一道2014年高三模拟试卷实验题的分析

(江苏省泰州市教研室，江苏 泰州 225300)

泰州市2014年高三模拟考试中有一道实验题，现提出来和大家交流，借此机会谈谈笔者对这个题目的理解以及教师讲评的一些感受.

原题：为了描绘小灯泡的伏安特性曲线，实验室可供选择的器材如下：

A．待测小灯泡(6V 500mA)

B．电流表A(0～0.6A,内阻约0.5Ω)

C．电压表V(0～3V,内阻5kΩ)

D．滑动变阻器R1(0～1kΩ，100mA)

E．滑动变阻器R2(0～5Ω，1.5A)

F．电阻箱R3(0～9999.9Ω)

G．直流电源E(约6V，内阻不计)

H．开关S，导线若干

(1)将电压表量程扩大为6V，与它串联的电阻箱的阻值应调为kΩ．

图甲

(2)图甲中画出了实验的部分电路，请你补全电路图；滑动变阻器应选用(选填“R1”或“R2”)．

(3)实验中变阻器滑动触头P在ab间移动时，发现小灯泡两端的电压只能在3.5V～6.0V间变化，则电路中出现的故障可能是．

图乙

(4)排除故障后，测量出多组数据，以灯泡两端的电压U为横轴、电流表的示数I为纵轴，描点作出小灯泡的伏安特性曲线如图乙所示．若电压表V的实际阻值大于5kΩ，则小灯泡实际的伏安特性曲线应在所画图线的(选填“上方”或“下方”)．

解析：(1)中学物理实验室使用的电流表一般是磁电式电流表，其内部构造如图1所示，在磁电式电流表内部，有均匀辐向分布的磁场，如正视图2所示，该磁场中磁感线沿着以圆柱形铁芯的轴心为圆心的竖直圆周的半径方向，并且沿圆周均匀分布.

图1

图2

图3

图3为线圈平面所在处的磁场分布图.当线圈通有电流I时，线圈受安培力而转动.当线圈转动时，电流表内的游丝弹簧产生一个阻碍线圈转动的力矩，游丝弹簧产生的力矩与线框的转动角度θ成正比.因为θ∝I，θ随I的变化是线性关系，所以电流表表盘的刻度是均匀的.由欧姆定律U=IR可知，电流表两端的电压与流过电流表的电流与也是一一对应的，所以如果表盘的电流刻度标成相对应电流表两端的电压值，这就是一个电压表.所以从本质上来看电流表和电压表都是电阻，不同的是电流表刻度盘上的读数是表示流过电流表的电流，而电压表刻度盘上的读数表示电压表两端的电压.

由于线圈的导线很细，允许通过的电流很小(一般几十微安到几毫安)，所以要测量较大的电流或电压值，就需要进行改装以扩大其量程.

图4

在教师讲评时，让学生加深对电表结构的理解，有助于学生更加深刻体会电表的本质，同时也应该向学生说明改装后表盘的刻度也要重新标度，原来的量程3V相应地改成量程为6V了，也就是说原来的刻度在重新标度时都变为原来的2倍.因为经过改装后的电压表已经是一个新电压表了，此时新电压表的三个参数：内阻为RV新=RV原+R=10kΩ、满偏电流为Ig=0.6mA、满偏电压为2Ug=6V.

图5

(3)实验中，当变阻器滑动触头P在ab间移动时，如果滑动变阻器分压式接法没有故障，则小灯泡两端的电压变化范围应该在0V～6V之间，而小灯泡获得的最低电压没有达到0，所以判断是分压式部分有故障，可能是ca间断路.

所以本题立意、定位较好，它不是简单地考查学生按课本的要求进行重复性的操作，而是重视对实验原理、器材选择、实验方法等的理解和应用，虽然高中现阶段不讲力矩，但借用初中讲的杠杆的平衡问题可以解决对原理的理解，它不仅考查了学生对多个知识点的掌握情况，如了解实验原理；会控制条件、选择实验器材；会设计简单的实验方案；会使用仪器、会观察现象、分析原因、会解释结果得出相应结论.同时对实验过程中出现的各种可能的问题，都要求学生能进行周密的思考和分析，这有利于促进学生认真做好实验，注重在实验中养成发现问题、提出问题，运用已学过的物理知识去解决问题的习惯，同时可以积极培养学生的探究能力、运用知识解决问题的能力，对中学实验教学有良好的导向作用，有利于学生在实验中进一步强化动手操作意识、树立安全规范意识、培养创新质疑意识.