例析2019年高考真题掌握电学实验解题要点

2019-11-19

教学考试(高考物理) 2019年6期

甘肃

(作者单位：甘肃省庆阳市陇东学院附属中学)

例析高考真题，剖析电学实验，提升备考策略

电学实验是每年高考物理的必考题目，实验题目形式千变万化，所涉及的知识面广、方法多，仪器的选取和使用技巧性强。试题一般通过设计新颖的实验情景，以问题为导向，要求考生将物理实验知识、方法和技能与新的情景相结合完成实验，充分体现对物理观念、科学思维、实验探究和科学态度与责任的四大物理核心素养的考查。本文列举分析了2019年高考物理部分实验题目，并从四个方面来破解高考电学实验题的解题策略，以使考生更高效地进行备考。

一、实验电路设计及器材选取问题——优先考虑安全性和准确性

(2)实验电路的设计或选择也必须考虑安全性和准确性原则，电路的连接方式重点考虑两点：电流表采用内接法还是外接法；滑动变阻器采用限流式接法还是分压式接法。判断电流表的接法一般有三种方法，即阻值比较法、比值比较法和试触法，滑动变阻器选择限流式接法还是分压式接法，首先要看实验要求，实验中有没有明显的语言暗示，若实验题目中存在以下语言暗示，实验必须要采用分压式接法：要求通过被控制部分的电压或电流从零开始调节；实验要求多测量几组数据，要求电压或电流变化范围足够大；用电器的电阻远大于滑动变阻器的电阻且要求电压变化范围大；虽没有文字暗示，但实验题目表格中给出了一系列数据，且数据中电压(或电流)的变化范围较大；若采用限流式接法，电路中的实际电压或电流的最小值仍然超过用电器的额定电压或电流。

【例1】(2019年全国卷Ⅲ)某同学欲将内阻为98.5 Ω、量程为100 μA的电流表改装成欧姆表并进行刻度和校准，要求改装后欧姆表的15 kΩ刻度正好对应电流表表盘的50 μA刻度。可选用的器材还有：定值电阻R0(阻值14 kΩ)，滑动变阻器R1(最大阻值1 500 Ω)，滑动变阻器R2(最大阻值500 Ω)，电阻箱(0～99 999.9 Ω)，干电池(E=1.5 V,r=1.5 Ω)，红、黑表笔和导线若干。

图1

(1)欧姆表设计

将图1中的实物连线组成欧姆表。欧姆表改装好后，滑动变阻器R接入电路的电阻应为________Ω；滑动变阻器选________(填“R1”或“R2”)。

(2)刻度欧姆表表盘

通过计算，对整个表盘进行电阻刻度，如图2所示。表盘上a、b处的电流刻度分别为25和75，则a、b处的电阻刻度分别为________、________。

图2

(3)校准

红、黑表笔短接，调节滑动变阻器，使欧姆表指针指向________kΩ处；将红、黑表笔与电阻箱连接，记录多组电阻箱接入电路的电阻值及欧姆表上对应的测量值，完成校准数据测量。若校准某刻度时，电阻箱旋钮位置如图3所示，则电阻箱接入的阻值为________Ω。

图3

【解析】本题考查了欧姆表的改装及电阻箱的读数，涉及欧姆表原理电路图的设计和滑动变阻器的选取问题，考查了学生的实验能力，体现了物理学科素养中的科学推理要求，渗透了实践的价值观念。

(1)实物连线图如图4所示。题意要求改装后欧姆表的15 kΩ刻度正好对应电流表表盘的50 μA刻度，中值电阻等于内阻，为15 kΩ，即RμA+R0+r+R=15 kΩ,代入数据得R=900 Ω。由于滑动变阻器接入电路中的阻值大于R2的最大阻值，故只能选用R1。

图4

(3)考查电表的校准，红黑表笔短接，调整滑动变阻器使欧姆表的指针满偏，即指在0 kΩ处。电阻箱的读数为35 000.0 Ω。

二、图象法处理实验数据问题——数形结合、推导关系是关键

对于图象法处理实验数据问题，根据实验原理仔细推导找关系，数形结合是实验数据处理最基本的思路。利用图象法处理电学实验数据有两种基本思路：一是如果横坐标和纵坐标两个变量成线性关系，则可以利用两个变量的关系进行求解，如用图线的斜率、面积、截距等物理意义处理实验研究的问题，此类问题一般都要先根据物理规律写出物理方程或物理关系，然后根据实验要求写出纵轴和横轴的线性关系方程y=kx+b，从而确定其斜率、面积、截距等物理含义，再结合图象的信息进行求解，比如测定电池的电动势和内阻实验。二是如果横坐标和纵坐标两个变量不成线性关系，有时不能根据图象的斜率等关系求解问题，可借助作辅助图线的方法，利用图象截距、交点的物理含义求解，比如描绘小灯泡的伏安特性曲线后计算小灯泡的实际功率问题。

【例2】(2019年江苏卷)某同学测量一段长度已知的电阻丝的电阻率。实验操作如下：

(1)螺旋测微器如题图5所示。在测量电阻丝直径时，先将电阻丝轻轻地夹在测砧与测微螺杆之间，再旋动________(填“A”“B”或“C”)，直到听见“喀喀”的声音，以保证压力适当，同时防止螺旋测微器的损坏。

图5

(2)选择电阻丝的________(填“同一”或“不同”)位置进行多次测量，取其平均值作为电阻丝的直径。

图6

(3)图6中Rx为待测电阻丝。请用笔画线代替导线，将滑动变阻器接入图7实物电路中的正确位置。

图7

(4)为测量Rx，利用图6所示的电路，调节滑动变阻器测得5组电压U1和电流I1的值，作出的U1-I1关系图象如图8所示。接着将电压表改接在a、b两端，测得5组电压U2和电流I2的值，数据见下表：

U2/V0.501.021.542.052.55I2/mA20.040.060.080.0100.0

请根据表中的数据，在方格纸上作出U2-I2图象。

图8

(5)由此，可求得电阻丝的Rx=________Ω。根据电阻定律可得到电阻丝的电阻率。

【解析】本题是一道非常典型的运用图象法处理实验数据的问题。考查了螺旋测微器的使用，测定电阻丝电阻率的电路设计及对应的实验原理，同时考查了学生综合分析能力和运用图象法处理实验数据的能力。

(1)考查螺旋测微器的使用，选择C。

(2)电阻丝直径的测量应该选择不同位置进行多次测量取平均值，以减小偶然误差。

(3)实物图连接如图9所示。

图9

(4)如图10所示。

图10

(5)典型的图象法处理实验数据问题，根据电路原理图6和图8U1-I1图象分析可知，图线斜率表示Rx、R0及电流表内阻之和，而图10中U2-I2的斜率表示R0及电流表内阻之和，两图线斜率的差值即电阻丝的阻值Rx=23.5 Ω。

三、电学实验创新问题——循“路”理“线”析原理是突破口

高考电学实验的压轴题一般不会直接考查课本中的学生实验，而是在学生实验基础上进行改进创新，此类压轴题的难点常常是把学生实验中的实验原理和方法进行拓展、迁移、创新。破解此类问题的关键是掌握课本中常规实验的原理、方法、规范操作程序、数据处理方法等基础知识，从题目给出的电路原理图入手分析，再结合已有的电学知识(比如电路的串并联关系、闭合电路欧姆定律等)和实验方法进行推理，往往可以找到解题的突破口。

【例3】(2019年全国卷Ⅱ)某小组利用图11所示的电路，研究硅二极管在恒定电流条件下的正向电压U与温度t的关系，图中V1和V2为理想电压表；R为滑动变阻器，R0为定值电阻(阻值100 Ω)；S为开关，E为电源。实验中二极管置于控温炉内，控温炉内的温度t由温度计(图中未画出)测出。图12是该小组在恒定电流为50 μA时得到的某硅二极管U-I关系图象。回答下列问题：

图11

图12

(1)实验中，为保证流过二极管的电流为50 μA，应调节滑动变阻器R，使电压表V1的示数为U1=________mV；根据图12可知，当控温炉内的温度t上升时，硅二极管正向电阻________(填“变大”或“变小”)，电压表V1示数________(填“增大”或“减小”)，此时应将R的滑片向________(填“A”或“B”)端移动，以使V1示数仍为U1。

【解析】本实验考查运用闭合电路欧姆定律计算电压，并且分析硅二极管两端的电压与温度的关系，考查学生的实验能力，体现了科学探究核心素养，又体现创新思维和创新意识的价值观念。破解电路结构，理清实验过程是考生准确作答题目的前提。

(1)题目中V1和V2均为理想电压表，为保证流过二极管的电流为50.0 μA，必须保证流过定值电阻R0的电流为50.0 μA，根据欧姆定律可得U1=5.00 mV,根据图12可知，随着控温炉内温度的升高，电压表V2示数变小，说明硅二极管正向电阻变小，电压表V1示数增大，为使V1示数仍为U1，即保持回路中的总电流不变，回路中的总电阻保持不变，所以需要增大滑动变阻器的阻值，滑片应向B端移动。

四、电学实验误差分析问题——系统误差是重点，实验方法分析是关键

任何实验都有误差，尽量减小误差是物理实验的基本原则，所以误差分析在高考实验题中经常出现，误差分析往往也是高考实验题目的难点。要破解误差，首先要了解造成实验误差的原因及其性质，物理学中把误差按其产生的原因与性质分为系统误差和偶然误差。偶然误差在高考中一般不作为考查的重点，高考电学实验误差的考查主要是系统误差，寻找系统误差产生的原因是误差分析的重点突破方向。电学实验产生系统误差的原因主要有两大类：一是仪器本身存在一定的缺陷或不精密造成的，如仪器零点不准等；二是实验方法、原理不完善或所依据的理论本身具有近似性。例如实验室所用的电流表和电压表均不是理想电表，内阻对实验测量带来的误差等这些都是分析误差的重要依据和突破方向。

【例4】(2019年天津卷)现测定长金属丝的电阻率。

①某次用螺旋测微器测量金属丝直径的结果如图13所示，其读数是________mm。