例谈高考电学实验题的解法

张赟

(陇西县职业技术学校 甘肃 定西 748100)

实验题是历届高考物理题中必不可少的一类题型.电学实验以其灵活多样，更为常见，多以实验原理、方法、电路设计等不同的形式出现，能有效地考查学生的多种实验技能.在高考中的考查频率很高.但由于方法灵活，形式多样，使不少学生对这类题目感到束手无策，无法下手.

其实，电学实验题的解答也是有一定原则、方法和技巧.解答问题时，首先要认真审清题意，看清题目的要求，即要看清题目要求测定什么物理量，验证探索什么规律，只有实验的目的明确了，才能保证解题思路正确、方法得当.这里以2010年的部分高考题为例，谈谈常见电学实验题的解法.

1 基本原理基本方法的考查

【例1】(2010年高考全国卷Ⅰ第23题)一电流表的量程标定不准确，某同学利用图1所示电路测量该电流表的实际量程Im.所用器材有：

图1

量程不准的电流表A1，内阻r1=10.0 Ω，量程标称为5.0 mA；标准电流表A2，内阻r2=45 Ω，量程为1.0 mA；标准电阻R1，阻值10 Ω；滑动变阻器R，总电阻约为3 000 Ω；电源E，电动势为3.0 V， 内阻不计；保护电阻R2；开关S；导线.

回答下列问题：

(1)在答题卡(图2)的实物图上画出连线.

图2

(2)开关S闭合前，滑动变阻器的滑动端c应滑动至______端.

(3)开关S闭合后，调节滑动变阻器的滑动端，使电流表A1满偏；若此时电流表A2的读数为I2，则A1的量程Im=________.

(4)若测量时，A1未调到满偏，两电流表的示数如图3所示，从图中读出A1的示数I1=______，A2的示数I2=______；由读出的数据计算得Im=______.(保留3位有效数字)

图3

(5)写一条提高测量准确度的建议：____________________________.

分析：本题要测定量程标定不准确电流表的实际量程，也就是电表的校准，实际上考查了实物电路连接的注意事项、连接方法，并联电路的特点.意在考查学生的实验能力，分析能力.

(1)连接实物电路图时，注意按电流的方向依次连接，涉及电表时，电流由正接线柱流入，负接线柱流出.

(2)滑动变阻器串联到电路中使用时，初始状态应调到最大阻值，起到保护电路中其他电器的作用.

(3)两电流表所在支路的并联电压相等，故电流与支路电阻成反比.

(4)由并联电路的特点，结合电流表刻度是均匀的即可得出结论.

解析：(1)连线如图4所示.

图4

(2)在滑动变阻器的限流接法中，接通开关前需要将滑动触头滑动到阻值最大b端.

(4)待测表未满偏有I1r1=I2(r2+R1)，将A2的示数0.66 mA和其他已知条件代入，有

但图3中A1的示数I′=3.0 mA,量程为5.0 mA，根据电流表的刻度是均匀的，有

即准确量程为6.05 mA.

2 对教材中基本实验的原理方法步骤误差分析等知识的综合考查

【例2】(2010年高考北京卷第21题)(1)甲同学要把一个量程为200 μA的直流电流计G○，改装成测量范围是0～4 V的直流电压表.

1)甲同学按图5所示电路、用半偏法测定电流计G○的内电阻rg，其中电阻R0约为1 kΩ.为使rg的测量值尽量准确，在以下器材中，电源E应选用______，电阻器R1应选用______，电阻器R2应选用______(选填器材前的符号).

A.电源(电动势1.5 V) B.电源(电动势6 V)

C.电阻箱(0～999.9 Ω) D.滑动变阻器(0～500 Ω)

E.电位器(一种可变电阻，与滑动变阻器相当)(0～5.1 kΩ) F.电位器(0～51 kΩ)

图5

2)该同学在开关断开情况下，检查电路连接无误后，将R2的阻值调至最大.后续的实验操作步骤依次是：________，________，________，________，最后记录R1的阻值并整理好器材.(请按合理的实验顺序，选填下列步骤前的符号)

A.闭合S1B.闭合S2

C.调节R2的阻值，使电流计指针偏转到满刻度

D.调节R2的阻值，使电流计指针偏转到满刻度的一半

E.调节R1的阻值，使电流计指针偏转到满刻度的一半

F.调节R1的阻值，使电流计指针偏转到满刻度

3)如果所得的R1的阻值为300.0 Ω，则图5中被测电流计G○的内阻rg的测量值为______Ω，该测量值______实际值(选填“略大于”、“略小于”或“等于”).

4)给电流计G○______联(选填“串”或“并”)一个阻值为______kΩ的电阻，就可以将该电流计G○改装为量程4 V的电压表.

分析：本题主要考查半偏法测电阻的仪器的选择和实验步骤.由于该实验要求在S1闭合前后电路中的干路电流几乎不变，这就要求滑动变阻器接入电路的电阻远大于电流计的电阻.变阻器应选阻值较大的，而在实验中要是电流计指针偏转到满刻度，电源电压应选较大的才行.至于将电流表改装成电压表应串联多大的电阻，可由串联电阻的分压关系求得.

解析：

1)半偏法测量表头内阻时，首先选择滑动变阻器(必须大于电路所需的最小电阻)，根据电路的电压为电动势，电路的最大电流为表头的满偏电流，则最小电阻为

或

考虑到保护电阻1 kΩ，则可知调节滑动变阻器使表头满偏时滑动变阻器的阻值分别接近29 kΩ或6.5 kΩ，电路图5中R2是滑动变阻器，不能选D和E，只能选F.表头满偏时滑动变阻器的阻值越大，实验的误差越小.所以电源选择电动势为6 V的B，而且滑动变阻器R2的阻值也满足调节所需.而R1是用来测量表头内阻的电阻箱，只能选择C.

2)实验步骤：第一步闭合S2，选择B；第二步调节R2阻值使电流计满偏，选择C；第三步闭合S1，选择A；第四步调节R1阻值使电流计半偏，选择E；第五步读出R1阻值为待测表头的内阻.

3)待测表头的内阻与R1的示数相等是300.0 Ω，闭合S1后，电路的总电阻减小.当表头半偏时，干路上的电流就大于表头的满偏电流，流过电阻箱的电流就大于表头的满偏电流，所以电阻箱的阻值略小于表头的内阻.

4)给表头串联一个电阻可以改装为电压表，改装后的电压表的内阻为

则串联电阻的大小为20 kΩ-0.3 kΩ=19.7 kΩ.

(2)乙同学要将另一个电流计G○改装成直流电压表，但他仅借到一块标准电压表V0○，一个电池组E，一个滑动变阻器R′和几个待用的阻值准确的定值电阻.

1)该同学从上述具体条件出发，先将待改装的表G○直接与一个定值电阻R相连接，组成一个电压表；然后用标准电压表V0○校准.请你画完图6方框中的校准电路图.

图6

由此可以判定，表G○的内阻rg是______kΩ，满偏电流Ig是______mA.若要将表G○改装为量程是15 V的电压表，应配备一个______kΩ的电阻.

分析：本题1)是考查对电表的改装，意在考查对改装后校对电路的设计和数据处理能力，电压应从零开始增加到最大值，滑动变阻器应采用分压接法；2)应用并联电路的两端有相同的电压来求电流计的内电阻和满偏电流，进而求得改装为15 V电压表示所需的电阻值.

图7

解析：1)本实验是对改装电压表进行校准的，将改装电压表和标准电压表并联后要求电压从零至满偏变化，所以滑动变阻器采用分压接法，电路连接如图7所示.

U=I(rg+R)

代入测得的数据，得到关于rg和Ig的二元一次方程组

0.4Ig(rg+17×103)=4

0.4Ig(rg+7×103)=2

解得

rg=3.0 kΩIg=0.5 mA

量程为15 V的改装电压表的内阻

所以改装时串联的电阻是

30 kΩ-3.0 kΩ=27 kΩ

3 图表数据类题型

【例3】(高考全国新课标试卷第23题)用对温度敏感的半导体材料制成的某热敏电阻RT，在给定温度范围内，其阻值随温度的变化是非线性的.某同学将RT和两个适当的固定电阻R1，R2连成图8虚线框内所示的电路，以使该电路的等效电阻RL的阻值随RT所处环境温度的变化近似为线性的，且具有合适的阻值范围.为了验证这个设计，他采用伏安法测量在不同温度下RL的阻值，测量电路如图8所示，图中的电压表内阻很大.RL的测量结果如表1所示.

图8

表1 RL测量数据

回答下列问题：

(1)根据图8所示的电路，在图9所示的实物图中连线.

图9

(2)为了检验RL与t之间近似为线性关系，在坐标纸上作RL-t关系图线.

(3)在某一温度下，电路中的电流表、电压表的示数如图10和11所示.电流表的读数为____，电压表的读数为____.此时等效电阻RL的阻值为____，热敏电阻所处环境的温度约为____.

电流表示数 电压表示数

分析：本题意在考查实验仪器的读数、电学实物图的连接等实际操作能力、对实验数据的处理能力以及从图线上获取数据的能力.

解析：(1)根据电路图连接电路，如图12所示.

图12

(2)根据数据描出点，拟合成直线图13.

图13

(3)因为电流表的最小刻度为5 mA，故读数时只能精确到1 mA，所以电流表的读数为115 mA，而电压表的最小刻度为0.1 V，故读数时能估读到0.01 V，所以电压表的读数为5.00 V.则

对照图找出相应的温度64.0 ℃.

图14 图15

(1)由图线a可知电池a的电动势Ea=______V，内阻ra=______Ω.

(2)若用同一个电阻R先后与电池a及电池b连接，则两电池的输出功率Pa______Pb(填“大于”、“等于”或“小于”)，效率ηa______ηb(填“大于”、“等于”或“小于”).

得

Eaka=0.5 Ω.

(2)从图像约知：截距bb≈0.2 V-1，斜率kb≈0.13 ΩV-1，电动势Eb≈5 V，内阻rb≈0.7 Ω.Ea

答案:(1)2.0 V；0.5 Ω.(2)小于；大于.

从以上例析可看出，电学实验涉及内容较多，题目取材广泛、情景新颖、形式复杂多样，但万变不离其宗，多数跟教材中的基本电学实验有关.测量电路(如电流表内接法、电流表外接法)、控制电路(滑动变阻器的分流接法、分压接法)、实验仪器的读数和选择，实验方法、步骤的确定.数据处理、误差分析等问题，都是从实验原理派生出来的.因此只要熟练掌握好教材中的演示实验和分组实验，在学习中勤观察，多思考、多关注新的实验题材，在解答时熟练的应用电学的基本原理(如欧姆定律、闭合电路的欧姆定律，电功率等)，明确实验原理和目的，巧妙地运用数学知识，问题就能得以顺利解决.另外，设计电路一般应遵循安全性、精确性、方便性，兼顾使用仪器少，耗电少等原则.