突破高中物理电学实验之奥秘

涂永铸

摘 要：电学实验是高考物理中的一大难点，学生在电学实验一题中失分较为严重，可以说这是一道关系学生物理考试能否取得高分的关键题目。电学实验之所以难，笔者认为其核心在于学生不能正确分析出实验原理，剖析实验原理下隐藏的解题思路、解题方法、解题技巧。学生答实验题时，往往一把乱抓，没能根据实验原理找到各部分的联系点，反而是想到一个点就顾一个点，缺乏一种全局观念，所以时常顾此失彼，这也都是由于没能精准剖析实验原理所造成的。所以，要突破电学实验这一难点，最关键的是要精准剖析实验原理，建立题目中各个环节的紧密联系，方能从全局把握实验，提高电学实验题的得分率。

关键词：突破;电学实验;精准剖析;实验原理

在答电学实验题时，首先应该考虑的就是该实验的实验原理，然而这又是学生最容易忽略的一点。实验原理，关系着实验的设计思路、实验的器材选择、实验的操作流程、实验的数据处理等等，是所有实验的核心要素，是实验取得突破的核心所在。基于正确的原理分析，才能更好地完成实验目的，完成题目要求。而如何去分析实验原理，怎样去剖析实验原理下的隐含信息（包括电路的设计、仪器的选择、数据的处理等），便是问题的关键所在。基于学生对高中电学基本规律的理解，有些电学实验的实验原理可以从实验目的中轻易得出，也有的实验原理只能从实验流程中逐步呈现。前者原理出现得比较明显，学生在分析时可以较为轻松，但对该原理下的隐含信息就需要步步为营，抽丝剥茧;而后者在原理的分析上较为复杂，这也需要学生对题目中所呈现的实验流程认真剖析，梳理前后关联，从而突破原理。

一、实验原理“显而易见”型

如下实验1：

某小组要测一电源的电动势和内阻，实验室提供的器材有：

待测电源（E约为3V，r约为1.0Ω）;电阻箱R（最大阻值为99.9Ω）;定值电阻R1（阻值为5.0Ω）;定值电阻R2（阻值为990Ω）;电流计（量程为2.5mA，内阻为Rg=10.0Ω）;开关，导线若干。

（1）请在下图虚线框中完成电路图，并标明各仪器符号。

（2）实验中得到了多组电阻箱的阻值R和相应的电流计的读数I，并作出如上右图所示的-图像，若已知直线斜率为k，纵截距为b，则电源电动势E=________，内阻 r= ____________。（要求用测得的物理量和已知物理量的符号表示，电阻R2的分流作用忽略不计）

此实验的实验目的为“测量一电源的电动势和内阻”，由此学生便能迅速得出该实验的基本原理为“闭合电路的欧姆定律”，故而实验中需要用到E=U+Ir这一表达式，从而为实验中路端电压U、电源中的电流I的测量提供了理论支持。结合给出的实验器材，发现题中并未给全电流表和电压表，所以“伏安法”遇到了阻碍。而从电源电动势3V和电阻箱阻值可估算得电路中电流大于30mA，所以电流计（2.5mA，25mV）必然需要扩大量程，进行改装，再根据所给定值电阻的阻值分析，只能将其改装为电压表（若改装为大量程的电流表，仍然会超出测量范围）。所以需将电流计和定值电阻R2串联，改装成大量程电压表，且满足U=Ig（R2+Rg）=2.5 V，结合电阻箱的特点，就将“伏安法”转化为了“伏阻法”，由于电源内阻较小，故将R1作为保护电阻连入电路，从而设计出如下电路图。

设计好电路后，根据闭合电路的欧姆定律，同时结合题中要求电阻R2的分流作用忽略不计，可得E=U+Ir，即，再结合题中所给的-关系图像，将上式变形为=·+，从而得到该直线的斜率，截距b=，最终求得E与r。此实验看似复杂，但从实验原理出发，层层抽丝剥茧，不斷分割，细化到实验电路的设计，实验器材的选择，实验数据的处理，不难发现，实验已然变得简单了。

二、实验原理“隐晦渐露”型

如下实验2：

利用如图所示的电路测量一个满偏电流为300 μA、内阻r约为几十到几百欧姆的电流表的内阻，可供选择的实验器材如下：

A.滑动变阻器R1（阻值范围0～30 kΩ）

B.滑动变阻器R2（阻值范围0～10 kΩ）

C.电源E1（电动势3 V，内阻不计）

D.电源E2（电动势6 V，内阻不计）

（1）为了提高实验测量的准确性，在上述可供选择的器材中，滑动变阻器R应选用________，电源E应选用________。（均选填器材前面的序号）

（2）实验时进行的主要步骤有：

A.断开S2，闭合S1

B.调节滑动变阻器R的滑片，使电流表指针满偏

C.闭合S2，保持R不变

D.调节电阻箱R′的阻值，使电流表指针偏转到满偏刻度的三分之一

E.记下此时R′的阻值为90Ω

则电流表的内阻的测量值为r测=________，且r测________r真（选填“>”“<”或“=”，r真为电流表内阻的真实值）。

从实验目的和第（1）问来看，学生几乎完全找不到该实验的原理，这对学生来说是一个比较大的障碍，一上来就要选择滑动变阻器和电源，一不小心就会陷入惯性思维，为保护电路，电源理应选择电动势较小的，殊不知，这样一来就掉入了陷阱。为此，继续阅读题目，学生可以发现操作中先调节到电流表满偏，随后保持R不变，调节R′，使得电流表三分之一偏（半偏），这正是“利用‘半偏法测量电流表的内阻”，至此，实验原理呼之欲出。所以基于这一实验原理，在保证既能调到满偏，又能减小误差（闭合S2后，并联的这一支路对电路的总电流几乎没有影响）的前提下，电源应选电动势较大的，及E2;滑动变阻器应选择变阻范围为0～30kΩ的。再根据电路的串、并联规律，两支路两端电压相等时，电流之比等于电阻的反比，从而得出待测电流表的内阻为电阻箱读数的2倍。而考虑实际中并联一条支路后，会使得电路中总电阻略有减小，从而总电流略有增大，进而得出电阻箱支路的电流应该大于原总电流的三分之二，所以电流表内阻的测量值较真实值偏小。至此，该实验题顺利完成，其核心在于学生正确剖析了实验原理，并进一步结合题目要求完成了对原理下隐含信息的分析识别。

不管是哪种类型，剖析实验原理必然是突破电学实验的核心要义，或清晰明了，或逐渐呈现，这都是学生答电学实验一题的基本环节。只有精准剖析了实验原理，才能有效挖掘题目中的信息，为电路的设计、器材的选择以及数据的处理等做出积极的铺垫。实验原理，如同开门的钥匙，只有找对了钥匙，才能打开成功之门，突破电学实验也不再是遥不可及。当然，这对学生实验素养的要求较高，只有在一次又一次的精准剖析的过程中，才能不断成长，逐渐形成电学实验题的答题技巧。