電學實驗二輪復習中要注意的幾個方向

上海 虞利剛

電學實驗二輪復習中要注意的幾個方向

上海 虞利剛

在一輪復習的基礎上，重視實驗深度和廣度的挖掘，并以模型法應對新的問題是二輪復習的成功之道。

電學實驗是高考的難點，主要原因是命題的創(chuàng)新度較大，學生難以應付，雖然在一輪復習后很多同學對課本實驗能夠做到熟悉，但遇到新問題就束手無策，主要原因是二輪復習時對自己綜合能力的培養(yǎng)不夠，所以電學實驗二輪復習要在一輪復習的基礎上構建更牢固的知識體系和方法體系，并靈活地應用各種知識小塊和技巧，具體來說表現(xiàn)為三個方面。

一、加強對考綱實驗的縱向挖掘

【例1】有一根細長而均勻的金屬管線樣品，橫截面如圖1所示。此金屬材料重約1～2N，長約為30cm，電阻約為10Ω。已知這種金屬的電阻率為ρ，密度為ρ0。因管內(nèi)中空部分截面積形狀不規(guī)則，無法直接測量，請設計一個實驗方案，測量中空部分的截面積S0，現(xiàn)有如下器材可選：

圖1

A.毫米刻度尺

B.螺旋測微器

C.電流表（600mA，1.0Ω）

D.電流表（3A，0.1Ω）

E.電壓表（3V，6kΩ）

F.滑動變阻器（1 750Ω，0.3A）

G.滑動變阻器（10Ω，3A）

H.蓄電池（6V，0.05Ω）

I.開關一個，帶夾子的導線若干。

（1）除待測金屬管線外，還應選用的器材有_________（只填代號字母）。

（2）在方框中畫出你所設計方案的實驗電路圖，并把所選儀器連成實際測量電路（如圖2所示）。

（3）實驗中要測量的物理量有______________________。

（4）計算金屬管線內(nèi)部空間截面積S0的表達式為____ _________________________。

圖2

【解析】（1）本題核心是電阻的測量，考慮提供的設備條件，考慮用伏安法。需要的器材有ABCEGHI。需要說明的是電流表D量程太大，讀數(shù)不準確，滑動變阻器F阻值太大調(diào)節(jié)不方便。

（2）由于Rx約10Ω，而RARV＝6 000Ω，所以采用電流表外接法?；瑒幼冏杵鞣謮夯蛳蘖骶伞?/p>

【答案】（1）ABCEGHI（有-個選錯不得分）

（2）如圖3所示

圖3

（3）橫截面直徑a、管線長度l、電壓表示數(shù)U、電流表示數(shù)I

【感悟】（1）器材選擇的原則：精確性、安全性、可操作性。

（2）①“測定金屬的電阻率”——原理是部分電路歐姆定律，電流表用外接法，變阻器用限流式（或分壓式）接法；②“描繪小燈泡的伏安特性曲線”——原理是部分電路歐姆定律，電流表用外接法，變阻器用分壓式接法；③“測電源的電動勢和內(nèi)阻”——原理是閉合電路歐姆定律，電流表用內(nèi)接法，變阻器用限流式接法。可見，電學實驗中考查最為頻繁的就是測量電路與控制電路的選取。

（3）結合本例，在看下表，金屬管件形狀各異，測量的對象也發(fā)生變化，但是電路的選取。應用的公式是不變的，所以以本為本，應對創(chuàng)新才是良方妙策。

測量金屬膜的電阻率測量金屬管內(nèi)徑d測量中空部分的截面積S膜的厚度為d，伏安法測電阻，根據(jù)R＝ρLS求ρ＝πDdU ILD用千分尺測量，伏安法測電阻，根據(jù)R2＝ρ·LS，S＝π4（D2–d2）求dd用千分尺測量，伏安法測電阻，根據(jù)R＝ρlπd2 4-S求S

二、重視對考綱實驗的廣度拓展

【例2】（2015·河北衡水高三調(diào)研）一課外小組同學想要測量一個電源的電動勢及內(nèi)阻。準備的器材有：電流表（0～200mA，內(nèi)阻是12Ω），電阻箱R（最大阻值9.9Ω），一個開關和若干導線。

（1）由于電流表A的量程較小，考慮到安全因素，同學們將一個定值電阻和電流表并聯(lián)，若要使并聯(lián)后流過定值電阻的電流是流過電流表的電流的2倍，則定值電阻的阻值R0＝________Ω。

（2）設計的電路圖如圖4所示。若實驗中記錄電阻箱的阻值R和電流表的示數(shù)I，并計算出得到多組數(shù)據(jù)后描點作出圖線如圖所示，則該電源的電動勢E＝ ________V，內(nèi)阻r＝________Ω。

圖4

【解析】（1）由并聯(lián)電路規(guī)律可知，并聯(lián)部分電壓相等，要使并聯(lián)后流過定值電阻的電流是流過電流表的電流的2倍；則定值電阻的阻值應是電流表內(nèi)阻的一半，故有

故E＝6.0V

圖象與縱坐標的交點為-6.0＝-r-4

解得r＝2.0Ω。

【答案】（1）6 （2）6.0 2.0

【總結】重實驗廣度的拓展，主要體現(xiàn)為重實驗原理的拓展與變化和實驗器材的有效重組。原理的變化是創(chuàng)新的厲害，附帶還會延伸數(shù)據(jù)處理的變化，像本題安阻法測電動勢和內(nèi)阻實驗，就原理和數(shù)據(jù)的處理能演變出很多精彩。另外對于實驗誤差的處理方法也希望讀者好好地挖掘。

電路圖原理：E＝I（R＋r＋RA）數(shù)據(jù)處理R＋RA＝E1I-r斜率為E截距為rR＝1IE-（r＋RA）斜率為E截距為（r＋RA）1I＝1ER＋r＋RAE斜率為1E截距為r＋RAE1I＝1E（R＋RA）＋r E斜率為1E截距為rE

三、培養(yǎng)對典型實驗模型的構建

【例3】（2015·吉林三模）在測量未知電阻Rx阻值的實驗中，可供選擇的器材有：

待測電阻Rx（阻值約300Ω）；

電流表A1（量程20mA，內(nèi)阻約50Ω）；

電流表A2（量程50mA，內(nèi)阻約10Ω）；

電阻箱R0（0～999.9Ω）；

滑動變阻器R1（20Ω，2A）；

滑動變阻器R2（1 750Ω，0.3A）；

電源E（電動勢6.0V，內(nèi)阻不計）；

開關S及導線若干。

圖5

某同學采用如下方案進行測量：

a.按圖5甲連好電路，調(diào)節(jié)滑片P和R的阻值，使電流表指針指在合適位置，記下此時A1示數(shù)I1、A2示數(shù)I2和電阻箱阻值R0；

b.將電流表A1改接到另一支路（如圖5乙），保持電阻箱阻值R0不變，調(diào)節(jié)P，使A2示數(shù)仍為I2，記下此時A1示數(shù)I′1；

c.計算得到Rx的阻值。

（1）該同學按圖甲連成如圖丙所示的電路，請指出第________條導線連接錯誤（填圖丙中表示導線的數(shù)字）。

（2）正確連線后，閉合S，將P從左向右滑動，發(fā)現(xiàn)開始時A2示數(shù)變化不大，當臨近最右端時示數(shù)變化明顯，這是選擇了滑動變阻器______（填“R1”或“R2”）造成的。

（3）待測電阻Rx＝________（用I1、I2、R0、I′1的某些量表示）；針對該實驗方案，下列說法正確的是________（填選項前的字母）。

A.電流表A1的內(nèi)阻不會造成系統(tǒng)誤差

B.電流表A2的內(nèi)阻會造成系統(tǒng)誤差

【解析】（1）由圖甲可知，電流表A2負極接線，是連接在滑動變阻器的滑片P上，而圖丙是接在滑動變阻器下面右側(cè)的接線柱上，所以是第6條導線連接錯誤。

（2）由圖甲可知，電壓表采用分壓式接法，滑動變阻器應選擇最大阻值較小的那個，閉合S，將P從左向右滑動，發(fā)現(xiàn)開始時A2示數(shù)變化不大，當臨近最右端時示數(shù)變化明顯，這是選擇了滑動變阻器R2造成的。

由于計算Rx大小，是根據(jù)電阻Rx與電阻箱并聯(lián)電壓相等，利用比值來計算的，所以電流表A1的內(nèi)阻不會造成系統(tǒng)誤差，電流表A2的內(nèi)阻也不會造成系統(tǒng)誤差，故A項正確，B項錯誤。

【引申】（2013·江蘇高考）要測量一塊多用電表直流10mA擋的內(nèi)阻RA（約為40Ω），除此多用電表外，還有下列器材：直流電源一個（電動勢E約為1.5V，內(nèi)阻可忽略不計），電阻一個（阻值R約為150Ω），開關一個，導線若干。要求：

（1）寫出實驗步驟；

（2）給出RA的表達式。

【解析】（1）實驗步驟：①用多用電表的直流電壓擋測量電源電動勢E。

②用多用電表的歐姆擋測電阻阻值R。

③將多用電表置于直流10mA擋，與電阻R及開關串聯(lián)后接在電源兩端，合上開關，記下多用電表讀數(shù)I。

【感悟】從近年高考命題情況看，幾個主要的電學實驗都可以歸納為測電阻實驗。所以下面就以測量電阻為例，希望讀者引申拓展。

安安法如果已知的內(nèi)阻R1，則可測得的內(nèi)阻R2＝I1R1I2串聯(lián)一定值電阻R0后，同樣可測得的電阻R2＝I1（R1＋R0）I2伏伏法兩電表的滿偏電流接近時，若已知的內(nèi)阻R1，則可測出的內(nèi)阻R2＝U2U1R1并聯(lián)一定值電阻R0后，同樣可得的內(nèi)阻R2＝U2U1R1＋U1R0比較法測得電阻箱R1的阻值及、的示數(shù)I1、I2，可得Rx＝I2R1I1（電表阻值不計）半偏法斷開S2，閉合S1，調(diào)節(jié)R0，使表滿偏為I0；保持R0不變，閉合S2，調(diào)節(jié)R，使表讀數(shù)為I02，則RA＝R（電壓半偏法讀者自行思考）替代法雙擲開關分別與1、2相接，調(diào)節(jié)電阻箱R1保證電流表兩次讀數(shù)相等，則R1的讀數(shù)即等于待測電阻的阻值

測電阻可以是測量導體的電阻，也可以是電表的電阻，還可以是電源的內(nèi)阻，不管哪種，依據(jù)原理都是歐姆定律或者閉合電路的歐姆定律。不同方法的數(shù)據(jù)處理與誤差分析是實驗的命題的另一個熱點，大家在練習中要仔細地體會。

（作者單位：上海市七寶中學）