創(chuàng)新實(shí)驗(yàn) 返璞歸真
——電學(xué)實(shí)驗(yàn)的融合復(fù)習(xí)

■河南省鄭州市第十二中學(xué) 李新強(qiáng)

電學(xué)實(shí)驗(yàn)是每年高考的必考內(nèi)容。對(duì)電學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)性復(fù)習(xí),需要抓住電學(xué)實(shí)驗(yàn)的主線,即基于“測(cè)電阻的阻值”和“測(cè)電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻”兩個(gè)模型串起了電表的改裝、滑動(dòng)變阻器的分壓式和限流式接法、電流表的內(nèi)接和外接法、等效法、半偏法、比較法等知識(shí)點(diǎn),同時(shí)兼顧對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、電路設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理和誤差分析等知識(shí)的復(fù)習(xí)。

復(fù)習(xí)建議：(1)集中復(fù)習(xí)電學(xué)實(shí)驗(yàn)原理,牢記經(jīng)?？疾榈牟糠蛛娐窔W姆定律和閉合電路歐姆定律;(2)著重訓(xùn)練根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x擇合適的實(shí)驗(yàn)器材完成實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)和連接;(3)總結(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的方式,利用常見(jiàn)的圖像法和公式法等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)誤差分析。

常見(jiàn)考點(diǎn)：(1)“五讀數(shù)”,掌握游標(biāo)卡尺、螺旋測(cè)微器、電流表、電壓表和歐姆表的讀數(shù)原則;(2)“兩改裝”,掌握改裝電流表和電壓表的原理和方法;(3)“四接法”,根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)計(jì)測(cè)量電路(電流表的內(nèi)接法和外接法)和控制電路(滑動(dòng)變阻器的分壓式接法和限流式接法);(4)“選器材”,本著安全和準(zhǔn)確的原則,選擇合適的實(shí)驗(yàn)器材完成實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)和連接。

例1(2022年高考全國(guó)乙卷)一同學(xué)探究阻值約為550 Ω 的待測(cè)電阻Rx在0～5 mA 范圍內(nèi)的伏安特性?？捎闷鞑挠?電壓表V(量程為0～3 V,內(nèi)阻很大),電流表A(量程為0～1 mA,內(nèi)阻為300 Ω),電源E(電動(dòng)勢(shì)約為4 V,內(nèi)阻不計(jì)),滑動(dòng)變阻器R(最大阻值可選10 Ω 或1.5 kΩ),定值電阻R0(阻值可選75 Ω 或150 Ω),開(kāi)關(guān)S,導(dǎo)線若干。

(1)要求通過(guò)Rx的電流可在0～5 mA范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),將如圖1所示的器材符號(hào)連線,畫(huà)出實(shí)驗(yàn)電路的原理圖。

(2)實(shí)驗(yàn)時(shí),圖1中的R應(yīng)選最大阻值為_(kāi)___(選填“10 Ω”或“1.5 kΩ”)的滑動(dòng)變阻器,R0應(yīng)選阻值為_(kāi)____(選填“75Ω” 或“150 Ω”)的定值電阻。

圖1

(3)測(cè)量多組數(shù)據(jù)可得Rx的伏安特性曲線。若在某次測(cè)量中,電壓表、電流表的示數(shù)分別如圖2甲和乙所示,則此時(shí)Rx兩端的電壓為_(kāi)____V,流過(guò)Rx的電流為_(kāi)___mA,此組數(shù)據(jù)得到的Rx的阻值為_(kāi)___Ω(保留3位有效數(shù)字)。

圖2

解析：(1)本實(shí)驗(yàn)考查伏安法測(cè)電阻,實(shí)驗(yàn)原理為部分電路歐姆定律。因?yàn)殡娏鞅淼牧砍虨?～1 mA,通過(guò)被測(cè)電阻的最大電流為5 mA,所以需要對(duì)電流表進(jìn)行改裝以擴(kuò)大其量程。具體操作是并聯(lián)分流電阻。電路設(shè)計(jì)中,測(cè)量電路中電壓表的內(nèi)阻很大,因此采用電流表外接法;控制電路中需要從0 開(kāi)始測(cè)量,因此滑動(dòng)變阻器選擇分壓式接法。實(shí)驗(yàn)電路如圖3所示。

圖3

(2)因?yàn)榛瑒?dòng)變阻器選擇的是分壓式接法,所以滑動(dòng)變阻器應(yīng)選擇最大阻值為10 Ω 的滑動(dòng)變阻器,以便于操作。電流表改裝需要并聯(lián)的分流電阻

(3)電壓表測(cè)量Rx兩端的電壓,電壓表量程為0～3 V,每格表示0.1 V,需要估讀到準(zhǔn)確值的下一位,故讀作2.30 V;電流表每格表示0.02 mA,不需要估讀到準(zhǔn)確值的下一位,故讀作0.84 mA,流過(guò)Rx的電流為電流表示數(shù)的5 倍,即I=5×0.84 mA=4.20 mA;根據(jù)歐姆定律得

答案：(1)如圖3所示。 (2)10 Ω 75 Ω (3)2.30 4.20 548

小結(jié)：本題(1)問(wèn)考查“兩改裝”和“四接法”,“兩改裝”中考查電流表的改裝原理,根據(jù)并聯(lián)的分流原理進(jìn)行電流表量程的擴(kuò)大;“四接法”中測(cè)量電路選擇電流表的外接法,依據(jù)是電壓表內(nèi)阻很大,通過(guò)電壓表的電流可以忽略;控制電路選擇滑動(dòng)變阻器的分壓式接法,可以實(shí)現(xiàn)題目要求的通過(guò)Rx的電流可在0～5 mA 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。(2)問(wèn)考查“選器材”,分壓電路中滑動(dòng)變阻器選擇最大阻值較小的滑動(dòng)變阻器,便于調(diào)節(jié);定值電阻的選擇可以依據(jù)部分電路歐姆定律,計(jì)算得出。(3)問(wèn)考查“五讀數(shù)”和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理,“五讀數(shù)”中電流表和電壓表的讀數(shù)全面考查了十分度和非十分度電表的估讀問(wèn)題;數(shù)據(jù)處理時(shí),利用電壓表的讀數(shù)和電流表改裝后測(cè)得的電流,結(jié)合部分電路歐姆定律,可以計(jì)算得出被測(cè)電阻的阻值。

例2一實(shí)驗(yàn)小組欲描繪標(biāo)有“4 V,2 W”字樣小燈泡的伏安特性曲線,可供選擇的實(shí)驗(yàn)儀器有:

A.電壓表V1(量程為0～5 V,內(nèi)阻約為10 kΩ)

B.電壓表V2(量程為0～50 V,內(nèi)阻約為15 kΩ)

C.滑動(dòng)變阻器R1(阻值范圍為0～10 Ω,允許通過(guò)的最大電流為1 A)

D.滑動(dòng)變阻器R2(阻值范圍為0～500 Ω,允許通過(guò)的最大電流為0.5 A)

E.電流表A(量程為0～100 mA,內(nèi)阻為10 Ω)

F.定值電阻R3(阻值為2 Ω)

G.定值電阻R4(阻值為20 Ω)

H.電源(電動(dòng)勢(shì)為4.5 V,內(nèi)阻為1 Ω)

I.開(kāi)關(guān)一個(gè),導(dǎo)線若干

(1)為了提高測(cè)量的精確度,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,電壓表應(yīng)選用____,滑動(dòng)變阻器應(yīng)選用____。實(shí)驗(yàn)器材中的電流表量程過(guò)小,但可以利用所給的定值電阻改變其量程,定值電阻應(yīng)選用_____。(均填器材前的字母)

(2)請(qǐng)?jiān)谌鐖D4所示的虛線框內(nèi)將“描繪小燈泡伏安特性曲線”的實(shí)驗(yàn)電路圖補(bǔ)充完整。

圖4

(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描繪出小燈泡的圖像如圖5所示,當(dāng)小燈泡的電阻約為6 Ω 時(shí),小燈泡的實(shí)際功率約為_(kāi)____W。(保留2位有效數(shù)字)

圖5

解析：(1)描繪小燈泡的伏安特性曲線,需要完整測(cè)量小燈泡兩端的電壓(0～4 V)和流過(guò)小燈泡的電流,因此所用電壓表量程應(yīng)大于小燈泡的額定電壓,同時(shí)為了測(cè)量準(zhǔn)確選擇量程為0～5 V 的電壓表V1,指針偏轉(zhuǎn)角度合理。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)需要電壓從0 開(kāi)始測(cè)量,所以控制電路應(yīng)選擇滑動(dòng)變阻器分壓式接法,即滑動(dòng)變阻器選擇最大阻值較小的R1,以便于操作。電流表改裝時(shí),因?yàn)橥ㄟ^(guò)小燈泡的額定電流I額==0.5 A=500 mA,若選擇R3,則I=+Ig=600 mA,若選擇R4,則I=+Ig=150 mA,為了能夠測(cè)量到流過(guò)小燈泡的額定電流,定值電阻應(yīng)選擇R3。

(2)設(shè)計(jì)電路時(shí),測(cè)量電路部分,因?yàn)殡妷罕韮?nèi)阻遠(yuǎn)大于小燈泡的電阻,所以電流表采用外接法,同時(shí)兼顧電流表的改裝,需要對(duì)電流表并聯(lián)一分流電阻以擴(kuò)大其量程;控制電路部分,因?yàn)樾枰襞輧啥说碾妷簭?開(kāi)始測(cè)量,所以采用滑動(dòng)變阻器的分壓式接法。實(shí)驗(yàn)電路如圖6所示。

圖6

(3)因?yàn)樾襞莸碾娮桦S溫度的變化而變化,所以需要找出小燈泡電阻為6 Ω 時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓和電流。在I-U圖像中畫(huà)出阻值為6 Ω 的定值電阻的伏安特性曲線,如圖7所示,兩圖像的交點(diǎn)即為小燈泡電阻為6 Ω 時(shí)的工作點(diǎn),此時(shí)U=2.4 V,I=0.40 A,所以小燈泡的實(shí)際功率P=UI=0.96 W。

圖7

答案：(1)A C F (2)如圖6所示。(3)0.96

小結(jié)：(1)問(wèn)考查“選器材”和“兩改裝”,“選器材”時(shí),因?yàn)樾襞莸念~定電壓為4 V,所以選擇量程為0～5 V 的電壓表V1可以兼顧實(shí)驗(yàn)儀器的安全和讀數(shù)的準(zhǔn)確;因?yàn)樾襞輧啥穗妷盒枰獜牧汩_(kāi)始測(cè)量,所以控制電路采用滑動(dòng)變阻器的分壓式接法,即滑動(dòng)變阻器選擇最大阻值較小的R1便于操作?！皟筛难b”中,因?yàn)樘峁┑碾娏鞅砹砍踢_(dá)不到測(cè)量小燈泡額定電流的要求,所以需要對(duì)電流表并聯(lián)一分流電阻擴(kuò)大其量程。(2)問(wèn)考查“四接法”,根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)?zāi)康?設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路的測(cè)量電路部分時(shí),因?yàn)楸粶y(cè)電阻遠(yuǎn)小于電壓表內(nèi)阻,所以改裝好的電流表應(yīng)采用外接法;設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路的控制電路部分時(shí),因?yàn)殡妷簻y(cè)量要求從零開(kāi)始,所以采用滑動(dòng)變阻器的分壓式接法。(3)問(wèn)考查圖像法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),需要作出定值電阻的伏安特性曲線,找出小燈泡在特定阻值時(shí)對(duì)應(yīng)的電流和電壓,計(jì)算小燈泡的實(shí)際功率。

通過(guò)對(duì)以上兩道題的分析我們可以發(fā)現(xiàn),高考電學(xué)實(shí)驗(yàn),雖然題目設(shè)計(jì)看似紛繁復(fù)雜,但其考查的內(nèi)容是集中的。因此同學(xué)們?cè)趶?fù)習(xí)備考的過(guò)程中,找出電學(xué)實(shí)驗(yàn)的共同點(diǎn)可以有效提高復(fù)習(xí)效率。

一根細(xì)長(zhǎng)均勻、內(nèi)芯為絕緣材料的金屬管線樣品,其橫截面外緣為正方形,內(nèi)芯形狀不規(guī)則,如圖8所示。此金屬管線樣品長(zhǎng)約30 cm,電阻約為10 Ω,已知這種金屬的電阻率為ρ,因內(nèi)芯絕緣材料截面形狀不規(guī)則,無(wú)法直接測(cè)量其橫截面積。請(qǐng)你設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)量?jī)?nèi)芯橫截面積S的實(shí)驗(yàn)方案,現(xiàn)有如下器材可選:

圖8

A.毫米刻度尺

B.螺旋測(cè)微器

C.電流表A1(量程為0～600 mA,內(nèi)阻約為1 Ω)

D.電流表A2(量程為0～3 A,內(nèi)阻約為0.1 Ω)

E.電壓表V(量程為0～3 V,內(nèi)阻約為6 kΩ)

F.滑動(dòng)變阻器R1(阻值范圍為0～2 kΩ,允許通過(guò)的最大電流為0.5 A)

G.滑動(dòng)變阻器R2(阻值范圍為0～10 Ω,允許通過(guò)的最大電流為2 A)

H.蓄電池E(電動(dòng)勢(shì)為6 V,內(nèi)阻約為0.05 Ω)

I.開(kāi)關(guān)一個(gè),帶夾子的導(dǎo)線若干

(1)上述器材中,應(yīng)選用的電流表是____,滑動(dòng)變阻器是_____。(均填器材前的字母)

(2)若某次用螺旋測(cè)微器測(cè)得樣品截面外緣正方形邊長(zhǎng)如圖9所示,則其值為_(kāi)____mm。

圖9

(3)要求盡可能測(cè)出多組數(shù)據(jù),你認(rèn)為在如圖10所示的甲、乙、丙、丁四個(gè)電路圖中應(yīng)選擇____。

圖10

(4)若樣品截面外緣正方形邊長(zhǎng)為a,樣品長(zhǎng)為L(zhǎng),電流表示數(shù)為I,電壓表示數(shù)為U,則計(jì)算內(nèi)芯橫截面積的表達(dá)式為S=____。

參考答案：(1)C G (2)0.730 (3)甲 (4)a2-