夯实基础知识 重视模块教学——关于电学基础实验复习备考的思考

刘林华

(广东省中山市烟洲中学)

新课改注重学生学科素养的培养与考查,对学生的学科素养要求越来越高。新高考重视基础知识的理解与运用,仅靠“机械刷题”很难取得高分。电学实验是高考的重点和难点,学生往往谈电学实验而色变。加强实验设计和发展实验探究能力已经成为高考考查的重要方向。在复习备考时注重将电学基础实验内容化整为零,模块化处理,让学生更容易理解和运用。

电学实验可归为四大类:电学基础实验、多用电表的使用、电源电动势和内电阻的测量及电学创新实验。学生对电学实验存在一定的畏惧心理,再加上考试灵活,变化多端,常常让学生无从下手,部分学生更是直接跳过。电学基础实验知识点相对固定,可以将电学基础实验拆分成相关知识点。达到复杂问题简单化的目的,本文重点分析此类题目解法,并就相关知识点拓展,用来帮助学生复习电学基础实验,攻破该类题型。以期提高实验教学效率。

1.原题呈现

1.1 测定值电阻

测量待测电阻的阻值,需要用伏安法测量待测电阻的电压和电流,涉及电流表内、外接和滑动变阻器的接法,有时还需要改装电表。

【例1】一同学探究阻值约为550 Ω的待测电阻Rx在0～5 mA范围内的伏安特性。可用器材有:电压表V(量程为3 V,内阻很大),电流表A(量程为1 mA,内阻为300 Ω),电源E(电动势约为4 V,内阻不计),滑动变阻器R(最大阻值可选10 Ω或1.5 kΩ),定值电阻R0(阻值可选75 Ω或150 Ω),开头S,导线若干。

(1)要求通过Rx的电流可在0～5 mA范围内连续可调,将图1所示的器材符号连线,画出实验电路的原理图;

图1

(2)实验时,图1中的R应选最大阻值为________(填“10 Ω”或“1.5 kΩ”)的滑动变阻器,R0应选阻值为________(填“75 Ω”或“150 Ω”)的定值电阻。

【解题思路】本题实验目的是测Rx在0～5 mA范围内的伏安特性,由于题干中电流表量程只有1 mA,需要改装电流表;电流从0开始测量,滑动变阻器选用分压式接法;电流表内阻已知,电流表内接。细分问题有“电表改装” “电流表内外接”和“滑动变阻器的接法”。

知识点一:“电表改装”。

通过Rx电流最大为5 mA,需要将电流表量程扩大为原来的5倍,并联分流的特点作出电表改装。

可得R0=75 Ω

知识点二:“电流表内外接”。

电流表内阻已知,利用电压表电压减去电流表电压即可得到待测电阻准确电压,所以选用电流表内接。

知识点三:“滑动变阻器的接法”。

由于电流要从0开始调节,所以用分压式接法,为方便电路调节,电路中滑动变阻器R应选最大阻值较小的,即最大阻值为10 Ω的滑动变阻器。

通过解决三个知识点,本题的答案就水到渠成,连接电路图如图2所示。

图2

1.2 测电表内阻

由于待测电表可以测量自身的电压(电流),只需要再接一个电表测量待测电表的电流(电压)即可,不涉及电流表内、外接,只涉及滑动变阻器的接法和电表改装。

【例2】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A(量程10 mA,内阻约10 Ω),微安表G(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)将图3中所示的器材符号连线,画出实验电路原理图;

图3

(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。

【解题思路】本题实验目的是测微安表内阻,微安表可测自身电流,只需额外测其电压即可,不涉及电流表内外接法。如何测其电压是本题的难点。由于题干中滑动变阻器R远小于微安表内阻,滑动变阻器选用分压式接法。细分问题有“电表改装”和“滑动变阻器的接法”。

知识点一:“电表改装”。

题干中除待测微安表外,只有电流表,但电流表内阻不是定值无法改装,也不能用电流表直接测微安表的电压。可以将R0改装成“电压表”,即让微安表与定值电阻R0并联,再与电流表串联,通过电流表与微安表的电流之差,求出流过定值电阻R0的电流,运用欧姆定律得到微安表两端的电压U=IR0。

流过定值电阻R0的电流

I=IA-IG=9.00 mA-0.09 mA=8.91 mA

微安表两端的电压U=IR0=8.91×10-2V

知识点二:“滑动变阻器的接法”。

由于题干中滑动变阻器R远小于微安表内阻,且电源电压远大于电表的量程,滑动变阻器采用分压式接法。实验电路原理如图4所示。

图4

2.厘清电学实验基础知识

从例题分析可以发现,解决电学基础实验,需要掌握电学实验相关基础知识。基础知识主要有电流表的内外接法、滑动变阻器两种连接方式和电表的改装。在高三复习时,要重视这些基础知识,夯实基础知识,学生才会在多变的电学实验题中以不变应万变。

2.1 电流表的内、外接法

2.2 滑动变阻器两种连接方式

限流式接法分压式接法对比说明电路图限流式滑动变阻器只有一部分接入电路,分压式滑动变阻器分两部分接入电路中负载R0上电压调节范围RR+R0U^U0^U分压式电路调节范围广滑动变阻器两种接法选择限流式结构简单、能耗少。在滑动变阻器的最大阻值是待测电阻阻值6倍左右时,且不要求电压从零开始变化,优先使用限流式①要求电压表能从零开始读数,或要求电压(电流)测量范围尽可能大;②当待测电阻Rx≫R(滑动变阻器的最大阻值)时;③若采用限流式接法,电路中的最小电流仍超过电路中电表、电阻允许的最大电流题干中如没有明确说明,要注意题目中的表格和图像所标注的数据

【点评】需要注意在接通电路前,为了保护电路的安全,两种接法中滑动变阻器的触头位置不一样,限流式接法应该将滑动变阻器全部电阻接入到电路中来,即触头指向a;而分压式接法应该将待测电阻短路,即触头指向c。

2.3 微安表的改装

改装电压表改装电流表内部电路改装原理串联分压并联分流改装后量程U=Ig(Rg+R)I=R+RgRIg

【点评】微安表改装有:“串大改大电压表、并小改大电流表”的特点。在改装电表过程中,只能改大量程,不能改小量程。在复杂电路中要会简化电路图,弄清微安表并联或串联的阻值,通过串联和并联的特点准确计算改装后电表量程。

2.4 定值电阻改装成“电表”

定值电阻改装成电压表定值电阻改成电流表电路图改装前提A1电阻是未知的,如果A1电阻已知,可以考虑直接将A1作为电压表使用,并联在A2的两端。A2为待测电表,其量程要小于A1的量程V1电阻是未知的,如果V1电阻已知,可以考虑直接将V1作为电流表使用,与V2直接串联。V2为待测电压表,其量程要小于V1的量程改装后计算公式RA2=(I1-I2)R0I2IV2=U1-U2R0RV2=U2IV2

【点评】定值电阻改装成“电表”不同于微安表改装成大量程的电表,定值电阻无法直接读数,需要借助其他电表来完成测量。所以常出现在测量未知电表的题目中,测量出来的待测电表内阻没有系统误差。

3.拓展延伸

【例3】现在要测量一段特制的导体的电阻,其阻值Rx约为0.5Ω,允许通过的最大电流为0.5A。提供如下器材供你选择:

电流表A(量程0.6A,内阻约0.125Ω)

电压表V(量程3V,内阻约3kΩ)

标准电阻R0(阻值5Ω)

滑动变阻器R1(5Ω,3A)

滑动变阻器R2(200Ω,1.5A)

直流电源E(E=6V,内阻不计)

开关S、导线若干

根据你的选择,在上图虚线框内设计实验电路图。

【解题思路】本题实验目的是测电阻,供选择的器材中电流表和电压表是唯一的,不存在选取问题,不过需要注意到电表内阻均是未知的,要考虑内外接法。电流表的量程符合题干要求,但电压表的量程3V远大于电阻允许的最大电压(U=IRx=0.25V)。说明需要电表的改装,电表的改装只能小改大,不能大改小,如何测其电压是本题的难点。题干中滑动变阻器需要根据实际情况选取,再确定是分压式接法还是限流式接法。细分问题有“电流表内外接” “电表改装”和“滑动变阻器的接法”。

知识点一:“电表改装”。

题干要求允许最大电流为0.5A,对应待测电阻允许的电压为0.25V,远小于电压表量程。题中电表内阻均未知,无法进行改装。需要串联一分压电阻来增加电压表读数[U=I(Rx+R0)=2.75V],变相将电压表量程改小。

知识点二:“电流表内外接”。

题干中电表内阻均未知,用比值法来判断内外接法。

故选择电流表外接。

知识点三:“滑动变阻器的接法”。

题目中电源电压6V比电压表量程3V要大,且滑动变阻器R2较大,故选取滑动变阻器R1,采用分压式接法。实验电路原理如图5所示。

图5

4.重视模块教学,提高复习效率

高三复习时间短,复习内容较多,为了更好地建立知识体系,教师在复习时要重视模块化教学,学生只有将各模块知识一一吃透并通关。才能有效地运用,脱离题海战术,做到高效备考。

实验能很好地考查学生的物理学科素养,也是培养学生物理学科素养的重要手段。虽然电学实验千变万化,但知识点相对固定,在复习时应有意识加强基础模块的讲解,在掌握了相关知识模块后,学生解决问题会更加得心应手,有效提高复习效率。