例谈高考电学实验复习与备考
2022-11-27浙江省温州中学325000王金聚
浙江省温州中学（325000）王金聚
电学实验是高中物理实验教学的重要一环，每年高考都少不了针对电学实验的相关试题。它既能考查学生的实验设计能力和动手能力，又能考查学生的探究能力、创新能力等。物理课程标准明确要求学生“能选用实验器材进行实验，获取实验数据；会用图像处理实验数据，能根据图像获得结论；能分析实验中存在的误差，并提出减小误差的方法”。要求教师“引导学生进行科学探究，培养学生的实验设计、分析论证、反思评估等能力”。
电学实验考查涉及实验的目的、原理、器材、步骤及误差分析等方面，实验多、器材多、数据采集多，可考查范围广。有的实验线路挺复杂，单是接线都需要很长时间，常使学生觉得杂乱无序，一团乱麻，不知如何应对。针对高考电学实验的复习与备考，本文从以下几个方面予以归类剖析。
一、测电阻类实验
从历年高考物理试卷不难看出，测电阻类实验题的占比居高不下。鉴于此，我们须掌握此类实验的各种测量方法，如伏安法、半偏法、替代法、利用多用电表测电阻等方法，以及掌握电压表、电流表、电源、定值电阻、滑动变阻器、单刀与双刀开关等相关器材的选择与接入方法等。
以实验器材的选取为例，比如常用的电流表、电压表，往往会给你两到三个，让你选择一个最合适的。那么依据什么来选择呢？一般要考虑以下几个方面（如图1）。
图1
其中仪表的量程，如最常见的电流表、电压表，要依据待测电流或电压的大小选取。一般说来，要使指针偏转程度超过所选量程的2/3，至少也要超过1/2。如果量程选择太大致使指针偏转角度过小，会使测量误差过大。反之，若量程选择太小，过大的电流或电压会造成电表损毁。
测电阻最常用的方法是伏安法，电路如图2 所示。
图2 伏安法
设图中电流表内阻为RA，电压表内阻为RV，待测电阻为Rx，为使实验误差减小，借助串并联规律可推知：当RV<
当然，有时会遇到待测电阻无法估测的情况，该怎么办？可用“试触法”，如图3 所示，让电压表的连线p先后与触点a，b接触，看两表的读数变化情况。如果电压表的读数变化较大，而电流表的读数变化很小，说明电流表分压较多，则应接在a点；反之，如果电流表的读数变化较大，而电压表的读数变化很小，说明电压表分流较多，则应接在b点。
图3 试触法
至于滑动变阻器该以何种方式接入电路，一般是按照如下要求连接。
以下几种情况宜采用滑动变阻器分压式接法：
①要求待测电阻Rx的电压或电流从零开始变化；
②若采用限流式接法，即便将滑动变阻器的阻值调至最大，仍会出现电压或电流的值超过量程的情况；
③当待测电阻值Rx远大于滑动变阻器的总电阻值时，若采用限流式接法，会出现调节范围过于狭窄的情况。
以下几种情况宜选用滑动变阻器限流式接法：
①测量时电路电流或电压没有要求必须从零开始连续调节，只是小范围内测量，且待测电阻值Rx接近或小于滑动变阻器电阻R；
②电源允许的放电电流或滑动变阻器的额定电流太小，不能满足分压式接法的要求；
③没有很高的要求，仅从安全性和精确性角度分析两者均可采用时，可考虑安装简便和节能因素，采用滑动变阻器限流式接法。
一般说来，在电流表、电压表都有且量程合适的情况下，测电阻都可以考虑伏安法；若没有提供电压表，但所提供的电流表内阻已知，则可以把电流表当作电压表来使用，此种方法称为“安安法”；若没有提供流电表，但所提供的电压表内阻已知，同样可以把电压表当作电流表来使用，此种方法称为“伏伏法”。
当然，测电阻最简单的方法还是利用多用电表（即万用表）来测量，其测量方法和步骤是：
①用小螺丝刀进行机械调零；
②选择好倍率后，用手转动欧姆调零旋钮进行欧姆调零；
③将待测电阻从电路中断开，手握表笔的绝缘部分进行测量，注意手不要触及表笔的金属杆部分；
④测量结束，拔出表笔，将选择开关置于OFF挡。
要注意的是，在使用欧姆挡时，利用的是多用电表内的内置电源，电流是从负接线柱（黑表笔）流出、从正接线柱（红表笔）流入的，这一点有不少学生会搞反。
［例1］（2022 年全国高考甲卷理综）某同学要测量微安表内阻，可利用的实验器材有：电源E（电动势1.5 V，内阻很小），电流表（量程10 mA，内阻约10 Ω），微安表（量程100 μA，内阻Rg待测，约1 kΩ），滑动变阻器R（最大阻值10 Ω），定值电阻R0（阻值10 Ω），开关S，导线若干。
（1）在答题卡上将图4 中所示的器材符号连线，画出实验电路原理图_______；
图4
（2）某次测量中，微安表的示数为90.0 μA，电流表的示数为9.00 mA，由此计算出微安表内阻Rg=_____Ω。
解析：（1）为了准确测出微安表两端的电压，可以让微安表与定值电阻R0并联，再与电流表串联，通过电流表的电流与微安表的电流之差，可求出流过定值电阻R0的电流，从而求出微安表两端的电压，进而求出微安表的内阻。由于电源电压过大，并且为了测量多组数据，滑动变阻器采用分压式接法，实验电路原理图如图5所示。
图5
（2）流过定值电阻R0的电流为：
I=IA−IG=9.00 mA −0.09 mA=8.91 mA
微安表两端的电压为：U=IR0=8.91 × 10−2V
微安表的内阻为：
二、测量电源参数类实验
如图6 所示，是测量电源的电动势和内阻的电路，利用闭合电路欧姆定律不难得出相关参数。利用图6（a）所示的电路，由于电压表的分流作用，使得电动势和内阻的测量值都偏小。简单地讲，我们可以把图6（a）中虚线框内的部分看作一个等效电源，容易看出：，但由于电压表的内阻一般都很大，所以实验误差实际上还是很小的。
假如采用图6（b）电路，可将电流表和电源作为一个整体看作一个等效电源，如图6（b）中虚线框内部分所示，易知电动势的测量值是准确的，即E测=E真。而内阻的测量值r测=r真+RA，比真实值大出了一个电流表的内阻，而电流表的内阻与电源的内阻常常比较接近，故测得内阻的误差常常很大。因此，要求同时测量电源的电动势和内阻时，须采用图6（a）电路。如果只是要求测量电动势，不要求测内阻，则采用图6（b）电路。
图6
如果所给器材没有电流表，仅有电压表和电阻箱等器材，可以采用图7（a）所示的电路，通过E=来求电动势和内阻。当然，若电压表的量程不够，我们可以给它串联一个定值电阻。
如果所给器材没有电压表，仅有电流表和电阻箱等器材，也可以进行相应的测量。譬如图7（b）所示的电路，就是之前新课标全国卷上一道实验考题的附图，其中电流表内阻RA已知，R0和R1为定值电阻，通过绘出图像，借助图像来寻求电动势和内阻。当然，由于图中电流表的量程不够，因此给它并联了一个定值电阻R1，以扩大量程。
图7
［例2］（2021 年高考全国乙卷）一实验小组利用图8（a）所示的电路测量一电池的电动势E（约1.5 V）和内阻r（小于2 Ω）。图中电压表量程为1 V，内阻RV=380.0 Ω，定值电阻R0=20.0 Ω；电阻箱R，最大阻值为999.9 Ω；S 为开关。按电路图连接电路。完成下列填空：
（1）为保护电压表，闭合开关前，电阻箱接入电路的电阻值可以选_______Ω（填“5.0”或“15.0”）；
（2）闭合开关，多次调节电阻箱，记录下阻值R和电压表的相应读数U；
（3）根据图8（a）所示电路，用R，R0，RV，E和r表示=_________；
（5）通过图8（b）可得E=_____V（保留2 位小数），r=______Ω（保留1位小数）；
（6）若将图8（a）中的电压表当成理想电表，得到的电源电动势为E′，由此产生的误差为
图8
三、电表改装类实验
改装类问题不难，依据就是欧姆定律。把表1中所蕴含的信息给学生交代清楚即可。高考中大多呈现的是将改装后的电表应用在测电阻或测电源参数的电路之中，常以综合考查的形式出现。
表1 电表改装
四、高考电学实验复习方略
（一）思想上要引起足够重视
电学实验是每年高考的必考内容，因此教师要引起足够的重视，复习时不能因为实验复杂、细碎、烦琐、难讲，而一带而过、草草了事。第一轮复习，仍要立足课本，夯实基础，详细解读每一个实验的方方面面。虽然在新课学习时学生已动手做过分组实验，但几乎遗忘殆尽，留下的只是一些模糊的记忆。复习时，教师要多引导，提高学生的参与度，唤醒学生的过往记忆。比如有些实验的原理图，复习时就可以引导学生自己画出。当然，有的学生会画错，教师也可以将错就错，让学生在黑板上把带有典型问题的图给画出来，引导大家讨论分析：此图行不行？若有问题，问题在哪里？通过辨析、纠错，能唤醒学生的过往记忆，让学生理解得更透彻，掌握得更牢固，记忆更长久。
（二）分类或以专题的形式复习实验
在第二轮或第三轮复习中，教师可以把电学实验分类，比如分成测电阻类实验、测电源参数类实验、电表改装类实验、创新类实验等，逐类复习，各个击破。在每一类实验的复习中把同类实验加以纵横比较，看看它们的原理、思想方法、数据处理方法等有何异同，归纳出相同点和不同点，以便于学生理解和掌握。
（三）适度练习
要想在电学实验题上拿高分，必要的习题训练必不可少。特别是过往的高考以及各地高考模拟考中的实验题，教师要多加研究。拿到题目，教师最好自己先做一做再看答案，这样能站在学生的角度，及时发现问题，找到自己在实验教学中的不足，以便查漏补缺，适时弥补，完善自己的实验教学。
（四）注重对实验设计能力的培养
高考中的电学实验题，大多源于教材但又不拘泥于教材，即对教材中的实验进行了适当的加工改造，向设计能力等方面进行转移。如测量电阻阻值的实验，教材中用的是伏安法，但高考中可能遇到的是“伏伏法”“安安法”，虽然看上去不同，但“换汤不换药”，实验的原理、方法仍和教材中的实验是一样的，这就相当于变着法儿考查学生的实验设计能力和知识迁移能力。
设计实验一般要考虑以下几个方面。
（1）正确性：实验方案所依据的原理要正确。
（2）安全性：实验方案的实施要安全可靠，不能对仪器、器材及人身造成安全威胁，且应有较高的成功率。
（3）简便性：实验器材要方便获取，便于实施操作以及数据采集和处理。
（4）精确性：实验误差不大，在可允许的范围之内。若有多种可能的实验设计方案，则应尽可能选取误差较小的那一种。
（五）用多种教学手段助力电学实验复习
除亲自动手向学生实物展示电学实验的过程外，还可以动用多种手段辅助电学实验复习。譬如可利用PPT 展现、动画模拟演示、播放实验视频录像、进行仿真实验等多种形式。在实际教学中，有时还可以自编一些顺口溜，以方便学生复习和掌握。比如用多用电表测电阻，就可以把测量步骤概括为这么一句话——“选挡调零测电阻，拔出表笔拨OFF”。言简意赅，通俗易懂，学生很快就理解并掌握了。
再比如，利用伏安法测电阻的实验中，滑动变阻器是采用分压式接法还是限流式接法，可以把它总结为这样两句话——“待测大，分压跨”“待测小，限流好”，即将待测电阻的阻值与滑动变阻器的总阻值做比较，待测电阻的阻值大时采用分压式接法，反之则宜用限流式接法。关于该实验中的电流表是采用内接法还是外接法，有人总结为这么一句话——“大内偏大，小外偏小”，即待测电阻阻值较大时采用内接法，其测量结果偏大；待测电阻阻值较小时采用外接法，其测量结果偏小。这样的总结朗朗上口，方便学生记忆。
（六）开放物理实验室
在临考前，有的学生还是对“电学实验”心里没底，不踏实，还想到实验室再看一看、做一做，没关系，这都是正常的。对高考要求的电学分组实验所需的器材，在临近高考甚至是某些模拟考之前，建议集中在实验室内重新摆出来，让学生重回实验室，用几节课的时间在实验室内集中复习。让学生再动手做一做，“重新来过”，从而熟悉器材、原理、方法、步骤、数据处理等过程。不一定只摆学生分组实验所需的器材，一些教材中重要的演示实验器材，也可以摆出来。实验室在白天可以全天候开放，让学生在自修课或课余时间都能随来随做。最好和实验员预先沟通好，以便学生在做实验的过程中遇到问题能及时得到解决，让学生无后顾之忧。
总之，只要教师对电学实验真正重视起来、认真对待，让学生多做、多练、多想、多问，踏踏实实认真复习，就能水到渠成，学生就能在高考电学实验题上取得理想的分数。
