江蘇 路文柱

(作者單位：江蘇省徐州市第三十六中學(xué))

物理實(shí)驗(yàn)一直是高考中的一個(gè)重點(diǎn)。由于高考實(shí)驗(yàn)題靈活、新穎，對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新能力要求較高，所以高考中的物理實(shí)驗(yàn)題區(qū)分度高、信度高，有利于高校選拔人才。那么，高考物理實(shí)驗(yàn)題主要考查點(diǎn)有哪些呢？本文以“伏安法測(cè)電阻”為例，分析說明高考物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)的考查角度，并對(duì)“伏安法測(cè)電阻”的有關(guān)問題進(jìn)行闡述。

一、考查實(shí)驗(yàn)原理

二、考查實(shí)驗(yàn)儀器、儀表的選取及儀表讀數(shù)

三、考查實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(主要是電路設(shè)計(jì))

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是以達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑榍疤?，以?shí)驗(yàn)原理為基礎(chǔ)，對(duì)所選擇的儀器、儀表進(jìn)行有效的組合、裝配。電路設(shè)計(jì)要按照安全、精確(誤差小)、簡(jiǎn)便(電路簡(jiǎn)單，便于控制)、省電的四個(gè)原則進(jìn)行。按照電路的功能劃分，“伏安法測(cè)電阻”的電路進(jìn)行主要分為兩部分，即測(cè)量電路和控制電路。

測(cè)量電路是由待測(cè)電阻、電流表、電壓表三者組成，用以測(cè)量待測(cè)電阻兩端的電壓及電阻中的電流，從而求出待測(cè)電阻的阻值。根據(jù)電流表、電壓表的相對(duì)位置關(guān)系，測(cè)量電路分為外接法(圖1)和內(nèi)接法(圖2)兩種；設(shè)計(jì)電路時(shí)，為減小誤差，小電阻采用外接法，大電阻采用內(nèi)接法，簡(jiǎn)稱“外小內(nèi)大”。原因如下：

如圖1，外接法的誤差是由于電壓表分流，使電流表的測(cè)量值大于流過待測(cè)電阻電流的實(shí)際值，為減小誤差，電壓表分得的電流應(yīng)盡可能小，由分流原理可知，此時(shí)待測(cè)電阻的阻值應(yīng)盡可能小，即Rx?RV，或者Rx更接近于RA。

圖1

如圖2，內(nèi)接法的誤差是由于電流表分壓，使電壓表的測(cè)量值大于待測(cè)電阻兩端電壓的實(shí)際值，為減小誤差，電流表分去的電壓應(yīng)盡可能小，由分壓原理可知，此時(shí)待測(cè)電阻的阻值應(yīng)盡可能大，即Rx?RA，或者Rx更接近于RV。

圖2

在實(shí)際操作過程中，通常采用“試觸法”比較Rx和RV、RA的大小，即通過改變兩電表的連接方式，觀察兩電表示數(shù)變化情況，如果電流表的示數(shù)變化明顯，說明電壓表的分流作用顯著，待測(cè)電阻的阻值更接近于電壓表的內(nèi)阻，應(yīng)采用內(nèi)接法；如果電壓表示數(shù)變化明顯，說明電流表的分壓作用顯著，待測(cè)電阻的阻值更接近于電流表的內(nèi)阻，應(yīng)采用外接法。

圖3

圖4

四、考查電路連接

電路的連接應(yīng)有一定的章法，切忌隨意連接。根據(jù)筆者所在學(xué)校這幾年高三模擬考試的情況，電路連接題雖然難度不高，但每次都是只有少部分同學(xué)能夠完全連對(duì)，尤其是實(shí)物圖的連接，出錯(cuò)最多。為此，讓學(xué)生掌握一種行之有效的方法是非常必要的，如“順電流法”——從電源正極出發(fā)，對(duì)照電路圖依次往下連接，先串聯(lián)，后并聯(lián)，最后連接電壓表。此外，連接電路時(shí)應(yīng)注意以下四點(diǎn)：第一，導(dǎo)線應(yīng)接在電學(xué)元件的接線柱上；第二，導(dǎo)線不能交叉；第三，電表中電流應(yīng)從正接線柱流入，負(fù)接線柱流出；第四，同一段導(dǎo)線兩端等效，但盡量接在較近的一端。

五、考查實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)步驟也是圍繞實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行的。“伏安法測(cè)電阻”的實(shí)驗(yàn)步驟主要有以下幾步：

1.設(shè)計(jì)電路圖；

2.按照電路圖連接電路；

3.將滑動(dòng)變阻器的滑片置于合適位置(使測(cè)量電路中的電流最小)；

4.閉合開關(guān)，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使測(cè)量電路中的電流逐漸增大，并讀出多組U、I值，填入已設(shè)計(jì)好的表格中；

六、考查誤差分析

【例1】實(shí)驗(yàn)室中現(xiàn)有器材如實(shí)物圖5所示，有

圖5

電池，電動(dòng)勢(shì)E約10 V，內(nèi)阻約1 Ω；

電流表A1，量程10 A，內(nèi)阻r1約0.2 Ω；

電流表A2，量程300 mA，內(nèi)阻r2約5 Ω；

電流表A3，量程250 mA，內(nèi)阻r3約5 Ω；

電阻箱R1，最大阻值999.9 Ω，阻值最小改變量為0.1 Ω；

滑動(dòng)變阻器R2，最大阻值100 Ω；開關(guān)S，導(dǎo)線若干。

要求用圖6所示的電路測(cè)定圖中電流表A的內(nèi)阻。

圖6

(1)在所給的三個(gè)電流表中，哪幾個(gè)可用此電路精確測(cè)出其內(nèi)阻？

答：_______________________。

(2)在可測(cè)量的電流表中任選一個(gè)作為測(cè)量對(duì)象，在實(shí)物圖上連成測(cè)量電路。

(3)你要讀出的物理量是________。

用這些物理量表示待測(cè)內(nèi)阻的計(jì)算公式是________。

【分析解答】(1)考查實(shí)驗(yàn)儀器的選取

(2)考查電路連接

以A3為待測(cè)電流表為例，按“順電流法”連接，從電源正極出發(fā)，對(duì)照電路圖依次往下連接，先串聯(lián)，后并聯(lián)，最后接電壓表，連接順序如圖7所示。

圖7

(3)考查實(shí)驗(yàn)原理

【例2】從下表中選出適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)一電路來測(cè)量電流表A1的內(nèi)阻r1，要求方法簡(jiǎn)捷，測(cè)量精度盡可能高，并能測(cè)得多組數(shù)據(jù)。

器材(代號(hào))規(guī)格電流表(A1)電流表(A2)電壓表(V)電阻(R1)滑動(dòng)變阻器(R2)電池(E)開關(guān)(K)導(dǎo)線若干量程10 mA,內(nèi)阻r1待測(cè)(約40 Ω)量程500 μA,內(nèi)阻r2=750 Ω量程10 V,內(nèi)阻r3=10 kΩ阻值約100 Ω,作保護(hù)電阻用總電阻約50 Ω電動(dòng)勢(shì)約1.5 V,內(nèi)阻很小

(1)在圖8虛線方框中畫出電路圖，標(biāo)明所用器材的代號(hào)；

圖8

(2)若選用測(cè)量數(shù)據(jù)中的一組來計(jì)算r1，則所用的表達(dá)式為r1=________，式中各符號(hào)的意義是：________。

【分析解答】(1)考查儀器選取、電路設(shè)計(jì)及誤差分析

電路圖及所用器材如圖9所示。

圖9

(2)考查實(shí)驗(yàn)原理

由于A1兩端的電壓可由A2測(cè)出，則U=I2r2

式中I1表示通過電流表A1的電流，

I2表示通過電流表A2的電流，

r2表示電流表A2的內(nèi)阻。

【例3】圖10為用伏安法測(cè)量一個(gè)定值電阻阻值的實(shí)驗(yàn)所需的器材實(shí)物圖，器材規(guī)格如下：

圖10

(1)待測(cè)電阻Rx(約100 Ω)

(2)直流毫安表(量程0～10 mA，內(nèi)阻50 Ω)

(3)直流電壓表(量程0～3 V，內(nèi)阻5 kΩ)

(4)滑動(dòng)變阻器(阻值范圍0～15 Ω，允許最大電流1 A)

(5)直流電源(輸出電壓4 V，內(nèi)阻忽略不計(jì))

(6)電鍵一個(gè)，導(dǎo)線若干條

根據(jù)器材的規(guī)格和要求，在本題的實(shí)物圖上連線

【分析解答】此題考查電路設(shè)計(jì)及電路連接

由于待測(cè)電阻的阻值接近毫安表，屬于小電阻，因而測(cè)量電路采用外接法，又因Rx>R滑,所以控制電路應(yīng)采用分壓式，電路連接如圖11所示。

圖11

【例4】某電壓表的內(nèi)阻在20 kΩ～50 kΩ之間，現(xiàn)要測(cè)量其內(nèi)阻。實(shí)驗(yàn)室提供下列可選用的器材：

待測(cè)電壓表V(量程3 V)

電流表A1(量程200 μA)

電流表A2(量程5 mA)

電流表A3(量程0.6 A)

滑動(dòng)變阻器R(最大阻值1 kΩ)

電源E(電動(dòng)勢(shì)4 V)

開關(guān)K

(1)所提供的電流表中應(yīng)選用________(填寫字母代號(hào))

(2)為了盡量減小誤差，要求多測(cè)幾組數(shù)據(jù)，試在圖12的方框中畫出符合要求的實(shí)驗(yàn)電路圖(其中電源和電鍵及其連線已畫出)

圖12

【分析解答】(1)考查儀器選取

(2)考查電路設(shè)計(jì)

因Rx>R滑，所以控制電路應(yīng)采用分壓式；為了測(cè)出流過電壓表的電流，則電流表A1應(yīng)與電壓表串聯(lián)，電路設(shè)計(jì)如圖13。

圖13

七、總結(jié)

關(guān)于“伏安法測(cè)電阻”的典型試題還有很多，在此不再一一列舉。研究高考實(shí)驗(yàn)題的考查點(diǎn)，有利于把握高考實(shí)驗(yàn)題的命題思想，提高實(shí)驗(yàn)題復(fù)習(xí)的針對(duì)性，避免盲目性，進(jìn)而提高高考的復(fù)習(xí)效率。