電學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與思維轉(zhuǎn)向意識(shí)

封安保

(安徽省合肥市第一中學(xué),安徽合肥 230601)

電學(xué)實(shí)驗(yàn)試題一直是歷年高考的一大亮點(diǎn),這類試題題型種類繁多,題目新穎多變,其中的實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)試題更是源于課本而又明顯高于課本,突出考查學(xué)生的創(chuàng)新思維能力.但這類試題往往題中條件較為隱蔽,實(shí)驗(yàn)要求也很多,解答過程中考慮稍有不周,就會(huì)落入命題者精心設(shè)置的圈套之中而痛失考分.

對(duì)電學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)試題的解答,首先必須明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?是測(cè)量某個(gè)物理量(如測(cè)未知電阻的阻值、測(cè)電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻等)、還是驗(yàn)證某個(gè)定律(如歐姆定律、閉合電路的歐姆定律等),然后圍繞實(shí)驗(yàn)?zāi)康膹V泛聯(lián)系所學(xué)的物理知識(shí),從而確定實(shí)驗(yàn)原理,并進(jìn)而推出實(shí)驗(yàn)計(jì)算的表達(dá)式.在實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)中,由于試題對(duì)實(shí)驗(yàn)器材及實(shí)驗(yàn)要求等多方面的條件限制,常規(guī)方法往往不能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?此時(shí)必須有思維轉(zhuǎn)向意識(shí),及時(shí)調(diào)整思維方向,敢于打破傳統(tǒng)觀念的約束,從新的視角審視試題,獨(dú)辟蹊徑地解答試題.下面通過具體試題說明在解答電學(xué)實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)如何實(shí)現(xiàn)思維轉(zhuǎn)向,從而正確解答相關(guān)問題.

1 對(duì)電表測(cè)量功能的思維轉(zhuǎn)向

我們知道,電流表、電壓表是測(cè)定電流、電壓的實(shí)驗(yàn)儀器,但在電流表、電壓表內(nèi)阻已知的條件下,電流表、電壓表也能轉(zhuǎn)化為測(cè)出電壓和電流的儀器.

例1.(2010年高考福建卷)如圖1所示是一些準(zhǔn)備用來測(cè)量待測(cè)電阻 Rx阻值的實(shí)驗(yàn)器材,器材及其規(guī)格見表1.

圖1

表1

電壓表V1 量程2.0 V,內(nèi)阻 r1=1 000 Ω電壓表V2 量程5.0 V,內(nèi)阻 r2=2 500 Ω電流表A 量程3.0 A,內(nèi)阻 r=0.010 Ω滑動(dòng)變阻器R 最大阻值約100 Ω,額定電流0.5 A開關(guān)S、導(dǎo)線若干

為了能正常進(jìn)行測(cè)量并盡可能減小實(shí)驗(yàn)誤差,實(shí)驗(yàn)要求測(cè)量時(shí)電表的讀數(shù)大于其量程的一半,而且調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器能使電表讀數(shù)有明顯的變化.請(qǐng)用實(shí)線代替導(dǎo)線,在所給的實(shí)驗(yàn)器材圖中選擇若干合適的器材,連成滿足要求的測(cè)量Rx阻值的電路.

解析:本題看似一道普通的伏安法測(cè)電阻問題.用電壓表測(cè)出電阻兩端的電壓,電流表測(cè)出通過電阻的電流,由于電流表電阻遠(yuǎn)小于待測(cè)電阻的阻值,因此,采用電流表“內(nèi)接法”;由于滑動(dòng)變阻器的阻值明顯小于待測(cè)電阻的阻值,且實(shí)驗(yàn)要求“在調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器能使電表讀數(shù)有明顯的變化”,所以,滑動(dòng)變阻器應(yīng)采用“分壓式”連接.

仔細(xì)分析試題才能看出問題的關(guān)鍵所在.由于待測(cè)電阻的阻值在900 Ω～1 000 Ω之間,電源電動(dòng)勢(shì)約 9 V,因此,通過電阻的電流最大值也只能約為0.01 A,這樣的電流遠(yuǎn)小于電流表的量程,也就是說,如果用電流表測(cè)量通過電阻的電流值,就無法達(dá)到“能正常進(jìn)行測(cè)量并盡可能減小實(shí)驗(yàn)誤差,實(shí)驗(yàn)要求測(cè)量時(shí)電表的讀數(shù)大于其量程的一半”這一實(shí)驗(yàn)要求.為此,我們必須轉(zhuǎn)變思維方向,看看能不能通過電壓表來測(cè)出通過電阻的電流值:電壓表V1、V2的量程分別為2 V 和5 V,內(nèi)阻分別為1 000 Ω和 2 500 Ω,因此,它們的滿偏電流均為0.001 A,都可以作為電流表使用.

圖2

進(jìn)一步分析:將電壓表V1作為電流表使用,并且采用電流表“內(nèi)接法”連接,當(dāng)V1達(dá)到滿偏時(shí),V2讀數(shù)在3.8 V～4.0 V之間,可以滿足實(shí)驗(yàn)要求,為此,滿足要求的測(cè)量Rx阻值的電路如圖2所示.

由此可以看出,能否成功解答本題的關(guān)鍵在于能否實(shí)現(xiàn)思維轉(zhuǎn)向,將電壓表的測(cè)量功能轉(zhuǎn)變?yōu)闇y(cè)量通過電阻的電流值.

2 對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理的思維轉(zhuǎn)向

很多時(shí)候,我們?cè)诜治鏊伎紗栴}時(shí)會(huì)陷入某些思維定勢(shì)(例如,一談到測(cè)定待測(cè)電阻的阻值都會(huì)想到“伏安法”),思維定勢(shì)大大影響了我們的正確思維,并使我們陷入其中不能自拔.在進(jìn)行電學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí),由于試題對(duì)實(shí)驗(yàn)器材及實(shí)驗(yàn)要求等多方面的條件限制,常規(guī)方法往往不能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?此時(shí),我們應(yīng)及時(shí)調(diào)整思維方向,敢于打破傳統(tǒng)思路的約束,從新的視角審視試題,從而實(shí)現(xiàn)問題的求解.

例2.(2010年高考全國卷Ⅱ)如圖3,一熱敏電阻 RT放在控溫容器M內(nèi);A為毫安表,量程6 mA,內(nèi)阻為數(shù)十歐姆;E為直流電源,電動(dòng)勢(shì)約為3 V,內(nèi)阻很小;R為電阻箱,最大阻值為999.9 Ω;S為開關(guān).已知RT在95℃時(shí)阻值為150 Ω,在20℃時(shí)的阻值約為550 Ω.現(xiàn)要求在降溫過程中測(cè)量在95℃～20℃之間的多個(gè)溫度下RT的阻值.

(1)在圖中畫出連線,完成實(shí)驗(yàn)原理電路圖.(2)完成下列實(shí)驗(yàn)步驟中的填空.

圖3

①依照實(shí)驗(yàn)原理電路圖連線.

②調(diào)節(jié)控溫容器M內(nèi)的溫度,使得RT溫度為95℃.③將電阻箱調(diào)到適當(dāng)?shù)某踔?以保證儀器安全.

④閉合開關(guān).調(diào)節(jié)電阻箱,記錄電流表的示數(shù)I0,并記錄________.

⑤將 RT的溫度降為 T1(20℃＜T1＜95℃);調(diào)節(jié)電阻箱,使得電流表的讀數(shù)________,記錄________.

⑥溫度為 T1時(shí)熱敏電阻的電阻值RT1=________.

⑦逐步降低 T1的數(shù)值,直至20℃為止;在每一溫度下重復(fù)步驟⑤⑥.

解析:(1)對(duì)本題,我們無法采用“伏安法”測(cè)出熱敏電阻的阻值,因?yàn)樵囶}中既無電壓表也無法將其他電表改裝成電壓表,因此,必須轉(zhuǎn)變思維方向采用其他方法.研究發(fā)現(xiàn),如果我們將電阻箱、熱敏電阻及電流表串聯(lián)起來,在實(shí)驗(yàn)過程中,通過控制電流表的示數(shù)保持不變,則電阻箱 R、熱敏電阻RT的阻值之和保持不變,即溫度為95℃時(shí)兩電阻值之和與其他溫度下兩電阻值之和相等.由此,可完成實(shí)驗(yàn)原理電路圖如圖4所示.

圖4

(2)實(shí)驗(yàn)過程中,④閉合開關(guān),調(diào)節(jié)電阻箱,記錄電流表的示數(shù) I0,并記錄電阻箱的讀數(shù) R0;⑤將RT的溫度降為T1(20℃＜T1＜95℃),調(diào)節(jié)電阻箱,使得電流表的讀數(shù):仍為I0,同時(shí)記錄電阻箱的讀數(shù) R1;⑥則溫度為 T1時(shí)熱敏電阻的電阻值為 RT=R0-R1+150 Ω.

解答電學(xué)實(shí)驗(yàn)問題時(shí),要進(jìn)行思維轉(zhuǎn)向的類型還有很多,如改變電表量程、改變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方式等等.總之,我們?cè)诮虒W(xué)過程中,在完成常規(guī)教學(xué)的同時(shí),要注意培養(yǎng)和提高學(xué)生的思維轉(zhuǎn)向意識(shí),培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新思維能力,使他們?cè)谔幚硇碌奈锢韱栴}時(shí),能從新的視角審視問題,使問題圓滿解決.