把握六個關(guān)鍵要點(diǎn)，有效解答電學(xué)實(shí)驗(yàn)

浙江

近幾年高考電學(xué)實(shí)驗(yàn)題有兩個顯著的特點(diǎn)：其一，常規(guī)性考查，即基于教材中的電學(xué)實(shí)驗(yàn)，著重考查實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、器材使用和誤差分析等；其二，創(chuàng)新性考查，即重視教材中的實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法的遷移和應(yīng)用。因此，理解實(shí)驗(yàn)原理，掌握實(shí)驗(yàn)方法，把握實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，提高實(shí)驗(yàn)?zāi)芰κ墙鉀Q電學(xué)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。基于以上兩點(diǎn)，在電學(xué)實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)中，必須重視以下六個方面。

一、突破核心知識

伏安法是電學(xué)實(shí)驗(yàn)的核心知識，其中“探究導(dǎo)體電阻與其影響因素的定量關(guān)系”“測定小燈泡的伏安特性曲線”和“測定電池的電動勢和內(nèi)阻”等實(shí)驗(yàn)都使用了伏安法。

1.測量電阻

伏安法測電阻時，用電壓表測出被測電阻兩端的電壓U，用電流表測出通過被測電阻的電流I，由歐姆定律求出被測電阻的阻值Rx：

2.四項選擇

圖1

圖2

(2)控制電路的選擇。選擇滑動變阻器時，既要注意實(shí)際通過的電流不得超過它的額定電流，也要注意當(dāng)滑動變阻器的滑片稍有移動時電路中的電流、電壓的變化不能太大?；瑒幼冏杵鞯膬煞N連接方式具體要求如下。

Ⅰ.分壓式接法，如圖3所示。

①若被測電阻的電壓變化范圍要求較大，且從零開始連續(xù)可調(diào)，則應(yīng)選分壓式接法。

②若被測電阻的阻值Rx遠(yuǎn)大于滑動變阻器總阻值R，則應(yīng)選分壓式接法。

Ⅱ.限流式接法，如圖4所示。

①若被測電阻的阻值Rx小于滑動變阻器總阻值R或相差不多，且沒有要求電壓從零開始調(diào)節(jié)，則應(yīng)選限流式接法。

②若兩種接法均可選用時，則優(yōu)先選用限流式接法，因?yàn)橄蘖魇浇臃娐废牡目偣β市　?/p>

圖3

圖4

(3)電源選擇。根據(jù)待測電路的額定電流或額定電壓選擇符合需要的直流電源。

【例1】(2018年天津卷)某同學(xué)用伏安法測定待測電阻Rx的阻值(約為10 kΩ)，除了Rx、開關(guān)S、導(dǎo)線外，還有下列器材供選用：

A.電壓表(量程0～1 V，內(nèi)阻約為10 kΩ)

B.電壓表(量程0～10 V，內(nèi)阻約為100 kΩ)

C.電流表(0～1 mA，內(nèi)阻約為30 Ω)

D.電流表(0～0.6 A，內(nèi)阻約為0.05 Ω)

E.電源(電動勢1.5 V，額定電流0.5 A，內(nèi)阻不計)

F.電源(電動勢12 V，額定電流2 A，內(nèi)阻不計)

G.滑動變阻器R0(阻值范圍0～10 Ω，額定電流2 A)

(1)為使測量盡量準(zhǔn)確，電壓表選用________，電流表選用________，電源選用________。(均填器材的字母代號)

(2)畫出測量Rx阻值的實(shí)驗(yàn)電路圖________。

(3)該同學(xué)選擇器材、連接電路和操作均正確，從實(shí)驗(yàn)原理上看，待測電阻測量值會________其真實(shí)值(填“大于”“小于”或“等于”)，原因是_________________________。

圖5

二、理解實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)原理是實(shí)驗(yàn)的靈魂，一切與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的問題都是從實(shí)驗(yàn)原理中派生出來的，只有正確理解和熟練掌握課本上每一個學(xué)生實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理和相關(guān)的操作要領(lǐng)，與之相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)問題才能迎刃而解。因此，我們必須弄清課本上每一個學(xué)生實(shí)驗(yàn)的原理，注意從這些原型實(shí)驗(yàn)的原理中有意識地、積極地提取和積累一些有價值的思想和方法，熟練運(yùn)用相關(guān)的電學(xué)規(guī)律及學(xué)過的實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計新實(shí)驗(yàn)、解決新問題。

【例2】(2018年江蘇卷)一同學(xué)測量某干電池的電動勢和內(nèi)阻。

(1)如圖6所示是該同學(xué)正準(zhǔn)備接入最后一根導(dǎo)線(圖中虛線所示)時的實(shí)驗(yàn)電路。請指出圖中在器材操作上存在的兩個不妥之處______________；______________。

圖6

R/Ω8.07.06.05.04.0I/A0.150.170.190.220.261I/A-16.76.05.34.53.8

(3)為了得到更準(zhǔn)確的測量結(jié)果，在測出上述數(shù)據(jù)后，該同學(xué)將一只量程為100 mV的電壓表并聯(lián)在電流表的兩端。調(diào)節(jié)電阻箱，當(dāng)電流表的示數(shù)為0.33 A時，電壓表的指針位置如圖8所示，則該干電池的電動勢應(yīng)為________V；內(nèi)阻應(yīng)為________Ω。

圖7

圖8

【分析】本題變電壓表測電壓為通過電阻箱間接測電壓。雖然在實(shí)驗(yàn)的方法上有所改變，但實(shí)驗(yàn)的原理沒有變化。

(1)連接電路時電源應(yīng)與電路斷開，開關(guān)應(yīng)處于斷開狀態(tài)；在連接電路時，電阻箱的有效電阻應(yīng)處于最大狀態(tài)。

(2)利用數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系內(nèi)描點(diǎn)，并作出一條讓這些數(shù)據(jù)點(diǎn)盡可能通過或者靠近的傾斜直線，如圖9所示。

圖9

三、會用實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)要求知道儀器性能、使用規(guī)則、操作要領(lǐng)和讀數(shù)方法，這類問題幾乎在每年的高考中都會出現(xiàn)。電學(xué)中主要儀器是“三表”。

3.歐姆表。測量時使指針盡可能停在表盤的中間位置附近，讀數(shù)時取兩位有效數(shù)字再乘以相應(yīng)的倍率。使用多用電表測電阻時做到“四注意”。

(1)極性。從電表外部看，電流應(yīng)從紅表筆(“+”極)流入電表，從黑表筆(“-”極)流出電表。

(2)功能。利用多用電表測電壓和電流時，選擇開關(guān)對應(yīng)的是電表的量程；而測電阻時，選擇開關(guān)對應(yīng)的是倍率。

(3)調(diào)零。測量電阻時，要進(jìn)行兩次調(diào)零，即機(jī)械調(diào)零和歐姆調(diào)零。

加強(qiáng)森林防火值班調(diào)度。防火期內(nèi)，各級森林防火組織執(zhí)行領(lǐng)導(dǎo)帶班和四個“24小時”制度，確保信息暢通。全市各級1540名森林消防專業(yè)隊員，集中住宿，靠前駐防，做到火情早發(fā)現(xiàn)，早報告，早處置。各級各單位要及時修訂完善森林火災(zāi)應(yīng)急預(yù)案，一旦出現(xiàn)火情，迅速啟動撲火預(yù)案，立即調(diào)集力量全力撲救，及時處置初發(fā)火情，確保林區(qū)群眾和撲火人員安全。

“機(jī)械零點(diǎn)”在表盤刻度左側(cè)“0”位置，調(diào)整的是表盤下邊中間的定位螺絲；“歐姆零點(diǎn)”在表盤刻度的右側(cè)電阻刻度“0”位置，調(diào)整的是歐姆調(diào)零旋鈕。

(4)保護(hù)。測電阻時，應(yīng)把被測電阻從電路中拆下測量；多用電表長期不用時，必須取出表內(nèi)的電池。

【例3】(2017年全國卷Ⅲ)如圖10為某同學(xué)組裝完成的簡易多用電表的電路圖。圖10中E是電池；R1、R2、R3、R4和R5是固定電阻，R6是可變電阻；表頭的滿偏電流為250 μA，內(nèi)阻為480 Ω。虛線方框內(nèi)為換擋開關(guān)，A端和B端分別與兩表筆相連。該多用電表有5個擋位，5個擋位為：直流電壓1 V擋和5 V擋，直流電流1 mA擋和2.5 mA擋，歐姆×100 Ω擋。

圖10

(1)圖10中的A端與________(填“紅”或“黑”)色表筆相連接。

(2)關(guān)于R6的使用，下列說法正確的是________(填正確答案標(biāo)號)。

A.在使用多用電表之前，調(diào)整R6使電表指針指在表盤左端電流“0”位置

B.使用歐姆擋時，先將兩表筆短接，調(diào)整R6使電表指針指在表盤右端電阻“0”位置

C.使用電流擋時，調(diào)整R6使電表指針盡可能指在表盤右端電流最大位置

(4)某次測量時該多用電表指針位置如圖11所示。若此時B端是與“1”相連的，則多用電表讀數(shù)為________；若此時B端是與“3”相連的，則讀數(shù)為________；若此時B端是與“5”相連的，則讀數(shù)為________。(結(jié)果均保留3位有效數(shù)字)

圖11

【分析】這是一個有關(guān)如何使用多用表的問題，只有掌握了多用表的結(jié)構(gòu)、原理，才能熟練解答。

(1)由使用多用表的規(guī)則可知，與多用表內(nèi)電源正極相連的是黑表筆。

(2)R6是可變電阻，它的作用是歐姆表調(diào)零。使用歐姆擋時，先將兩表筆短接，調(diào)整R6使電表指針指在表盤右端電阻“0”位置，選項B正確。

(4)若此時B端與“1”相連，多用電表是量程為2.5 mA的電流表，則讀數(shù)為1.47 mA；若此時B端與“3”相連，多用電表是歐姆×100 Ω擋，則讀數(shù)為1 100 Ω；若此時B端與“5”相連，多用電表是量程為5 V的電壓表，則讀數(shù)為2.95 V。

四、理順設(shè)計思路

設(shè)計型實(shí)驗(yàn)是指根據(jù)考查的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、要求和給出的器材，設(shè)計出實(shí)驗(yàn)方案。設(shè)計型實(shí)驗(yàn)注重考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)思想、實(shí)驗(yàn)方法及應(yīng)用能力，考查凸現(xiàn)實(shí)驗(yàn)原理在課本，實(shí)驗(yàn)方法在課外的特點(diǎn)。設(shè)計型實(shí)驗(yàn)多以伏安法為基點(diǎn)，以伏安法測電阻和伏安法測電源電動勢為落點(diǎn)展開。解答設(shè)計型實(shí)驗(yàn)題時要注重以下兩點(diǎn)：

1.設(shè)計原則

(1)精確性。選擇實(shí)驗(yàn)方案、儀器、儀表量程時，應(yīng)盡可能減小實(shí)驗(yàn)誤差。

(2)安全性。實(shí)驗(yàn)要安全可靠，要注意電表不超量程、電阻不超最大允許電流和最大功率，電源不超最大允許電流。

(3)方便性。實(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)便于操作，便于讀數(shù)，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

(4)節(jié)能性。實(shí)驗(yàn)盡可能節(jié)約能源，節(jié)約經(jīng)費(fèi)。

2.設(shè)計思路

解決設(shè)計型實(shí)驗(yàn)問題的關(guān)鍵是確定實(shí)驗(yàn)原理，它是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計的依據(jù)和起點(diǎn)，它決定應(yīng)當(dāng)測量哪些物理量、選擇哪些實(shí)驗(yàn)儀器、如何安排實(shí)驗(yàn)步驟、如何處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。實(shí)驗(yàn)原理的確定，必須根據(jù)問題的要求和給出的條件，結(jié)合學(xué)過的物理實(shí)驗(yàn)和有關(guān)的物理規(guī)律，設(shè)法創(chuàng)設(shè)相關(guān)的物理情景，從而確定實(shí)驗(yàn)原理和相關(guān)的操作方法。

【例4】(2016年天津卷)某同學(xué)想要描繪標(biāo)有“3.8 V，0.3 A”字樣小燈泡L的伏安特性曲線，要求測量數(shù)據(jù)盡量精確，繪制曲線完整，可供該同學(xué)選用的器材除了開關(guān)，導(dǎo)線外，還有：

電壓表V1(量程0～3 V，內(nèi)阻等于3 kΩ)

電壓表V2(量程0～15 V，內(nèi)阻等于15 kΩ)

電流表A1(量程0～200 mA，內(nèi)阻等于10 Ω)

電流表A2(量程0～3 A，內(nèi)阻等于0.1 Ω)

滑動變阻器R1(0～10 Ω，額定電流2 A)

滑動變阻器R2(0～1 kΩ，額定電流0.5 A)

定值電阻R3(阻值等于1 Ω)

定值電阻R4(阻值等于10 Ω)

定值電阻R5(阻值等于1 kΩ)

電源E(E=6 V，內(nèi)阻不計)

(1)請畫出實(shí)驗(yàn)電路圖，并將各元件字母代碼標(biāo)在該元件的符號旁。

(2)該同學(xué)描繪出的I-U圖象應(yīng)是下圖中的________。

A

B

C

D

【分析】(1)由于伏特表V1和V2的量程均不符合要求，因此需對V1進(jìn)行改裝。用量程3 V的電壓表V1和R5串聯(lián)，改裝后量程為

通過小燈泡的最大電流為0.3 A，顯然，兩個電流表均不符合減小誤差的要求，需要進(jìn)行改裝。取量程為200 mA的A1與定值電阻R4并聯(lián)，改裝后的量程為

由于要描繪小燈泡的伏安特性曲線，加在小燈泡兩端的電壓需從零開始，因此，滑動變阻器應(yīng)接成分壓式接法，滑動變阻器的阻值應(yīng)比較小，可選擇R1；由于待測小燈泡的阻值較小，因此采用電流表外接電路。這樣可以設(shè)計出如圖12所示的電路。

圖12

(2)由于小燈泡的電阻隨溫度升高而變大，故該同學(xué)描繪出的I-U圖線應(yīng)該是B。

五、熟悉操作細(xì)節(jié)

在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)際操作的主要內(nèi)容包括實(shí)物電路連線、電路元件的正確使用和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理等幾個方面。

1.實(shí)物電路連線

(1)整合。根據(jù)要求設(shè)計出的電路圖，盡可能讓各電路元件的相對位置與實(shí)物圖相吻合，這樣有利于連線。

(2)連線。在電路圖上對接線進(jìn)行編號，并弄清各條導(dǎo)線兩端應(yīng)接到哪個接線柱，而后，從電源出發(fā)沿著電流的流向?qū)χ饤l導(dǎo)線進(jìn)行連接。

(3)檢查。對照電路圖逐條檢查連線情況，檢查各元件的連接關(guān)系是否正確、電表的量程和正負(fù)極連接是否準(zhǔn)確、變阻器的滑動觸頭是否處于恰當(dāng)位置等。要注意兩根連線不能交叉、實(shí)驗(yàn)連線時開關(guān)一定處于斷開狀態(tài)、連線應(yīng)接到元件的接線柱上、直流電流表和電壓表應(yīng)保證電流從“+”接線柱流入,從“-”接線柱流出等。

2.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)處理多用圖象法，處理時要特別注意以下幾點(diǎn)：

(1)標(biāo)度合適。選擇合適的坐標(biāo)標(biāo)度值，使畫出的數(shù)據(jù)點(diǎn)盡可能散開，以利于作圖、分析和研究；

(2)連線科學(xué)。連線時盡量使數(shù)據(jù)點(diǎn)合理地分布在連線的兩側(cè)，畫線要細(xì)；

(3)明確含義。弄清圖線的點(diǎn)、斜率、截距和面積等的物理含義，以便研究橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)所代表的物理量之間的關(guān)系。

【例5】(2018年全國卷Ⅲ)一課外實(shí)驗(yàn)小組用如圖14所示的電路測量某待測電阻Rx的阻值，圖中R0為標(biāo)準(zhǔn)定值電阻(R0=20.0 Ω)；可視為理想電壓表。S1為單刀開關(guān)，S2為單刀雙擲開關(guān)，E為電源，R為滑動變阻器。采用如下步驟完成實(shí)驗(yàn)：

(1)按照實(shí)驗(yàn)原理線路圖13，將圖14中實(shí)物連線；

圖13

圖14

(2)將滑動變阻器滑動端置于適當(dāng)位置，閉合S1；

(3)將開關(guān)S2擲于1端，改變滑動變阻器動端的位置，記下此時電壓表的示數(shù)U1；然后將S2擲于2端，記下此時電壓表的示數(shù)U2；

(4)待測電阻阻值的表達(dá)式Rx=________(用R0、U1、U2表示)；

(5)重復(fù)步驟(3)，得到如下數(shù)據(jù)：

12345U1/V0.250.300.360.400.44U2/V0.861.031.221.361.49U2U13.443.433.393.403.39

【分析】實(shí)物連線如圖15所示。

圖15

六、把握創(chuàng)新脈搏

電學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)題往往以電路的設(shè)計或者新增某種新電路元件等形式出現(xiàn)，它的主要特點(diǎn)是源于教材但又高于教材，雖然考試的形式有所創(chuàng)新，但是考核的實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法是中學(xué)教學(xué)中所要求的。解答創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)題時，要善于審清題意，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，有效捕獲題給的文字、圖表和器材中的信息，快速搭建與新實(shí)驗(yàn)相對應(yīng)的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的橋梁，有效地實(shí)現(xiàn)將教材中的學(xué)生實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理、方法進(jìn)行遷移和應(yīng)用。

【例6】(2015年重慶卷)同學(xué)們測量某電阻絲的電阻Rx，所用電流表的內(nèi)阻與Rx相當(dāng)，電壓表可視為理想電壓表。

圖16

(1)若使用圖16所示電路圖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，要使得Rx的測量值更接近真實(shí)值，電壓表的a端應(yīng)連接到電路的________點(diǎn)(填“b”或“c”)。

(2)測得電阻絲的U-I圖如圖17所示，則Rx為________Ω(保留兩位有效數(shù)字)。

圖17

(3)實(shí)驗(yàn)中，隨電壓進(jìn)一步增加電阻絲逐漸進(jìn)入熾熱狀態(tài)。某同學(xué)發(fā)現(xiàn)對熾熱電阻絲吹氣，其阻值會變化。他們對此現(xiàn)象進(jìn)行探究，在控制電阻絲兩端的電壓為10 V的條件下，得到電阻絲的電阻Rx隨風(fēng)速v(用風(fēng)速計測)的變化關(guān)系如圖18所示。由圖可知當(dāng)風(fēng)速增加時，Rx會________(填“增大”或“減小”)。當(dāng)風(fēng)速增加過程中，為保持電阻絲兩端電壓為10 V，需要將滑動變阻器RW的滑片向________端調(diào)節(jié)(填“M”或“N”)。

圖18

(4)為了通過電壓表的示數(shù)來顯示風(fēng)速，同學(xué)們設(shè)計了如圖19所示的電路。其中R為兩只阻值相同的電阻，Rx為兩根相同的電阻絲，一根置于氣流中，另一根不受氣流影響，為待接入的理想電壓表。如果要求在測量中，風(fēng)速從零開始增加，電壓表的示數(shù)也從零開始增加，則電壓表的“+”端和“-”端應(yīng)分別連接到電路中的________點(diǎn)和________點(diǎn)(均填“a”“b”“c”或“d”)。

圖19

【分析】本題將歐姆定律和伏安法測電阻原理應(yīng)用到一個阻值隨風(fēng)速變化的電阻上，雖然應(yīng)用的原理和知識是大家所熟悉的，但它不失為一個創(chuàng)新型的實(shí)驗(yàn)題。

(1)由于電流表有較大內(nèi)阻，而電壓表是理想電壓表，故選擇電流表外接法可以減小測量誤差，所以電壓表的a端應(yīng)連接到電路的c點(diǎn)。

(3)由圖18可知，風(fēng)速增大后，Rx減小。當(dāng)Rx減小，使電路總電阻減小，導(dǎo)致總電流增大，最后使得并聯(lián)部分的電壓減小，因此，滑動變阻器的滑片應(yīng)向M端滑動才能使并聯(lián)部分的電壓重新增大到10 V。

(4)當(dāng)風(fēng)速為零時，電壓表的示數(shù)也為零，滿足Ucd=Ucb；當(dāng)下端的Rx減小后，dc間的電壓減小，即d點(diǎn)電勢減小，有φd<φb，故電壓表的正接線柱接在b點(diǎn)，負(fù)接線柱接在d點(diǎn)。