把握方法 突破难点 提升学生电学实验解题能力——以“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验为例

江苏 吕朝阳

(作者单位：江苏省前黄高级中学国际分校)

高考所考查的电学实验题由于涉及的知识点较多，综合性较强，对学生能力的要求较高，因此实验题的解答一直是学生学习的难点。在电学实验中，高考一般重点考查器材选择、电路设计、实物连线、数据处理和误差分析等几个方面，本文以“描绘小灯泡伏安特性曲线”实验为例，探讨如何把握方法，突破难点，提升学生电学实验的解题能力。

【例题】某同学研究小灯泡(额定电压3.8 V，额定功率1.9 W)的伏安特性，除了导线和开关外，有以下一些器材可供选择：电流表A1(量程0.3 A，内阻约0.1 Ω)，电流表A2(量程0.6 A，内阻约0.5 Ω)，电压表V1(量程5 V，内阻约5 kΩ)，电压表V2(量程15 V，内阻约15 kΩ)，滑动变阻器R1(阻值0～10 Ω)，滑动变阻器R2(阻值0～200 Ω)，电源E(电动势4 V，内阻约0.04 Ω)。

(1)为了调节方便，测量准确，实验中应选用电流表________，电压表________，滑动变阻器________；(填器材的符号)

(2)请在图1的方框中画出你设计的、符合实验要求的电路图，要标出选用的器材符号；

图1

(3)请在图2中按照设计的电路图用实线代替导线连接实物；

图2

(4)根据实验数据，描绘出如图3所示的I-U图像。由图像可知，此灯泡在不工作时，灯丝电阻为________Ω；当所加电压为3.00 V时，灯丝电阻为________Ω，灯泡实际消耗的电功率为________W；

图3

(5)用电动势4.0 V、内阻为10 Ω的电源E0接在该小灯泡两端，如图4所示，则闭合开关S后，小灯泡的实际功率为________W。(以上结果均保留两位小数)

难点突破1 器材(量程或挡位)的选择

选择器材时，一般遵循安全性、准确性和可操作性的原则。具体到电学实验中：

(1)对电流表和电压表来说，指针指在满偏的三分之一到满偏之间的读数是比较准确的，所以在选择电流表、电压表，或选择合适的量程时，要让指针指在满偏的三分之一到满偏之间。如果所提供的器材中没有符合要求的电压表或电流表，一般来说都会给出定值电阻或电阻箱，以便可以改装电表，达到实验的要求。

(2)对欧姆表(或多用电表的电阻挡)来说，指针指在中值电阻附近是比较准确的，如果不符合要求，则须换挡，且在换挡后进行“欧姆调零”，直至测电阻时指针指在中值电阻附近为止。

(3)对滑动变阻器来说，在满足额定电流的前提条件及没有特殊需要的情况下，滑动变阻器采用“限流接法”时，选用总阻值跟待测元件阻值比较接近的滑动变阻器；滑动变阻器采用“分压接法”时，选用总阻值较小的滑动变阻器。

难点突破2 电路的设计

一般来说，电路的设计主要考虑以下两个问题：

(1)电流表采用安培表“外接法”还是安培表“内接法”。当待测元件的阻值远小于电压表内阻时，一般选用安培表“外接法”；当待测元件的阻值远大于电流表内阻时，一般选用安培表“内接法”，也可以总结为“大内小外”，即测量大电阻时选用安培表“内接法”，测量小电阻时采用安培表“外接法”。

本题的第(2)问中，由于小灯泡的阻值远小于电压表的内阻，故采用“安培表外接法”；描绘小灯泡的伏安特性曲线时，小灯泡两端的电压要求从零开始连续变化，故滑动变阻器采用“分压接法”，设计的电路如图5所示。

图5

难点突破3 实物的连线

根据设计的电路图进行实物连线时，除了要注意电表的正负接线柱以外，学生最容易出现的错误就是当滑动变阻器采用“分压接法”时的连线。为解决这个问题，总结如下：滑动变阻器采用“限流接法”时的连线方式归纳为“一上一下”——滑动变阻器上面两个接线柱中只接其中一个，下面的两个接线柱中也是只接其中一个；滑动变阻器采用“分压接法”时的连线方式可以归纳为“一上三下”——滑动变阻器上面两个接线柱中只接其中一个，下面的两个接线柱中分别接一次和两次，如图6所示。在具体操作中，滑动变阻器分压接法的“三下”可为直接的“三下”，也可以是间接的“三下”(后面会加以说明)。

图6

在实物连线时有两个细节需要注意：一是要按照一定的步骤连线。如图7所示，将该电路分成三个部分，第一步是连接滑动变阻器(下面两个接线柱)、电源和开关；第二步是将滑动变阻器滑片左端或右端电阻两端的电压“分”给待测元件，即将小灯泡、电流表串联后连接在滑动变阻器上面一个接线柱和下面一个接线柱之间；第三步是将电压表并联接在小灯泡两端。依据以上分析，本题第(3)问中的实物连线如图8所示。其中，连接粗实线a时，是直接的“三下”——直接在滑动变阻器下端的两个接线柱上接三次，去掉a连接虚线b时，是间接的“三下”。

图7

图8

难点突破4 图像的应用

本题的(4)(5)两问考查的都是图像应用，其中第(5)问是难点。解决这类问题的方法是首先应将图4电路中小灯泡两端的电压设为U，流过小灯泡的电流设为I，写出I与U之间的关系式U=E0-Ir=4-10I，变形为I=0.4-0.1U，然后在图3中画出I=0.4-0.1U的函数图线，该图线与小灯泡的伏安特性曲线有一个交点，如图9所示。由于该交点既满足小灯泡自身的“伏安特性”，又满足图4电路中小灯泡的I-U关系，则该点所对应的电流值与电压值的乘积必然是此时小灯泡实际消耗的功率。据此可得此时小灯泡实际消耗的功率约为0.40 W。

图9

【拓展突破】类似本题第(5)问的考查方式还有多种——将相同的一个或多个小灯泡分别连接在如图10甲、乙、丙、丁所示的电路中，求此时小灯泡的实际功率(图丁已知滑动变阻器的最大阻值为Rm，求小灯泡电功率的最大值和最小值)。但万变不离其宗，其思维方法均与上述相同——假设每一盏灯泡两端的电压为U，通过的电流为I，写出对应电路的I与U之间的关系式，在图3中分别画出对应图线，找出交点即可。上述四个电路中I与U之间关系式的推导过程分别为：

甲

【结语】电学实验难度虽大，但依然是有法可循，只要能把握上述的一些基本方法，就可以突破难点，顺利解题。比如，在满足额定电流的前提条件下，“限流接法”一般选用总阻值与待测阻值接近的滑动变阻器，“分压接法”一般选用总电阻较小的滑动变阻器；在连实物图时要按照一定的步骤和顺序进行连线，且掌握滑动变阻器限流接法“一上一下”和分压接法“一上三下”的连线方法；在利用图像进行数据处理时，要根据原理得出纵横坐标物理量之间的函数关系式等。