例談高考電學實驗復習與備考

［摘 要］電學實驗是每年高考的必考內(nèi)容，文章對高考電學實驗進行了歸類分析，提出了高考電學實驗復習中應注意的問題以及應對方法，對高考電學實驗復習與備考具有一定的指導意義。

［關鍵詞］電學實驗；高考；復習方略

［中圖分類號］ ? ?G633.7 ? ? ? ?［文獻標識碼］ ? ?A ? ? ? ?［文章編號］ ? ?1674-6058（2022）23-0029-05

電學實驗是高中物理實驗教學的重要一環(huán)，每年高考都少不了針對電學實驗的相關試題。它既能考查學生的實驗設計能力和動手能力，又能考查學生的探究能力、創(chuàng)新能力等。物理課程標準明確要求學生“能選用實驗器材進行實驗，獲取實驗數(shù)據(jù)；會用圖像處理實驗數(shù)據(jù)，能根據(jù)圖像獲得結(jié)論；能分析實驗中存在的誤差，并提出減小誤差的方法”。要求教師“引導學生進行科學探究，培養(yǎng)學生的實驗設計、分析論證、反思評估等能力”。

電學實驗考查涉及實驗的目的、原理、器材、步驟及誤差分析等方面，實驗多、器材多、數(shù)據(jù)采集多，可考查范圍廣。有的實驗線路挺復雜，單是接線都需要很長時間，常使學生覺得雜亂無序，一團亂麻，不知如何應對。針對高考電學實驗的復習與備考，本文從以下幾個方面予以歸類剖析。

一、測電阻類實驗

從歷年高考物理試卷不難看出，測電阻類實驗題的占比居高不下。鑒于此，我們須掌握此類實驗的各種測量方法，如伏安法、半偏法、替代法、利用多用電表測電阻等方法，以及掌握電壓表、電流表、電源、定值電阻、滑動變阻器、單刀與雙刀開關等相關器材的選擇與接入方法等。

以實驗器材的選取為例，比如常用的電流表、電壓表，往往會給你兩到三個，讓你選擇一個最合適的。那么依據(jù)什么來選擇呢？一般要考慮以下幾個方面（如圖1）。

其中儀表的量程，如最常見的電流表、電壓表，要依據(jù)待測電流或電壓的大小選取。一般說來，要使指針偏轉(zhuǎn)程度超過所選量程的2/3，至少也要超過1/2。如果量程選擇太大致使指針偏轉(zhuǎn)角度過小，會使測量誤差過大。反之，若量程選擇太小，過大的電流或電壓會造成電表損毀。

測電阻最常用的方法是伏安法，電路如圖2所示。

設圖中電流表內(nèi)阻為[RA]，電壓表內(nèi)阻為[RV]，待測電阻為[Rx]，為使實驗誤差減小，借助串并聯(lián)規(guī)律可推知：當[RV] << ?[Rx]時，宜選用電流表外接法，如圖2（a）中虛線內(nèi)所示，由于電壓表的分流，此種情況下電阻的測量值偏?。划擺Rx] >> [RA]時，宜選用電流表內(nèi)接法，如圖2（b）中虛線內(nèi)所示，由于電流表的分壓，此種情況下電阻的測量值偏大。

當然，有時會遇到待測電阻無法估測的情況，該怎么辦？可用“試觸法”，如圖3所示，讓電壓表的連線[p]先后與觸點[a]，[b]接觸，看兩表的讀數(shù)變化情況。如果電壓表的讀數(shù)變化較大，而電流表的讀數(shù)變化很小，說明電流表分壓較多，則應接在[a]點；反之，如果電流表的讀數(shù)變化較大，而電壓表的讀數(shù)變化很小，說明電壓表分流較多，則應接在[b]點。

至于滑動變阻器該以何種方式接入電路，一般是按照如下要求連接。

以下幾種情況宜采用滑動變阻器分壓式接法：

①要求待測電阻[Rx]的電壓或電流從零開始變化；

②若采用限流式接法，即便將滑動變阻器的阻值調(diào)至最大，仍會出現(xiàn)電壓或電流的值超過量程的情況；

③當待測電阻值[Rx]遠大于滑動變阻器的總電阻值時，若采用限流式接法，會出現(xiàn)調(diào)節(jié)范圍過于狹窄的情況。

以下幾種情況宜選用滑動變阻器限流式接法：

①測量時電路電流或電壓沒有要求必須從零開始連續(xù)調(diào)節(jié)，只是小范圍內(nèi)測量，且待測電阻值[Rx]接近或小于滑動變阻器電阻[R]；

②電源允許的放電電流或滑動變阻器的額定電流太小，不能滿足分壓式接法的要求；

③沒有很高的要求，僅從安全性和精確性角度分析兩者均可采用時，可考慮安裝簡便和節(jié)能因素，采用滑動變阻器限流式接法。

一般說來，在電流表、電壓表都有且量程合適的情況下，測電阻都可以考慮伏安法；若沒有提供電壓表，但所提供的電流表內(nèi)阻已知，則可以把電流表當作電壓表來使用，此種方法稱為“安安法”；若沒有提供流電表，但所提供的電壓表內(nèi)阻已知，同樣可以把電壓表當作電流表來使用，此種方法稱為“伏伏法”。

當然，測電阻最簡單的方法還是利用多用電表（即萬用表）來測量，其測量方法和步驟是：

①用小螺絲刀進行機械調(diào)零；

②選擇好倍率后，用手轉(zhuǎn)動歐姆調(diào)零旋鈕進行歐姆調(diào)零；

③將待測電阻從電路中斷開，手握表筆的絕緣部分進行測量，注意手不要觸及表筆的金屬桿部分；

④測量結(jié)束，拔出表筆，將選擇開關置于OFF擋。

要注意的是，在使用歐姆擋時，利用的是多用電表內(nèi)的內(nèi)置電源，電流是從負接線柱（黑表筆）流出、從正接線柱（紅表筆）流入的，這一點有不少學生會搞反。

［例1］（2022年全國高考甲卷理綜） 某同學要測量微安表內(nèi)阻，可利用的實驗器材有：電源[E]（電動勢[1.5 V]，內(nèi)阻很?。?，電流表（量程[10 mA]，內(nèi)阻約[10 Ω]），微安表（量程[100 μA]，內(nèi)阻[Rg]待測，約[1 kΩ]），滑動變阻器[R]（最大阻值[10 Ω]），定值電阻[R0]（阻值[10 Ω]），開關S，導線若干。

（1）在答題卡上將圖4中所示的器材符號連線，畫出實驗電路原理圖 ? ? ? ? ? ? ?；

（2）某次測量中，微安表的示數(shù)為[90.0 μA]，電流表的示數(shù)為[9.00 mA]，由此計算出微安表內(nèi)阻[Rg=] ? ? ? ? ?[Ω]。

解析：（1）為了準確測出微安表兩端的電壓，可以讓微安表與定值電阻[R0]并聯(lián)，再與電流表串聯(lián)，通過電流表的電流與微安表的電流之差，可求出流過定值電阻[R0]的電流，從而求出微安表兩端的電壓，進而求出微安表的內(nèi)阻。由于電源電壓過大，并且為了測量多組數(shù)據(jù)，滑動變阻器采用分壓式接法，實驗電路原理圖如圖5所示。

（2）流過定值電阻[R0]的電流為：

[I=IA-IG=9.00 mA-0.09 mA=8.91 mA]

微安表兩端的電壓為：[U=IR0=8.91×10-2V]

微安表的內(nèi)阻為：

[Rg=UIG=8.91×10-290.0×10-6Ω=990 Ω]

二、測量電源參數(shù)類實驗

如圖6所示，是測量電源的電動勢和內(nèi)阻的電路，利用閉合電路歐姆定律不難得出相關參數(shù)。利用圖6（a）所示的電路，由于電壓表的分流作用，使得電動勢和內(nèi)阻的測量值都偏小。簡單地講，我們可以把圖6（a）中虛線框內(nèi)的部分看作一個等效電源，容易看出：[E測=E真RV+r真RV]，[r測=r真RVRV+r真]，但由于電壓表的內(nèi)阻一般都很大，所以實驗誤差實際上還是很小的。

假如采用圖6（b）電路，可將電流表和電源作為一個整體看作一個等效電源，如圖6（b）中虛線框內(nèi)部分所示，易知電動勢的測量值是準確的，即[E測=E真]。而內(nèi)阻的測量值[r測=r真+RA]，比真實值大出了一個電流表的內(nèi)阻，而電流表的內(nèi)阻與電源的內(nèi)阻常常比較接近，故測得內(nèi)阻的誤差常常很大。因此，要求同時測量電源的電動勢和內(nèi)阻時，須采用圖6（a）電路。如果只是要求測量電動勢，不要求測內(nèi)阻，則采用圖6（b）電路。

如果所給器材沒有電流表，僅有電壓表和電阻箱等器材，可以采用圖7（a）所示的電路，通過[E=U+URr]來求電動勢和內(nèi)阻。當然，若電壓表的量程不夠，我們可以給它串聯(lián)一個定值電阻。

如果所給器材沒有電壓表，僅有電流表和電阻箱等器材，也可以進行相應的測量。譬如圖7（b）所示的電路，就是之前新課標全國卷上一道實驗考題的附圖，其中電流表內(nèi)阻[RA]已知，[R0]和[R1]為定值電阻，通過[E=IA+IARAR1R0+R+r+IARA]繪出[1IA-R]圖像，借助圖像來尋求電動勢和內(nèi)阻。當然，由于圖中電流表的量程不夠，因此給它并聯(lián)了一個定值電阻[R1]，以擴大量程。

［例2］（2021年高考全國乙卷） 一實驗小組利用圖8（a）所示的電路測量一電池的電動勢[E]（約[1.5 V]）和內(nèi)阻[r]（小于[2 Ω]）。圖中電壓表量程為[1 V]，內(nèi)阻[RV=380.0 Ω]，定值電阻[R0=20.0 Ω]；電阻箱[R]，最大阻值為[999.9 Ω]；S為開關。按電路圖連接電路。完成下列填空：

（1）為保護電壓表，閉合開關前，電阻箱接入電路的電阻值可以選 ? ? ? ? ? ? [Ω]（填“5.0”或“15.0”）；

（2）閉合開關，多次調(diào)節(jié)電阻箱，記錄下阻值[R]和電壓表的相應讀數(shù)[U]；

（3）根據(jù)圖8（a）所示電路，用[R]，[R0]，[RV]，[E]和[r]表示[1U]，得[1U=] ? ? ? ? ? ? ? ? ；

（4）利用測量數(shù)據(jù)，作[1U-R]圖線，如圖8（b）所示；

（5）通過圖8（b）可得[E=] ? ? ? ? ?V（保留2位小數(shù)），[r=] ? ? ? ? ? [Ω]（保留1位小數(shù)）；

（6）若將圖8（a）中的電壓表當成理想電表，得到的電源電動勢為[E]，由此產(chǎn)生的誤差為[E-EE×100%=] ? ? ? ? ? ? ?[%]。

解析：（1）設電壓表量程為[Um]，為了避免電壓表被燒壞，接通電路時電流不能超過[UmR0]，即[ER+R0+r8 Ω]，因此選[15.0 Ω]。

（3）由閉合回路的歐姆定律可得[E=U+UR0RVR0+RVR+r]，化簡可得：

[1U=R0+RVER0RV·R+1E+R0+RVrER0RV]

（5）由上面公式可得斜率[k=R0+RVER0RV=119E]，截距[b=1E+R0+RVrER0RV=1E+r19E]。

在[1U-R]圖像上選取兩點（[10 Ω]，[1.02 V-1]）、（[20 Ω]，[1.36 V-1]），計算可得斜率[k=1.36-1.0220-10V-1·Ω=0.034 V-1·Ω]，設直線過（[0 Ω，b V-1]）點，由等差關系有[1.36-1.02=1.02-b]，所以截距[b=0.68 V-1]，代入可得[E≈1.55 V]，[r≈1.0 Ω]。

（6）如果電壓表為理想電壓表，則[RV→∞]，有[1U=1E+rER0+1ER0·R]，此時電動勢[E=120 k]，因此誤差為[η=E-EE=120k-119k119k×100%=5%]。

三、電表改裝類實驗

改裝類問題不難，依據(jù)就是歐姆定律。把表1中所蘊含的信息給學生交代清楚即可。高考中大多呈現(xiàn)的是將改裝后的電表應用在測電阻或測電源參數(shù)的電路之中，常以綜合考查的形式出現(xiàn)。

四、高考電學實驗復習方略

（一）思想上要引起足夠重視

電學實驗是每年高考的必考內(nèi)容，因此教師要引起足夠的重視，復習時不能因為實驗復雜、細碎、煩瑣、難講，而一帶而過、草草了事。第一輪復習，仍要立足課本，夯實基礎，詳細解讀每一個實驗的方方面面。雖然在新課學習時學生已動手做過分組實驗，但幾乎遺忘殆盡，留下的只是一些模糊的記憶。復習時，教師要多引導，提高學生的參與度，喚醒學生的過往記憶。比如有些實驗的原理圖，復習時就可以引導學生自己畫出。當然，有的學生會畫錯，教師也可以將錯就錯，讓學生在黑板上把帶有典型問題的圖給畫出來，引導大家討論分析：此圖行不行？若有問題，問題在哪里？通過辨析、糾錯，能喚醒學生的過往記憶，讓學生理解得更透徹，掌握得更牢固，記憶更長久。

（二）分類或以專題的形式復習實驗

在第二輪或第三輪復習中，教師可以把電學實驗分類，比如分成測電阻類實驗、測電源參數(shù)類實驗、電表改裝類實驗、創(chuàng)新類實驗等，逐類復習，各個擊破。在每一類實驗的復習中把同類實驗加以縱橫比較，看看它們的原理、思想方法、數(shù)據(jù)處理方法等有何異同，歸納出相同點和不同點，以便于學生理解和掌握。

（三）適度練習

要想在電學實驗題上拿高分，必要的習題訓練必不可少。特別是過往的高考以及各地高考模擬考中的實驗題，教師要多加研究。拿到題目，教師最好自己先做一做再看答案，這樣能站在學生的角度，及時發(fā)現(xiàn)問題，找到自己在實驗教學中的不足，以便查漏補缺，適時彌補，完善自己的實驗教學。

（四）注重對實驗設計能力的培養(yǎng)

高考中的電學實驗題，大多源于教材但又不拘泥于教材，即對教材中的實驗進行了適當?shù)募庸じ脑?，向設計能力等方面進行轉(zhuǎn)移。如測量電阻阻值的實驗，教材中用的是伏安法，但高考中可能遇到的是“伏伏法”“安安法”，雖然看上去不同，但“換湯不換藥”，實驗的原理、方法仍和教材中的實驗是一樣的，這就相當于變著法兒考查學生的實驗設計能力和知識遷移能力。

設計實驗一般要考慮以下幾個方面。

（1）正確性：實驗方案所依據(jù)的原理要正確。

（2）安全性：實驗方案的實施要安全可靠，不能對儀器、器材及人身造成安全威脅，且應有較高的成功率。

（3）簡便性：實驗器材要方便獲取，便于實施操作以及數(shù)據(jù)采集和處理。

（4）精確性：實驗誤差不大，在可允許的范圍之內(nèi)。若有多種可能的實驗設計方案，則應盡可能選取誤差較小的那一種。

（五）用多種教學手段助力電學實驗復習

除親自動手向?qū)W生實物展示電學實驗的過程外，還可以動用多種手段輔助電學實驗復習。譬如可利用PPT展現(xiàn)、動畫模擬演示、播放實驗視頻錄像、進行仿真實驗等多種形式。在實際教學中，有時還可以自編一些順口溜，以方便學生復習和掌握。比如用多用電表測電阻，就可以把測量步驟概括為這么一句話——“選擋調(diào)零測電阻，拔出表筆撥OFF”。言簡意賅，通俗易懂，學生很快就理解并掌握了。

再比如，利用伏安法測電阻的實驗中，滑動變阻器是采用分壓式接法還是限流式接法，可以把它總結(jié)為這樣兩句話——“待測大，分壓跨”“待測小，限流好”，即將待測電阻的阻值與滑動變阻器的總阻值做比較，待測電阻的阻值大時采用分壓式接法，反之則宜用限流式接法。關于該實驗中的電流表是采用內(nèi)接法還是外接法，有人總結(jié)為這么一句話——“大內(nèi)偏大，小外偏小”，即待測電阻阻值較大時采用內(nèi)接法，其測量結(jié)果偏大；待測電阻阻值較小時采用外接法，其測量結(jié)果偏小。這樣的總結(jié)朗朗上口，方便學生記憶。

（六）開放物理實驗室

在臨考前，有的學生還是對“電學實驗”心里沒底，不踏實，還想到實驗室再看一看、做一做，沒關系，這都是正常的。對高考要求的電學分組實驗所需的器材，在臨近高考甚至是某些模擬考之前，建議集中在實驗室內(nèi)重新擺出來，讓學生重回實驗室，用幾節(jié)課的時間在實驗室內(nèi)集中復習。讓學生再動手做一做，“重新來過”，從而熟悉器材、原理、方法、步驟、數(shù)據(jù)處理等過程。不一定只擺學生分組實驗所需的器材，一些教材中重要的演示實驗器材，也可以擺出來。實驗室在白天可以全天候開放，讓學生在自修課或課余時間都能隨來隨做。最好和實驗員預先溝通好，以便學生在做實驗的過程中遇到問題能及時得到解決，讓學生無后顧之憂。

總之，只要教師對電學實驗真正重視起來、認真對待，讓學生多做、多練、多想、多問，踏踏實實認真復習，就能水到渠成，學生就能在高考電學實驗題上取得理想的分數(shù)。

［ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻 ? ］

［1］ ?王金聚.從高考試題看物理選修3-5的復習［J］.中學教學參考，2020（5）：38-40.

［2］ ?杜志建.2021高考真題匯編：物理［M］.烏魯木齊：新疆青少年出版社，2021.

（責任編輯 易志毅）