阻的計(jì)算式。

分析：電阻測(cè)量沒(méi)有定法，應(yīng)根據(jù)所給器材來(lái)設(shè)計(jì)。本題所供器材中沒(méi)有滑動(dòng)變阻器，那就省去了控制電路；接著考慮測(cè)量電路，電流表立馬把它去除，因?yàn)樗牧砍膛c電壓表“不匹配”，無(wú)法符合我們的“設(shè)計(jì)規(guī)則”，在其余元件中就只有待測(cè)電壓表、定值電阻R、開(kāi)關(guān)兩只，其中一個(gè)開(kāi)關(guān)肯定放干路，控制整個(gè)電路，這樣就只剩三個(gè)元件來(lái)構(gòu)成測(cè)量電路了，應(yīng)該不難達(dá)到答案。注意本題細(xì)節(jié)：電源內(nèi)阻不計(jì)，兩個(gè)開(kāi)關(guān)。正確答案如圖2（乙）所示。檢驗(yàn)一下：開(kāi)關(guān)S2閉合前后，伏特表都在半偏以上，故可行。

設(shè)S2閉合時(shí)電壓表示數(shù)分別為U1，因?yàn)殡娫磧?nèi)阻不計(jì)，故有E=U1，當(dāng)S2斷開(kāi)時(shí)電壓表示數(shù)為U2，則有E=U2+U2R0/Rv，最終可得伏特表內(nèi)阻的計(jì)算式：Rv =R0。

電路設(shè)計(jì)題目雖然內(nèi)容豐富多彩，形式千變?nèi)f化，但是我們的應(yīng)對(duì)策略是不變的，可以用本文論述的解答途徑去攻克所有的電學(xué)實(shí)驗(yàn)試題難關(guān)。

參考文獻(xiàn)：

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