突破高中物理電學實驗之奧秘

涂永鑄

摘 要：電學實驗是高考物理中的一大難點，學生在電學實驗一題中失分較為嚴重，可以說這是一道關系學生物理考試能否取得高分的關鍵題目。電學實驗之所以難，筆者認為其核心在于學生不能正確分析出實驗原理，剖析實驗原理下隱藏的解題思路、解題方法、解題技巧。學生答實驗題時，往往一把亂抓，沒能根據實驗原理找到各部分的聯系點，反而是想到一個點就顧一個點，缺乏一種全局觀念，所以時常顧此失彼，這也都是由于沒能精準剖析實驗原理所造成的。所以，要突破電學實驗這一難點，最關鍵的是要精準剖析實驗原理，建立題目中各個環節的緊密聯系，方能從全局把握實驗，提高電學實驗題的得分率。

關鍵詞：突破;電學實驗;精準剖析;實驗原理

在答電學實驗題時，首先應該考慮的就是該實驗的實驗原理，然而這又是學生最容易忽略的一點。實驗原理，關系著實驗的設計思路、實驗的器材選擇、實驗的操作流程、實驗的數據處理等等，是所有實驗的核心要素，是實驗取得突破的核心所在。基于正確的原理分析，才能更好地完成實驗目的，完成題目要求。而如何去分析實驗原理，怎樣去剖析實驗原理下的隱含信息（包括電路的設計、儀器的選擇、數據的處理等），便是問題的關鍵所在。基于學生對高中電學基本規律的理解，有些電學實驗的實驗原理可以從實驗目的中輕易得出，也有的實驗原理只能從實驗流程中逐步呈現。前者原理出現得比較明顯，學生在分析時可以較為輕松，但對該原理下的隱含信息就需要步步為營，抽絲剝繭;而后者在原理的分析上較為復雜，這也需要學生對題目中所呈現的實驗流程認真剖析，梳理前后關聯，從而突破原理。

一、實驗原理“顯而易見”型

如下實驗1：

某小組要測一電源的電動勢和內阻，實驗室提供的器材有：

待測電源（E約為3V，r約為1.0Ω）;電阻箱R（最大阻值為99.9Ω）;定值電阻R1（阻值為5.0Ω）;定值電阻R2（阻值為990Ω）;電流計（量程為2.5mA，內阻為Rg=10.0Ω）;開關，導線若干。

（1）請在下圖虛線框中完成電路圖，并標明各儀器符號。

（2）實驗中得到了多組電阻箱的阻值R和相應的電流計的讀數I，并作出如上右圖所示的-圖像，若已知直線斜率為k，縱截距為b，則電源電動勢E=________，內阻 r= ____________。（要求用測得的物理量和已知物理量的符號表示，電阻R2的分流作用忽略不計）

此實驗的實驗目的為“測量一電源的電動勢和內阻”，由此學生便能迅速得出該實驗的基本原理為“閉合電路的歐姆定律”，故而實驗中需要用到E=U+Ir這一表達式，從而為實驗中路端電壓U、電源中的電流I的測量提供了理論支持。結合給出的實驗器材，發現題中并未給全電流表和電壓表，所以“伏安法”遇到了阻礙。而從電源電動勢3V和電阻箱阻值可估算得電路中電流大于30mA，所以電流計（2.5mA，25mV）必然需要擴大量程，進行改裝，再根據所給定值電阻的阻值分析，只能將其改裝為電壓表（若改裝為大量程的電流表，仍然會超出測量范圍）。所以需將電流計和定值電阻R2串聯，改裝成大量程電壓表，且滿足U=Ig（R2+Rg）=2.5 V，結合電阻箱的特點，就將“伏安法”轉化為了“伏阻法”，由于電源內阻較小，故將R1作為保護電阻連入電路，從而設計出如下電路圖。

設計好電路后，根據閉合電路的歐姆定律，同時結合題中要求電阻R2的分流作用忽略不計，可得E=U+Ir，即，再結合題中所給的-關系圖像，將上式變形為=·+，從而得到該直線的斜率，截距b=，最終求得E與r。此實驗看似復雜，但從實驗原理出發，層層抽絲剝繭，不斷分割，細化到實驗電路的設計，實驗器材的選擇，實驗數據的處理，不難發現，實驗已然變得簡單了。

二、實驗原理“隱晦漸露”型

如下實驗2：

利用如圖所示的電路測量一個滿偏電流為300 μA、內阻r約為幾十到幾百歐姆的電流表的內阻，可供選擇的實驗器材如下：

A.滑動變阻器R1（阻值范圍0～30 kΩ）

B.滑動變阻器R2（阻值范圍0～10 kΩ）

C.電源E1（電動勢3 V，內阻不計）

D.電源E2（電動勢6 V，內阻不計）

（1）為了提高實驗測量的準確性，在上述可供選擇的器材中，滑動變阻器R應選用________，電源E應選用________。（均選填器材前面的序號）

（2）實驗時進行的主要步驟有：

A.斷開S2，閉合S1

B.調節滑動變阻器R的滑片，使電流表指針滿偏

C.閉合S2，保持R不變

D.調節電阻箱R′的阻值，使電流表指針偏轉到滿偏刻度的三分之一

E.記下此時R′的阻值為90Ω

則電流表的內阻的測量值為r測=________，且r測________r真（選填“>”“<”或“=”，r真為電流表內阻的真實值）。

從實驗目的和第（1）問來看，學生幾乎完全找不到該實驗的原理，這對學生來說是一個比較大的障礙，一上來就要選擇滑動變阻器和電源，一不小心就會陷入慣性思維，為保護電路，電源理應選擇電動勢較小的，殊不知，這樣一來就掉入了陷阱。為此，繼續閱讀題目，學生可以發現操作中先調節到電流表滿偏，隨后保持R不變，調節R′，使得電流表三分之一偏（半偏），這正是“利用‘半偏法測量電流表的內阻”，至此，實驗原理呼之欲出。所以基于這一實驗原理，在保證既能調到滿偏，又能減小誤差（閉合S2后，并聯的這一支路對電路的總電流幾乎沒有影響）的前提下，電源應選電動勢較大的，及E2;滑動變阻器應選擇變阻范圍為0～30kΩ的。再根據電路的串、并聯規律，兩支路兩端電壓相等時，電流之比等于電阻的反比，從而得出待測電流表的內阻為電阻箱讀數的2倍。而考慮實際中并聯一條支路后，會使得電路中總電阻略有減小，從而總電流略有增大，進而得出電阻箱支路的電流應該大于原總電流的三分之二，所以電流表內阻的測量值較真實值偏小。至此，該實驗題順利完成，其核心在于學生正確剖析了實驗原理，并進一步結合題目要求完成了對原理下隱含信息的分析識別。

不管是哪種類型，剖析實驗原理必然是突破電學實驗的核心要義，或清晰明了，或逐漸呈現，這都是學生答電學實驗一題的基本環節。只有精準剖析了實驗原理，才能有效挖掘題目中的信息，為電路的設計、器材的選擇以及數據的處理等做出積極的鋪墊。實驗原理，如同開門的鑰匙，只有找對了鑰匙，才能打開成功之門，突破電學實驗也不再是遙不可及。當然，這對學生實驗素養的要求較高，只有在一次又一次的精準剖析的過程中，才能不斷成長，逐漸形成電學實驗題的答題技巧。