例談高考電學實驗題的解法

張赟

(隴西縣職業技術學校 甘肅 定西 748100)

實驗題是歷屆高考物理題中必不可少的一類題型.電學實驗以其靈活多樣，更為常見，多以實驗原理、方法、電路設計等不同的形式出現，能有效地考查學生的多種實驗技能.在高考中的考查頻率很高.但由于方法靈活，形式多樣，使不少學生對這類題目感到束手無策，無法下手.

其實，電學實驗題的解答也是有一定原則、方法和技巧.解答問題時，首先要認真審清題意，看清題目的要求，即要看清題目要求測定什么物理量，驗證探索什么規律，只有實驗的目的明確了，才能保證解題思路正確、方法得當.這里以2010年的部分高考題為例，談談常見電學實驗題的解法.

1 基本原理基本方法的考查

【例1】(2010年高考全國卷Ⅰ第23題)一電流表的量程標定不準確，某同學利用圖1所示電路測量該電流表的實際量程Im.所用器材有：

圖1

量程不準的電流表A1，內阻r1=10.0 Ω，量程標稱為5.0 mA；標準電流表A2，內阻r2=45 Ω，量程為1.0 mA；標準電阻R1，阻值10 Ω；滑動變阻器R，總電阻約為3 000 Ω；電源E，電動勢為3.0 V， 內阻不計；保護電阻R2；開關S；導線.

回答下列問題：

(1)在答題卡(圖2)的實物圖上畫出連線.

圖2

(2)開關S閉合前，滑動變阻器的滑動端c應滑動至______端.

(3)開關S閉合后，調節滑動變阻器的滑動端，使電流表A1滿偏；若此時電流表A2的讀數為I2，則A1的量程Im=________.

(4)若測量時，A1未調到滿偏，兩電流表的示數如圖3所示，從圖中讀出A1的示數I1=______，A2的示數I2=______；由讀出的數據計算得Im=______.(保留3位有效數字)

圖3

(5)寫一條提高測量準確度的建議：____________________________.

分析：本題要測定量程標定不準確電流表的實際量程，也就是電表的校準，實際上考查了實物電路連接的注意事項、連接方法，并聯電路的特點.意在考查學生的實驗能力，分析能力.

(1)連接實物電路圖時，注意按電流的方向依次連接，涉及電表時，電流由正接線柱流入，負接線柱流出.

(2)滑動變阻器串聯到電路中使用時，初始狀態應調到最大阻值，起到保護電路中其他電器的作用.

(3)兩電流表所在支路的并聯電壓相等，故電流與支路電阻成反比.

(4)由并聯電路的特點，結合電流表刻度是均勻的即可得出結論.

解析：(1)連線如圖4所示.

圖4

(2)在滑動變阻器的限流接法中，接通開關前需要將滑動觸頭滑動到阻值最大b端.

(4)待測表未滿偏有I1r1=I2(r2+R1)，將A2的示數0.66 mA和其他已知條件代入，有

但圖3中A1的示數I′=3.0 mA,量程為5.0 mA，根據電流表的刻度是均勻的，有

即準確量程為6.05 mA.

2 對教材中基本實驗的原理方法步驟誤差分析等知識的綜合考查

【例2】(2010年高考北京卷第21題)(1)甲同學要把一個量程為200 μA的直流電流計G○，改裝成測量范圍是0～4 V的直流電壓表.

1)甲同學按圖5所示電路、用半偏法測定電流計G○的內電阻rg，其中電阻R0約為1 kΩ.為使rg的測量值盡量準確，在以下器材中，電源E應選用______，電阻器R1應選用______，電阻器R2應選用______(選填器材前的符號).

A.電源(電動勢1.5 V) B.電源(電動勢6 V)

C.電阻箱(0～999.9 Ω) D.滑動變阻器(0～500 Ω)

E.電位器(一種可變電阻，與滑動變阻器相當)(0～5.1 kΩ) F.電位器(0～51 kΩ)

圖5

2)該同學在開關斷開情況下，檢查電路連接無誤后，將R2的阻值調至最大.后續的實驗操作步驟依次是：________，________，________，________，最后記錄R1的阻值并整理好器材.(請按合理的實驗順序，選填下列步驟前的符號)

A.閉合S1B.閉合S2

C.調節R2的阻值，使電流計指針偏轉到滿刻度

D.調節R2的阻值，使電流計指針偏轉到滿刻度的一半

E.調節R1的阻值，使電流計指針偏轉到滿刻度的一半

F.調節R1的阻值，使電流計指針偏轉到滿刻度

3)如果所得的R1的阻值為300.0 Ω，則圖5中被測電流計G○的內阻rg的測量值為______Ω，該測量值______實際值(選填“略大于”、“略小于”或“等于”).

4)給電流計G○______聯(選填“串”或“并”)一個阻值為______kΩ的電阻，就可以將該電流計G○改裝為量程4 V的電壓表.

分析：本題主要考查半偏法測電阻的儀器的選擇和實驗步驟.由于該實驗要求在S1閉合前后電路中的干路電流幾乎不變，這就要求滑動變阻器接入電路的電阻遠大于電流計的電阻.變阻器應選阻值較大的，而在實驗中要是電流計指針偏轉到滿刻度，電源電壓應選較大的才行.至于將電流表改裝成電壓表應串聯多大的電阻，可由串聯電阻的分壓關系求得.

解析：

1)半偏法測量表頭內阻時，首先選擇滑動變阻器(必須大于電路所需的最小電阻)，根據電路的電壓為電動勢，電路的最大電流為表頭的滿偏電流，則最小電阻為

或

考慮到保護電阻1 kΩ，則可知調節滑動變阻器使表頭滿偏時滑動變阻器的阻值分別接近29 kΩ或6.5 kΩ，電路圖5中R2是滑動變阻器，不能選D和E，只能選F.表頭滿偏時滑動變阻器的阻值越大，實驗的誤差越小.所以電源選擇電動勢為6 V的B，而且滑動變阻器R2的阻值也滿足調節所需.而R1是用來測量表頭內阻的電阻箱，只能選擇C.

2)實驗步驟：第一步閉合S2，選擇B；第二步調節R2阻值使電流計滿偏，選擇C；第三步閉合S1，選擇A；第四步調節R1阻值使電流計半偏，選擇E；第五步讀出R1阻值為待測表頭的內阻.

3)待測表頭的內阻與R1的示數相等是300.0 Ω，閉合S1后，電路的總電阻減小.當表頭半偏時，干路上的電流就大于表頭的滿偏電流，流過電阻箱的電流就大于表頭的滿偏電流，所以電阻箱的阻值略小于表頭的內阻.

4)給表頭串聯一個電阻可以改裝為電壓表，改裝后的電壓表的內阻為

則串聯電阻的大小為20 kΩ-0.3 kΩ=19.7 kΩ.

(2)乙同學要將另一個電流計G○改裝成直流電壓表，但他僅借到一塊標準電壓表V0○，一個電池組E，一個滑動變阻器R′和幾個待用的阻值準確的定值電阻.

1)該同學從上述具體條件出發，先將待改裝的表G○直接與一個定值電阻R相連接，組成一個電壓表；然后用標準電壓表V0○校準.請你畫完圖6方框中的校準電路圖.

圖6

由此可以判定，表G○的內阻rg是______kΩ，滿偏電流Ig是______mA.若要將表G○改裝為量程是15 V的電壓表，應配備一個______kΩ的電阻.

分析：本題1)是考查對電表的改裝，意在考查對改裝后校對電路的設計和數據處理能力，電壓應從零開始增加到最大值，滑動變阻器應采用分壓接法；2)應用并聯電路的兩端有相同的電壓來求電流計的內電阻和滿偏電流，進而求得改裝為15 V電壓表示所需的電阻值.

圖7

解析：1)本實驗是對改裝電壓表進行校準的，將改裝電壓表和標準電壓表并聯后要求電壓從零至滿偏變化，所以滑動變阻器采用分壓接法，電路連接如圖7所示.

U=I(rg+R)

代入測得的數據，得到關于rg和Ig的二元一次方程組

0.4Ig(rg+17×103)=4

0.4Ig(rg+7×103)=2

解得

rg=3.0 kΩIg=0.5 mA

量程為15 V的改裝電壓表的內阻

所以改裝時串聯的電阻是

30 kΩ-3.0 kΩ=27 kΩ

3 圖表數據類題型

【例3】(高考全國新課標試卷第23題)用對溫度敏感的半導體材料制成的某熱敏電阻RT，在給定溫度范圍內，其阻值隨溫度的變化是非線性的.某同學將RT和兩個適當的固定電阻R1，R2連成圖8虛線框內所示的電路，以使該電路的等效電阻RL的阻值隨RT所處環境溫度的變化近似為線性的，且具有合適的阻值范圍.為了驗證這個設計，他采用伏安法測量在不同溫度下RL的阻值，測量電路如圖8所示，圖中的電壓表內阻很大.RL的測量結果如表1所示.

圖8

表1 RL測量數據

回答下列問題：

(1)根據圖8所示的電路，在圖9所示的實物圖中連線.

圖9

(2)為了檢驗RL與t之間近似為線性關系，在坐標紙上作RL-t關系圖線.

(3)在某一溫度下，電路中的電流表、電壓表的示數如圖10和11所示.電流表的讀數為____，電壓表的讀數為____.此時等效電阻RL的阻值為____，熱敏電阻所處環境的溫度約為____.

電流表示數 電壓表示數

分析：本題意在考查實驗儀器的讀數、電學實物圖的連接等實際操作能力、對實驗數據的處理能力以及從圖線上獲取數據的能力.

解析：(1)根據電路圖連接電路，如圖12所示.

圖12

(2)根據數據描出點，擬合成直線圖13.

圖13

(3)因為電流表的最小刻度為5 mA，故讀數時只能精確到1 mA，所以電流表的讀數為115 mA，而電壓表的最小刻度為0.1 V，故讀數時能估讀到0.01 V，所以電壓表的讀數為5.00 V.則

對照圖找出相應的溫度64.0 ℃.

圖14 圖15

(1)由圖線a可知電池a的電動勢Ea=______V，內阻ra=______Ω.

(2)若用同一個電阻R先后與電池a及電池b連接，則兩電池的輸出功率Pa______Pb(填“大于”、“等于”或“小于”)，效率ηa______ηb(填“大于”、“等于”或“小于”).

得

Eaka=0.5 Ω.

(2)從圖像約知：截距bb≈0.2 V-1，斜率kb≈0.13 ΩV-1，電動勢Eb≈5 V，內阻rb≈0.7 Ω.Ea

答案:(1)2.0 V；0.5 Ω.(2)小于；大于.

從以上例析可看出，電學實驗涉及內容較多，題目取材廣泛、情景新穎、形式復雜多樣，但萬變不離其宗，多數跟教材中的基本電學實驗有關.測量電路(如電流表內接法、電流表外接法)、控制電路(滑動變阻器的分流接法、分壓接法)、實驗儀器的讀數和選擇，實驗方法、步驟的確定.數據處理、誤差分析等問題，都是從實驗原理派生出來的.因此只要熟練掌握好教材中的演示實驗和分組實驗，在學習中勤觀察，多思考、多關注新的實驗題材，在解答時熟練的應用電學的基本原理(如歐姆定律、閉合電路的歐姆定律，電功率等)，明確實驗原理和目的，巧妙地運用數學知識，問題就能得以順利解決.另外，設計電路一般應遵循安全性、精確性、方便性，兼顧使用儀器少，耗電少等原則.