析五年江蘇高考 觀電學實驗考查

(江蘇省儀征中學，江蘇 揚州 211900)

物理是一門以觀察和實驗為基礎的科學，而實驗教學有利于培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)，能在觀察和實驗中發(fā)現問題，提出合理的猜想和假設，具有設計探究方案和獲取數據的能力，使用不同方法和手段分析來處理信息，并解釋探究結果和變化趨勢。這些能力的考查由于高考的考試模式限制，只能通過試卷反映學生的這些能力。在每年全國各地高考卷中，電學實驗題也就成了必考的試題，通過電路的設計，可以考查學生的探究能力；通過電表讀數培養(yǎng)學生的觀察能力，通過電路故障的分析，考查學生的動手能力；通過數據的處理、誤差的分析，考查學生的分析數據能力。

近五年來江蘇高考的電學實驗題主要圍繞以下幾個方面考查，如描繪小燈泡、二極管等元件的伏安特性曲線，掌握電流表和電壓表的改裝，多用電表的使用和讀數，會使用螺旋測微器和游標卡尺，并能準確讀數，會測量金屬的電阻率，通過電路的設計掌握滑動變阻器的限流式和分壓式連接，知道電流表的內接和外接，會測量電源的電動勢和內阻。

1 各種器材讀數和使用的考查

電學實驗中考查讀數主要圍繞兩把尺和三個表，即螺旋測微器、游標卡尺、電流表、電壓表和多用電表。

1.1 游標卡尺

如圖1所示，游標卡尺主要由主尺和游標尺兩部分組成，主尺以毫米為單位，游標尺有10分度、20分度和50分度，分度值分別為0.1mm、0.05mm和0.02mm。讀數時分兩部分，其一為游標尺零刻度線左側對應的主尺上面毫米的整數倍。其二為與主尺對齊的游標尺第N條刻度線，對應數值為N乘以分度值。二者之和即為最終讀數，單位為毫米。該尺可以測直徑，也可以測內徑，還可以測量深度。

圖1

1.2 螺旋測微器

圖2為螺旋測微器，又稱千分尺，其讀數由固定刻度和可動刻度兩部分構成，讀數時先讀出固定刻度上面露出0.5mm的整數倍，再讀出可動刻度上面與固定刻度對齊的刻度線乘以0.01mm，可動刻度線必須估讀到下一位，二者之和為最終讀數。

圖2

1.3 電流表和電壓表

因中學電學實驗中常用的電流表和電壓表準確度級別較低，對估讀不作要求。

1.4 多用電表

讀數時先看選擇開關所選的功能擋位，是測電阻，還是測電流、電壓等。如圖3所示，第一行為電阻，如果指針指在某一刻度線上，直接讀出示數即可，可以不估讀，用讀出的值乘以倍率。第二行為直流電流、直流電壓和交流電流，第三行為交流電壓，多用電表在高中只對歐姆擋、直流電流擋和直流電壓擋進行考查。

圖3

江蘇2014年高考電學部分考查了螺旋測微器的使用，2015年考查了電流表的讀數，現以2014年高考題做分析。

例1：某同學通過實驗測量一種合金的電阻率。用螺旋測微器測量合金絲的直徑。為防止讀數時測微螺桿發(fā)生轉動,讀數前應先旋緊如圖4所示的部件 (選填“A”“B”“C”或“D”)。從圖4中的示數可讀出合金絲的直徑_______mm。

圖4

解析：對于螺旋測微器一般考查讀數，但是該問考查了旋鈕的功能，該題選擇B。讀數時需要估讀，讀數為0.410mm。

在5年考試中有2年對儀器的讀數作了考查，在考查的同時關注學生對儀器的使用，各個功能需要熟悉，最近三年都沒有考查儀器讀數，在復習中對電壓表的讀數和多用電表測電阻時的讀數需要關注。

2 實驗電路的選擇

關于電學實驗的電路需要關注原理電路圖和實物電路圖，在具體的連接過程中對滑動變阻器的限流、分壓兩種控制電路的原理把握要準，對安培表的內、外接要區(qū)分清楚，并注意電表的正負極。

2.1 限流式

圖5

如圖5所示，滑動變阻器與待測電阻串聯(lián)，滑動變阻器右半部分被短路，滑片向右移動，電流變小，待測電阻上的電壓變小，但是其上電壓無法減小到0。這種電路的設計在江蘇高考題中是常規(guī)電路，一般不需要學生去設計，在測定電源電動勢和內阻的實驗中對這個電路考查得較多。

2.2 分壓式

圖6

如圖6所示，滑動變阻器左半部分與待測電阻并聯(lián)，滑片向右滑動，待測電阻上的電壓增大，當滑片移動到最左端時，待測電阻被短路，待測電阻上的電壓為0，與限流式不同之處在于其上電壓可以從零開始調節(jié)。這種電路的設計，往往容易被學生忽視，是考查的熱點，現以2013年江蘇高考為例進行分析。

例2：為探究小燈泡的電功率P和電壓U的關系,小明測量小燈泡的電壓U和電流I,利用P=UI得到電功率。實驗所使用的小燈泡規(guī)格為“3.0V 1.8W”,電源為12V的電池,滑動變阻器的最大阻值為10Ω。

(1) 準備使用的實物電路如圖7甲所示。請將滑動變阻器接入電路的正確位置(用筆畫線代替導線)。

解析：根據測量要求，本實驗需要使加在小燈泡上的電壓有較大變化范圍，故滑動變阻器選擇分壓式，電路連接如圖7乙所示。

對于電路的設計首先要能夠畫出原理圖，對照原理圖再去分析實物圖，五年來江蘇高考給出的都是實物圖，所以無論如何考查，都要回歸本源，回歸到實驗室的操作中去，認清了原理才能準確地連接實物圖，并能分析電路中出現各種故障的原因，電流表內接和電流表外接法僅在2014年江蘇高考中做了考查。

圖7

3 實驗器材的選用

一個完整的電學實驗，其中涉及的器材很多，主要包括電源、開關、電壓表、電流表、滑動變阻器、電阻箱、多用電表等。5年來江蘇高考3年考查了器材的選用，2013年考查的是定值電阻選用，2016年考查的是電流表的選用，2017年考查的是電源E的選擇和滑動變阻器的選用，現以2017年江蘇高考試題作分析。

例3：某同學通過實驗制作一個簡易的溫控裝置，實驗原理電路圖如圖8所示，繼電器與熱敏電阻Rt、滑動變阻器R串聯(lián)接在電源E兩端，當繼電器的電流超過15mA時，銜鐵被吸合，加熱器停止加熱，實現溫控.繼電器的電阻約為20Ω，熱敏電阻的阻值Rt與溫度t的關系如表1所示。

表1

圖8

(1) 提供的實驗器材有：電源E1(3V，內阻不計)、電源E2(6V，內阻不計)、滑動變阻器R1(0～200Ω)、滑動變阻器R2(0～500Ω)、熱敏電阻Rt，繼電器、電阻箱(0～999.9Ω)、開關S、導線若干。

為使該裝置實現對30～80℃之間任一溫度的控制，電源E應選用______(選填“E1”或“E2”)，滑動變阻器R應選用_____(選填“R1”或“R2”)。

解析：由表1知當溫度為30℃時，熱敏電阻的阻值為199.5Ω，繼電器的阻值為30Ω，當電流為15mA時,得到E=3.3V,所以電源取E2。當溫度為80℃時，熱敏電阻的阻值為49.1Ω，則變阻器電阻為330.9Ω，所以滑動變阻器R應選用R2。

各種器材的選擇要首先保證電路安全，電源的選擇要保證流過電流表的電流和加在電壓表上的電壓均不超過使用量程，然后合理選擇量程，務必使指針有較大偏轉，以減少讀數誤差，流過滑動變阻器、定值電阻和電阻箱的電流不能超過其額定值。

4 電路故障的分析

常見的電路故障如下：(1) 閉合開關時燈泡不亮、電流表和電壓表無示數，電源、電流表、開關或滑動變阻器損壞或者接線柱接觸不良，出現了斷路。

(2) 電流表與電壓表的示數為零，可能是電流表和電壓表的正負接線柱接反。

(3) 電流表與電壓表的指針偏轉角度很小，可能是電流表與電壓表的量程選擇過大或者電源電壓過低。

(4) 電表的指針超過最大刻度，可能是電表量程選擇過小、電路中出現短路。

(5) 滑動變阻器的滑片滑動時，電表示數及燈泡的亮度不變，可能是滑動變阻器連接錯誤，沒有遵循“一上一下”的接線原則，同時接在了上面或者下面兩個接線柱上。

在近五年的江蘇高考中，2014年是發(fā)現電壓表和電流表的指針只在圖示位置發(fā)生很小的變化，分析其原因，2017年高考是分析電路故障，現以2014年的高考試題作分析。

圖9

例4：(1) 如圖9所示是測量合金絲電阻的電路,相關器材的規(guī)格已在圖中標出。合上開關,將滑動變阻器的滑片移到最左端的過程中,發(fā)現電壓表和電流表的指針只在圖示位置發(fā)生很小的變化。由此可以推斷:電路中________(選填圖中表示接線柱的數字)之間出現了_______(選填“短路”或“斷路”)。

(2) 在電路故障被排除后,調節(jié)滑動變阻器,讀出電壓表和電流表的示數分別為2.23V和38mA,由此,該同學算出接入電路部分的合金絲的阻值為58.7Ω。為了更準確地測出合金絲的阻值,在不更換實驗器材的條件下,對實驗應做怎樣的改進?請寫出兩條建議。

解析：(1) 電表指針在圖示位置發(fā)生很小的變化，即電壓表讀數在3V左右，電流表讀數幾乎為0。接線柱7、9間發(fā)生斷路時，會出現這個情況。

2017年高考試題為已經知道了故障，要求選擇器材去判斷，在高考復習中對于實驗出現的各類故障問題要做詳細的歸類，方能從容面對。

5 實驗的正確操作和實驗步驟考查

實驗能力是高考重點考查的內容，可是在高考題中只能是“紙上談兵”，為考查學生的動手能力，命題者考慮從實驗器材的使用出發(fā)，近五年來江蘇高考考了3次器材的使用，2013年考查了測量結束后的操作，2016年考查了電阻箱的使用，2017年考查了多用電表的使用，尤其是最近的兩年都考查了操作步驟的正確順序，現以2016江蘇高考題作分析。

圖10

例5：小明同學通過實驗探究某一金屬電阻的阻值R隨溫度t的變化關系。已知該金屬電阻在常溫下的阻值約為10Ω，R隨t的升高而增大。實驗電路如圖10所示，控溫箱用以調節(jié)金屬電阻的溫度。實驗時閉合S,先將開關K與1端閉合，調節(jié)金屬電阻的溫度，分別記下溫度t1，t2，…和電流表的相應示數I1，I2，…。然后將開關K與2端閉合,調節(jié)電阻箱使電流表的示數再次為I1，I2，…,分別記下電阻箱相應的示數R1，R2，…。

(1) 有以下兩種電流表,實驗電路中應選用______。

A. 量程0～100mA,內阻約2Ω

B. 量程0～0.6A,內阻可忽略

(2) 實驗過程中,要將電阻箱的阻值由9.9Ω調節(jié)至10.0Ω,需旋轉圖中電阻箱的旋鈕“a”“b”“c”,正確的操作順序是_______。

① 旋鈕a由“0”旋轉至“1”；②旋鈕b由“9”旋轉至“0”；③旋鈕c由“9”旋轉至“0”。

(2) 電阻箱的調節(jié)要從大到小，確保電路安全，所以順序是：①②③或①③②。

6 結語

2016年和2017年都考查了實驗的正確操作步驟，對數據的考查和誤差的分析也是考查的重點，比如2015年考查了測電源電動勢和內阻的誤差分析，通過作圖考查了數據處理。由于高考的選拔性要求，試題以課本實驗為背景，通過改變實驗條件、實驗儀器設置題目，不脫離教材而又不拘泥教材，體現了開放性、探究性等特點。不過從2016和2017年的命題來看，電學實驗題的考查逐漸回歸到常規(guī)題目，所以在高考實驗復習中，有條件的可以讓學生把測定金屬的電阻率、描繪小燈泡的伏安特性曲線、測定電源的電動勢和內阻、練習使用多用電表的實驗都操作一遍。在練習的過程中不必要追求難、偏、怪、非常規(guī)的問題，回歸常規(guī)，回歸課本，才是高考物理電學實驗復習取得成功的關鍵。

參考文獻：

[1] 崔瑤.2007—2016年高考全國卷物理電學實驗試題研究[D].重慶：重慶師范大學，2017：8-14.

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