2011年江苏高考电学实验试题赏析

严灿云

（江苏省通州高级中学，江苏 通州 226300）

2011年江苏高考电学实验试题考的是测电阻，试题一改伏安法测电阻的常规思路，取代以“替代法”，设计新颖、精巧，难度适中，不偏不怪，很好地考查了学生的能力.

1 原题呈现

某同学利用如图1所示的实验电路来测量电阻的阻值.

（1）将电阻箱接入a、b之间，闭合开关.适当调节滑动变阻器R′后保持其阻值不变.改变电阻箱的阻值R，得到一组电压表的示数U与R的数据如表1.

表1

图1

请根据实验数据作出U－R关系图像.

（2）用待测电阻Rx替换电阻箱，读得电压表示数为2.00V.利用（1）中测绘的U－R 图像可得Rx＝________Ω.

（3）使用较长时间后，电池的电动势可认为不变，但内阻增大.若仍用本实验装置和（1）中测绘的U－R图像测定某一电阻，则测定结果将__________（选填“偏大”或“偏小”）.现将一阻值为10Ω的电阻换接在a、b之间，你应如何调节滑动变阻器，便仍可利用本实验装置和（1）中测绘的U－R图像实现对待测电阻的准确测定？

2 试题赏析

2.1 实验原理：“非常规替代法”——着重考查知识迁移能力

（1）“替代法”测电阻.

如图2，为测定Rx的阻值，可先将单刀双掷开关S接到Rx上，调节R2使电流表读数为I0；保持R2不变，再将S接到R1上，调节R1使电流表读数仍为I0，读出R1的值.因为R1与Rx在电路中的作用完全等效，所以Rx＝R1.

（2）知识迁移能力的考查.

考题采用的方法是，在图1中的a、b之间先接入变阻箱R，改变R的值，读取相应的电压表读数U，作出U－R关系图线；然后将待测电阻Rx接在a、b之间，读出电压值U1；在U－R图上读出U1对应的阻值，即为Rx的阻值.

图2

很显然，变阻箱R与Rx之间是等效替代关系，不过，考题中是先找出几组R对应的U，然后做出U－Rx图线，然后根据任一Rx对应的U值去读取Rx，而不是一一替代测量.

对实验原理的解读是完成实验试题的第1步，所以学生能否顺利的实现知识迁移，准确理解此处“替代”的含义是解决此题的先决条件.

2.2 数据处理：“图像法”—— 着重考查处理图像的能力

纵览近年来的高考实验题，用图像法处理问题的非常多，总的来说可分为3个层次：直接读图；利用图线的斜率、截距、面积等求解物理量；利用图线的交点.

① 直接读图.

如本考题第（2）问.根据所给的数据作出的图像如图3，是一条曲线.在图中读出电压为2V时对应的电阻为20Ω，就是Rx的阻值了.再如本考题的第（3）问，先从图像上读出阻值为10Ω对应的电压值为1.5V，然后将10Ω的电阻接在a、b之间，调节R′，使电压表的读数为1.5V即可.

② 利用线性图像的斜率、截距求解物理量.

（2010年江苏高考题）在测量电源的电动势和内阻的实验中，由于所用的电压表（视为理想电压表）的量程较小，某同学设计了如图4所示的实物电路.

图3

图4

……

分析：解答此题首先应根据闭合电路的电压电流关系书写U、R 的 关系式，显然，U、R 不成线性关系，需变形确定的关系式，即为图线的方程.可画出图（如图5）.则由k＝可得由

图5

表2

……

（2）在图中描出小灯泡的U－I曲线.

……

（4）现在测得一个电池的电动势是1.5V，内阻是2.0 Ω.问：将本实验的小灯泡接在该电池两端，小灯泡的实际功率为多少？

分析：虽然2004年的高考题在现在已不算新奇，但这道题的解题方法却极具有代表性.第（2）问作出U－I图像是解第（4）问的基础，根据数据画出的图线是曲线，也就是小灯泡是一个非线性元件，阻值随其上所加的电压变化，但小灯泡上接在电路中所分的电压又由灯泡的阻值决定，如此互相制约，如何确定灯泡在电路中的工作状态？这就需要特殊的解法.可得

③ 非线性元件的工作状态的确定——两条图线的交点应用.

（2004年上海高考题）小灯泡灯丝的电阻会随温度的升高而变大.某同学为研究这一现象，用实验得到数据（I和U分别表示小灯泡上的电流和电压）见表2.

图6

假设小灯泡上的电压、电流分别为 U、I，则U、I必定同时受到两个函数关系的制约，其一，U、I必定是灯泡的U－I曲线上的一个点；其二，U、I必定满足闭合电路的电流电压关系E＝U＋Ir，所以必定是电源的负载特性曲线上的一个点.所以，在小灯泡的U－I图像基础上再继续画出电源的负载特性曲线，然后找出交点，就确定了灯泡的工作状态，如图6.交点坐标为（0.35，0.8），所以，灯泡的实际功率为0.28W.

2.3 误差分析：“调零电阻”——读懂R′的双重作用

考题的第（3）问考查的是误差分析的能力.电池用久了，内阻r变大了，将会怎样影响Rx的测量呢？先要明白此实验的原理是串联分压，即r变大，Rx上的实际分压U将减小，则根据电压表的读数从图线上读出的阻值也将减小，故测量值偏小.那么，如何调节准确呢？减小R′的值，使得r＋R′的和不变就可以了.所以R′就充当了相当于多用电表的“调零电阻”的作用.另外，如果待测电阻太小，R′还可做保护电阻用，使通过电源的电流不至过大，保护电源.

除了考查学生的误差分析能力，此问同时还考查了学生的新情境的处理能力.电池的内阻变大了，就是出题者构建的新情境.如何处理内阻变大以后的电阻测量问题，题中给了一只10Ω的定值电阻.如何利用给定的电阻进行适当的操作，来实现再次对电阻的准确测量，这就考查了学生的实验处理的能力.实际上只需把10Ω的电阻接入电路，然后调节变阻器使电压表的读数为1.5V即可.