甘肅

(作者單位：甘肅省慶陽市隴東學(xué)院附屬中學(xué))

例析高考真題，剖析電學(xué)實(shí)驗(yàn)，提升備考策略

電學(xué)實(shí)驗(yàn)是每年高考物理的必考題目，實(shí)驗(yàn)題目形式千變?nèi)f化，所涉及的知識(shí)面廣、方法多，儀器的選取和使用技巧性強(qiáng)。試題一般通過設(shè)計(jì)新穎的實(shí)驗(yàn)情景，以問題為導(dǎo)向，要求考生將物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)、方法和技能與新的情景相結(jié)合完成實(shí)驗(yàn)，充分體現(xiàn)對物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的四大物理核心素養(yǎng)的考查。本文列舉分析了2019年高考物理部分實(shí)驗(yàn)題目，并從四個(gè)方面來破解高考電學(xué)實(shí)驗(yàn)題的解題策略，以使考生更高效地進(jìn)行備考。

一、實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)及器材選取問題——優(yōu)先考慮安全性和準(zhǔn)確性

(2)實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)或選擇也必須考慮安全性和準(zhǔn)確性原則，電路的連接方式重點(diǎn)考慮兩點(diǎn)：電流表采用內(nèi)接法還是外接法；滑動(dòng)變阻器采用限流式接法還是分壓式接法。判斷電流表的接法一般有三種方法，即阻值比較法、比值比較法和試觸法，滑動(dòng)變阻器選擇限流式接法還是分壓式接法，首先要看實(shí)驗(yàn)要求，實(shí)驗(yàn)中有沒有明顯的語言暗示，若實(shí)驗(yàn)題目中存在以下語言暗示，實(shí)驗(yàn)必須要采用分壓式接法：要求通過被控制部分的電壓或電流從零開始調(diào)節(jié)；實(shí)驗(yàn)要求多測量幾組數(shù)據(jù)，要求電壓或電流變化范圍足夠大；用電器的電阻遠(yuǎn)大于滑動(dòng)變阻器的電阻且要求電壓變化范圍大；雖沒有文字暗示，但實(shí)驗(yàn)題目表格中給出了一系列數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)中電壓(或電流)的變化范圍較大；若采用限流式接法，電路中的實(shí)際電壓或電流的最小值仍然超過用電器的額定電壓或電流。

【例1】(2019年全國卷Ⅲ)某同學(xué)欲將內(nèi)阻為98.5 Ω、量程為100 μA的電流表改裝成歐姆表并進(jìn)行刻度和校準(zhǔn)，要求改裝后歐姆表的15 kΩ刻度正好對應(yīng)電流表表盤的50 μA刻度?？蛇x用的器材還有：定值電阻R0(阻值14 kΩ)，滑動(dòng)變阻器R1(最大阻值1 500 Ω)，滑動(dòng)變阻器R2(最大阻值500 Ω)，電阻箱(0～99 999.9 Ω)，干電池(E=1.5 V,r=1.5 Ω)，紅、黑表筆和導(dǎo)線若干。

圖1

(1)歐姆表設(shè)計(jì)

將圖1中的實(shí)物連線組成歐姆表。歐姆表改裝好后，滑動(dòng)變阻器R接入電路的電阻應(yīng)為________Ω；滑動(dòng)變阻器選________(填“R1”或“R2”)。

(2)刻度歐姆表表盤

通過計(jì)算，對整個(gè)表盤進(jìn)行電阻刻度，如圖2所示。表盤上a、b處的電流刻度分別為25和75，則a、b處的電阻刻度分別為________、________。

圖2

(3)校準(zhǔn)

紅、黑表筆短接，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使歐姆表指針指向________kΩ處；將紅、黑表筆與電阻箱連接，記錄多組電阻箱接入電路的電阻值及歐姆表上對應(yīng)的測量值，完成校準(zhǔn)數(shù)據(jù)測量。若校準(zhǔn)某刻度時(shí)，電阻箱旋鈕位置如圖3所示，則電阻箱接入的阻值為________Ω。

圖3

【解析】本題考查了歐姆表的改裝及電阻箱的讀數(shù)，涉及歐姆表原理電路圖的設(shè)計(jì)和滑動(dòng)變阻器的選取問題，考查了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，體現(xiàn)了物理學(xué)科素養(yǎng)中的科學(xué)推理要求，滲透了實(shí)踐的價(jià)值觀念。

(1)實(shí)物連線圖如圖4所示。題意要求改裝后歐姆表的15 kΩ刻度正好對應(yīng)電流表表盤的50 μA刻度，中值電阻等于內(nèi)阻，為15 kΩ，即RμA+R0+r+R=15 kΩ,代入數(shù)據(jù)得R=900 Ω。由于滑動(dòng)變阻器接入電路中的阻值大于R2的最大阻值，故只能選用R1。

圖4

(3)考查電表的校準(zhǔn)，紅黑表筆短接，調(diào)整滑動(dòng)變阻器使歐姆表的指針滿偏，即指在0 kΩ處。電阻箱的讀數(shù)為35 000.0 Ω。

二、圖象法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)問題——數(shù)形結(jié)合、推導(dǎo)關(guān)系是關(guān)鍵

對于圖象法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)問題，根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理仔細(xì)推導(dǎo)找關(guān)系，數(shù)形結(jié)合是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理最基本的思路。利用圖象法處理電學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有兩種基本思路：一是如果橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)兩個(gè)變量成線性關(guān)系，則可以利用兩個(gè)變量的關(guān)系進(jìn)行求解，如用圖線的斜率、面積、截距等物理意義處理實(shí)驗(yàn)研究的問題，此類問題一般都要先根據(jù)物理規(guī)律寫出物理方程或物理關(guān)系，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求寫出縱軸和橫軸的線性關(guān)系方程y=kx+b，從而確定其斜率、面積、截距等物理含義，再結(jié)合圖象的信息進(jìn)行求解，比如測定電池的電動(dòng)勢和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)。二是如果橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)兩個(gè)變量不成線性關(guān)系，有時(shí)不能根據(jù)圖象的斜率等關(guān)系求解問題，可借助作輔助圖線的方法，利用圖象截距、交點(diǎn)的物理含義求解，比如描繪小燈泡的伏安特性曲線后計(jì)算小燈泡的實(shí)際功率問題。

【例2】(2019年江蘇卷)某同學(xué)測量一段長度已知的電阻絲的電阻率。實(shí)驗(yàn)操作如下：

(1)螺旋測微器如題圖5所示。在測量電阻絲直徑時(shí)，先將電阻絲輕輕地夾在測砧與測微螺桿之間，再旋動(dòng)________(填“A”“B”或“C”)，直到聽見“喀喀”的聲音，以保證壓力適當(dāng)，同時(shí)防止螺旋測微器的損壞。

圖5

(2)選擇電阻絲的________(填“同一”或“不同”)位置進(jìn)行多次測量，取其平均值作為電阻絲的直徑。

圖6

(3)圖6中Rx為待測電阻絲。請用筆畫線代替導(dǎo)線，將滑動(dòng)變阻器接入圖7實(shí)物電路中的正確位置。

圖7

(4)為測量Rx，利用圖6所示的電路，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器測得5組電壓U1和電流I1的值，作出的U1-I1關(guān)系圖象如圖8所示。接著將電壓表改接在a、b兩端，測得5組電壓U2和電流I2的值，數(shù)據(jù)見下表：

U2/V0.501.021.542.052.55I2/mA20.040.060.080.0100.0

請根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，在方格紙上作出U2-I2圖象。

圖8

(5)由此，可求得電阻絲的Rx=________Ω。根據(jù)電阻定律可得到電阻絲的電阻率。

【解析】本題是一道非常典型的運(yùn)用圖象法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的問題?？疾榱寺菪郎y微器的使用，測定電阻絲電阻率的電路設(shè)計(jì)及對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)原理，同時(shí)考查了學(xué)生綜合分析能力和運(yùn)用圖象法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力。

(1)考查螺旋測微器的使用，選擇C。

(2)電阻絲直徑的測量應(yīng)該選擇不同位置進(jìn)行多次測量取平均值，以減小偶然誤差。

(3)實(shí)物圖連接如圖9所示。

圖9

(4)如圖10所示。

圖10

(5)典型的圖象法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)問題，根據(jù)電路原理圖6和圖8U1-I1圖象分析可知，圖線斜率表示Rx、R0及電流表內(nèi)阻之和，而圖10中U2-I2的斜率表示R0及電流表內(nèi)阻之和，兩圖線斜率的差值即電阻絲的阻值Rx=23.5 Ω。

三、電學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新問題——循“路”理“線”析原理是突破口

高考電學(xué)實(shí)驗(yàn)的壓軸題一般不會(huì)直接考查課本中的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，而是在學(xué)生實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，此類壓軸題的難點(diǎn)常常是把學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)原理和方法進(jìn)行拓展、遷移、創(chuàng)新。破解此類問題的關(guān)鍵是掌握課本中常規(guī)實(shí)驗(yàn)的原理、方法、規(guī)范操作程序、數(shù)據(jù)處理方法等基礎(chǔ)知識(shí)，從題目給出的電路原理圖入手分析，再結(jié)合已有的電學(xué)知識(shí)(比如電路的串并聯(lián)關(guān)系、閉合電路歐姆定律等)和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行推理，往往可以找到解題的突破口。

【例3】(2019年全國卷Ⅱ)某小組利用圖11所示的電路，研究硅二極管在恒定電流條件下的正向電壓U與溫度t的關(guān)系，圖中V1和V2為理想電壓表；R為滑動(dòng)變阻器，R0為定值電阻(阻值100 Ω)；S為開關(guān)，E為電源。實(shí)驗(yàn)中二極管置于控溫爐內(nèi)，控溫爐內(nèi)的溫度t由溫度計(jì)(圖中未畫出)測出。圖12是該小組在恒定電流為50 μA時(shí)得到的某硅二極管U-I關(guān)系圖象?；卮鹣铝袉栴}：

圖11

圖12

(1)實(shí)驗(yàn)中，為保證流過二極管的電流為50 μA，應(yīng)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R，使電壓表V1的示數(shù)為U1=________mV；根據(jù)圖12可知，當(dāng)控溫爐內(nèi)的溫度t上升時(shí)，硅二極管正向電阻________(填“變大”或“變小”)，電壓表V1示數(shù)________(填“增大”或“減小”)，此時(shí)應(yīng)將R的滑片向________(填“A”或“B”)端移動(dòng)，以使V1示數(shù)仍為U1。

【解析】本實(shí)驗(yàn)考查運(yùn)用閉合電路歐姆定律計(jì)算電壓，并且分析硅二極管兩端的電壓與溫度的關(guān)系，考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γw現(xiàn)了科學(xué)探究核心素養(yǎng)，又體現(xiàn)創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)的價(jià)值觀念。破解電路結(jié)構(gòu)，理清實(shí)驗(yàn)過程是考生準(zhǔn)確作答題目的前提。

(1)題目中V1和V2均為理想電壓表，為保證流過二極管的電流為50.0 μA，必須保證流過定值電阻R0的電流為50.0 μA，根據(jù)歐姆定律可得U1=5.00 mV,根據(jù)圖12可知，隨著控溫爐內(nèi)溫度的升高，電壓表V2示數(shù)變小，說明硅二極管正向電阻變小，電壓表V1示數(shù)增大，為使V1示數(shù)仍為U1，即保持回路中的總電流不變，回路中的總電阻保持不變，所以需要增大滑動(dòng)變阻器的阻值，滑片應(yīng)向B端移動(dòng)。

四、電學(xué)實(shí)驗(yàn)誤差分析問題——系統(tǒng)誤差是重點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)方法分析是關(guān)鍵

任何實(shí)驗(yàn)都有誤差，盡量減小誤差是物理實(shí)驗(yàn)的基本原則，所以誤差分析在高考實(shí)驗(yàn)題中經(jīng)常出現(xiàn)，誤差分析往往也是高考實(shí)驗(yàn)題目的難點(diǎn)。要破解誤差，首先要了解造成實(shí)驗(yàn)誤差的原因及其性質(zhì)，物理學(xué)中把誤差按其產(chǎn)生的原因與性質(zhì)分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。偶然誤差在高考中一般不作為考查的重點(diǎn)，高考電學(xué)實(shí)驗(yàn)誤差的考查主要是系統(tǒng)誤差，尋找系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因是誤差分析的重點(diǎn)突破方向。電學(xué)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的原因主要有兩大類：一是儀器本身存在一定的缺陷或不精密造成的，如儀器零點(diǎn)不準(zhǔn)等；二是實(shí)驗(yàn)方法、原理不完善或所依據(jù)的理論本身具有近似性。例如實(shí)驗(yàn)室所用的電流表和電壓表均不是理想電表，內(nèi)阻對實(shí)驗(yàn)測量帶來的誤差等這些都是分析誤差的重要依據(jù)和突破方向。

【例4】(2019年天津卷)現(xiàn)測定長金屬絲的電阻率。

①某次用螺旋測微器測量金屬絲直徑的結(jié)果如圖13所示，其讀數(shù)是________mm。

圖13

②利用下列器材設(shè)計(jì)一個(gè)電路，盡量準(zhǔn)確地測量一段金屬絲的電阻。這段金屬絲的電阻Rx約為100 Ω，畫出實(shí)驗(yàn)電路圖，并標(biāo)明器材代號(hào)。

電源E(電動(dòng)勢10 V)，內(nèi)阻約為10 Ω)

電流表A1(量程0～250 mA，內(nèi)阻R1=5 Ω)

電流表A2(量程0～300 mA，內(nèi)阻約為5 Ω)

滑動(dòng)變阻器R(最大阻值10 Ω，額定電流2 A)

開關(guān)S及導(dǎo)線若干

③某同學(xué)設(shè)計(jì)方案正確，測量得到電流表A1的讀數(shù)為I1，電流表A2的讀數(shù)為I2，則這段金屬絲電阻的計(jì)算式Rx=________。從設(shè)計(jì)原理看，其測量值與真實(shí)值相比________(填“偏大”“偏小”或“相等”)。

圖14