近幾年高考物理電路實驗題中的一個熱點

◇　福建　鄭永琪

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近幾年高考物理電路實驗題中的一個熱點

◇福建鄭永琪

電路實驗是高考試卷的必考題,分值較大．實驗題往往源于教材上的基本知識,但是又高于教材大綱的實驗要求.實驗題目靈活多變,只要有一個實驗條件或要求發生變化,就能引起實驗中的實驗原理、器材、電路、數據處理的方法等發生變化,既能很好考查考生的實驗動手能力,還能考查考生應用所學知識解決實際問題的能力,選拔功能極強．在近幾年高考物理電路實驗題中屢現一種題型,那就是每道電路實驗題總有一個屬于方法創新類的問題,它特別突出考查閉合電路知識和處理方法,使電路核心知識在高考中體現出了它應有的地位．同時這類問題還具有很強的開放性和創新性,可以很好地考查考生的綜合分析能力．本文就此進行例說,希望能引起大家足夠的重視．

電池組(電動勢為4.5V,內阻約1Ω)；

電流表(量程為0～250mA，內阻約5Ω)；

電壓表(量程為0～3V，內阻約3kΩ)；

開關1個、導線若干.

(1) 實驗中所用的滑動變阻器應選下列中的____．

A滑動變阻器(最大阻值20Ω,額定電流1A)

B滑動變阻器(最大阻值1750Ω,額定電流0.3A)

(2) 實驗的電路圖應選用下列的________圖．

(3) 實驗得到小燈泡的伏安特性曲線如圖1．如果將這個小燈泡接到電動勢為1.5V,內阻為5Ω的電源兩端,小燈泡消耗的功率是________W．

圖1

分析問題(3)是一個非線性問題,按常規方法無法準確解答．其實這個問題和問題的解答與本實驗幾乎沒有關系,它實際上是一個純閉合電路的問題．解答困難在于沒有給出U、I的數學函數關系,雖然給出了圖象,也得不到圖線所對應的具體函數關系．要想解決這個問題,必須充分考慮到小燈泡與一個已知電動勢和內電阻的電源構成閉合電路這個重要信息,由此可知路端電壓與小燈泡的電壓相同、電源電流與小燈泡的電流都相同．如果根據閉合電路歐姆定律U=E-Ir畫出U-I函數圖線(如圖2中的斜線所示),讀取它與小燈泡的伏安特性曲線交點的U、I值,此U、I值顯然就是此時小燈泡的工作電壓、電流,從而得小燈泡的實際功率．

圖2

(1) 實驗要求滑動變阻器的滑片從左到右移動過程中,電流表的示數從0開始逐漸增大．按此要求用筆畫線代替導線在圖3-甲實物圖中完成余下導線的連接;

圖3

(2) 某次測量,電流表指針偏轉如圖3-乙,電流表的示數為________A;

(3) 該小組描繪的伏安特性曲線如圖4所示,據圖線判斷,將________只相同的小電珠并聯后,直接與電動勢為3V、內阻為1Ω的電源組成閉合回路,可使小電珠的總功率最大,其總功率的值約為________W(保留2位小數)．

圖4

圖5

分析問題(3)屬于典型的非線性問題,用常規的思維方法處理是行不通的．如果用例1中采用的方法,顯然由于小電珠是并聯的,通過每只小電珠的電流與通過電源的電流不一樣,得到的2條圖線的交點U、I并沒有實際意義,因而無法得出結論．此問題巧妙之處就是在于利用了閉合電路中一個重要的結論:在純電阻電路的情況下,當外電路電阻等于內電路電阻時,電源的輸出電功率最大．具體就是:電源內阻為1Ω,所以當外電路總電阻等于1Ω時,電源輸出電功率最大,也就是小電珠的總功率最大．此時外電壓、內電壓均為1.5V,由U-I圖可知，當小電珠電壓等于1.5V時電流約為0.38A,再由內電路可知總電流約為1.5A,所以需要4個小電珠,小電珠的總功率最大且為P=UI≈2.25W．

圖6

回答下列問題:

(1) 滑片向下滑動時,電壓表示數將________(填“增大”或“減小”)．

(2)I0=________A．

(3)RL消耗的最大功率為________W(保留1位有效數字)．

分析問題(3)主要考查閉合電路原理和U-I圖象的靈活應用．由于變阻器RL的電壓、電流和電阻同時改變,無法直接討論確定電功率的最大值,這是問題的關鍵點．本問題的處理有以下2種思路:

2) 由于U-I圖象中的U、I就是RL的電壓、電流,易得RL的U、I函數關系為U=20 V-20 Ω·I,RL消耗的功率為

P=IU=20 V·I-20 Ω·I2=

-20 V(I-0.5 A)2+5 W,

則當I=0.5 A時,功率最大值為5 W．

實驗以其靈活多變,思維層次多而深受高考命題人的青睞,其中高考電路實驗題因靈活多變成為考生在高考中得分的一個難點,它既考查電路部分的知識點,又全面考查考生是否理解實驗原理,是否理解儀表工作原理,是否具有將知識進行遷移的能力.類試題在高考中屢屢出現,且面孔常新,是高考試題中的一大亮點．

(作者單位：福建省永春第一中學)