例析2019年高考真題 掌握電學(xué)實驗解題要點

甘肅

(作者單位：甘肅省慶陽市隴東學(xué)院附屬中學(xué))

例析高考真題，剖析電學(xué)實驗，提升備考策略

電學(xué)實驗是每年高考物理的必考題目，實驗題目形式千變?nèi)f化，所涉及的知識面廣、方法多，儀器的選取和使用技巧性強。試題一般通過設(shè)計新穎的實驗情景，以問題為導(dǎo)向，要求考生將物理實驗知識、方法和技能與新的情景相結(jié)合完成實驗，充分體現(xiàn)對物理觀念、科學(xué)思維、實驗探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的四大物理核心素養(yǎng)的考查。本文列舉分析了2019年高考物理部分實驗題目，并從四個方面來破解高考電學(xué)實驗題的解題策略，以使考生更高效地進(jìn)行備考。

一、實驗電路設(shè)計及器材選取問題——優(yōu)先考慮安全性和準(zhǔn)確性

(2)實驗電路的設(shè)計或選擇也必須考慮安全性和準(zhǔn)確性原則，電路的連接方式重點考慮兩點：電流表采用內(nèi)接法還是外接法；滑動變阻器采用限流式接法還是分壓式接法。判斷電流表的接法一般有三種方法，即阻值比較法、比值比較法和試觸法，滑動變阻器選擇限流式接法還是分壓式接法，首先要看實驗要求，實驗中有沒有明顯的語言暗示，若實驗題目中存在以下語言暗示，實驗必須要采用分壓式接法：要求通過被控制部分的電壓或電流從零開始調(diào)節(jié)；實驗要求多測量幾組數(shù)據(jù)，要求電壓或電流變化范圍足夠大；用電器的電阻遠(yuǎn)大于滑動變阻器的電阻且要求電壓變化范圍大；雖沒有文字暗示，但實驗題目表格中給出了一系列數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)中電壓(或電流)的變化范圍較大；若采用限流式接法，電路中的實際電壓或電流的最小值仍然超過用電器的額定電壓或電流。

【例1】(2019年全國卷Ⅲ)某同學(xué)欲將內(nèi)阻為98.5 Ω、量程為100 μA的電流表改裝成歐姆表并進(jìn)行刻度和校準(zhǔn)，要求改裝后歐姆表的15 kΩ刻度正好對應(yīng)電流表表盤的50 μA刻度?？蛇x用的器材還有：定值電阻R0(阻值14 kΩ)，滑動變阻器R1(最大阻值1 500 Ω)，滑動變阻器R2(最大阻值500 Ω)，電阻箱(0～99 999.9 Ω)，干電池(E=1.5 V,r=1.5 Ω)，紅、黑表筆和導(dǎo)線若干。

圖1

(1)歐姆表設(shè)計

將圖1中的實物連線組成歐姆表。歐姆表改裝好后，滑動變阻器R接入電路的電阻應(yīng)為________Ω；滑動變阻器選________(填“R1”或“R2”)。

(2)刻度歐姆表表盤

通過計算，對整個表盤進(jìn)行電阻刻度，如圖2所示。表盤上a、b處的電流刻度分別為25和75，則a、b處的電阻刻度分別為________、________。

圖2

(3)校準(zhǔn)

紅、黑表筆短接，調(diào)節(jié)滑動變阻器，使歐姆表指針指向________kΩ處；將紅、黑表筆與電阻箱連接，記錄多組電阻箱接入電路的電阻值及歐姆表上對應(yīng)的測量值，完成校準(zhǔn)數(shù)據(jù)測量。若校準(zhǔn)某刻度時，電阻箱旋鈕位置如圖3所示，則電阻箱接入的阻值為________Ω。

圖3

【解析】本題考查了歐姆表的改裝及電阻箱的讀數(shù)，涉及歐姆表原理電路圖的設(shè)計和滑動變阻器的選取問題，考查了學(xué)生的實驗?zāi)芰Γw現(xiàn)了物理學(xué)科素養(yǎng)中的科學(xué)推理要求，滲透了實踐的價值觀念。

(1)實物連線圖如圖4所示。題意要求改裝后歐姆表的15 kΩ刻度正好對應(yīng)電流表表盤的50 μA刻度，中值電阻等于內(nèi)阻，為15 kΩ，即RμA+R0+r+R=15 kΩ,代入數(shù)據(jù)得R=900 Ω。由于滑動變阻器接入電路中的阻值大于R2的最大阻值，故只能選用R1。

圖4

(3)考查電表的校準(zhǔn)，紅黑表筆短接，調(diào)整滑動變阻器使歐姆表的指針滿偏，即指在0 kΩ處。電阻箱的讀數(shù)為35 000.0 Ω。

二、圖象法處理實驗數(shù)據(jù)問題——數(shù)形結(jié)合、推導(dǎo)關(guān)系是關(guān)鍵

對于圖象法處理實驗數(shù)據(jù)問題，根據(jù)實驗原理仔細(xì)推導(dǎo)找關(guān)系，數(shù)形結(jié)合是實驗數(shù)據(jù)處理最基本的思路。利用圖象法處理電學(xué)實驗數(shù)據(jù)有兩種基本思路：一是如果橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)兩個變量成線性關(guān)系，則可以利用兩個變量的關(guān)系進(jìn)行求解，如用圖線的斜率、面積、截距等物理意義處理實驗研究的問題，此類問題一般都要先根據(jù)物理規(guī)律寫出物理方程或物理關(guān)系，然后根據(jù)實驗要求寫出縱軸和橫軸的線性關(guān)系方程y=kx+b，從而確定其斜率、面積、截距等物理含義，再結(jié)合圖象的信息進(jìn)行求解，比如測定電池的電動勢和內(nèi)阻實驗。二是如果橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)兩個變量不成線性關(guān)系，有時不能根據(jù)圖象的斜率等關(guān)系求解問題，可借助作輔助圖線的方法，利用圖象截距、交點的物理含義求解，比如描繪小燈泡的伏安特性曲線后計算小燈泡的實際功率問題。

【例2】(2019年江蘇卷)某同學(xué)測量一段長度已知的電阻絲的電阻率。實驗操作如下：

(1)螺旋測微器如題圖5所示。在測量電阻絲直徑時，先將電阻絲輕輕地夾在測砧與測微螺桿之間，再旋動________(填“A”“B”或“C”)，直到聽見“喀喀”的聲音，以保證壓力適當(dāng)，同時防止螺旋測微器的損壞。

圖5

(2)選擇電阻絲的________(填“同一”或“不同”)位置進(jìn)行多次測量，取其平均值作為電阻絲的直徑。

圖6

(3)圖6中Rx為待測電阻絲。請用筆畫線代替導(dǎo)線，將滑動變阻器接入圖7實物電路中的正確位置。

圖7

(4)為測量Rx，利用圖6所示的電路，調(diào)節(jié)滑動變阻器測得5組電壓U1和電流I1的值，作出的U1-I1關(guān)系圖象如圖8所示。接著將電壓表改接在a、b兩端，測得5組電壓U2和電流I2的值，數(shù)據(jù)見下表：

U2/V0.501.021.542.052.55I2/mA20.040.060.080.0100.0

請根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，在方格紙上作出U2-I2圖象。

圖8

(5)由此，可求得電阻絲的Rx=________Ω。根據(jù)電阻定律可得到電阻絲的電阻率。

【解析】本題是一道非常典型的運用圖象法處理實驗數(shù)據(jù)的問題?？疾榱寺菪郎y微器的使用，測定電阻絲電阻率的電路設(shè)計及對應(yīng)的實驗原理，同時考查了學(xué)生綜合分析能力和運用圖象法處理實驗數(shù)據(jù)的能力。

(1)考查螺旋測微器的使用，選擇C。

(2)電阻絲直徑的測量應(yīng)該選擇不同位置進(jìn)行多次測量取平均值，以減小偶然誤差。

(3)實物圖連接如圖9所示。

圖9

(4)如圖10所示。

圖10

(5)典型的圖象法處理實驗數(shù)據(jù)問題，根據(jù)電路原理圖6和圖8U1-I1圖象分析可知，圖線斜率表示Rx、R0及電流表內(nèi)阻之和，而圖10中U2-I2的斜率表示R0及電流表內(nèi)阻之和，兩圖線斜率的差值即電阻絲的阻值Rx=23.5 Ω。

三、電學(xué)實驗創(chuàng)新問題——循“路”理“線”析原理是突破口

高考電學(xué)實驗的壓軸題一般不會直接考查課本中的學(xué)生實驗，而是在學(xué)生實驗基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，此類壓軸題的難點常常是把學(xué)生實驗中的實驗原理和方法進(jìn)行拓展、遷移、創(chuàng)新。破解此類問題的關(guān)鍵是掌握課本中常規(guī)實驗的原理、方法、規(guī)范操作程序、數(shù)據(jù)處理方法等基礎(chǔ)知識，從題目給出的電路原理圖入手分析，再結(jié)合已有的電學(xué)知識(比如電路的串并聯(lián)關(guān)系、閉合電路歐姆定律等)和實驗方法進(jìn)行推理，往往可以找到解題的突破口。

【例3】(2019年全國卷Ⅱ)某小組利用圖11所示的電路，研究硅二極管在恒定電流條件下的正向電壓U與溫度t的關(guān)系，圖中V1和V2為理想電壓表；R為滑動變阻器，R0為定值電阻(阻值100 Ω)；S為開關(guān)，E為電源。實驗中二極管置于控溫爐內(nèi)，控溫爐內(nèi)的溫度t由溫度計(圖中未畫出)測出。圖12是該小組在恒定電流為50 μA時得到的某硅二極管U-I關(guān)系圖象?；卮鹣铝袉栴}：

圖11

圖12

(1)實驗中，為保證流過二極管的電流為50 μA，應(yīng)調(diào)節(jié)滑動變阻器R，使電壓表V1的示數(shù)為U1=________mV；根據(jù)圖12可知，當(dāng)控溫爐內(nèi)的溫度t上升時，硅二極管正向電阻________(填“變大”或“變小”)，電壓表V1示數(shù)________(填“增大”或“減小”)，此時應(yīng)將R的滑片向________(填“A”或“B”)端移動，以使V1示數(shù)仍為U1。

【解析】本實驗考查運用閉合電路歐姆定律計算電壓，并且分析硅二極管兩端的電壓與溫度的關(guān)系，考查學(xué)生的實驗?zāi)芰?，體現(xiàn)了科學(xué)探究核心素養(yǎng)，又體現(xiàn)創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識的價值觀念。破解電路結(jié)構(gòu)，理清實驗過程是考生準(zhǔn)確作答題目的前提。

(1)題目中V1和V2均為理想電壓表，為保證流過二極管的電流為50.0 μA，必須保證流過定值電阻R0的電流為50.0 μA，根據(jù)歐姆定律可得U1=5.00 mV,根據(jù)圖12可知，隨著控溫爐內(nèi)溫度的升高，電壓表V2示數(shù)變小，說明硅二極管正向電阻變小，電壓表V1示數(shù)增大，為使V1示數(shù)仍為U1，即保持回路中的總電流不變，回路中的總電阻保持不變，所以需要增大滑動變阻器的阻值，滑片應(yīng)向B端移動。

四、電學(xué)實驗誤差分析問題——系統(tǒng)誤差是重點，實驗方法分析是關(guān)鍵

任何實驗都有誤差，盡量減小誤差是物理實驗的基本原則，所以誤差分析在高考實驗題中經(jīng)常出現(xiàn)，誤差分析往往也是高考實驗題目的難點。要破解誤差，首先要了解造成實驗誤差的原因及其性質(zhì)，物理學(xué)中把誤差按其產(chǎn)生的原因與性質(zhì)分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。偶然誤差在高考中一般不作為考查的重點，高考電學(xué)實驗誤差的考查主要是系統(tǒng)誤差，尋找系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因是誤差分析的重點突破方向。電學(xué)實驗產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的原因主要有兩大類：一是儀器本身存在一定的缺陷或不精密造成的，如儀器零點不準(zhǔn)等；二是實驗方法、原理不完善或所依據(jù)的理論本身具有近似性。例如實驗室所用的電流表和電壓表均不是理想電表，內(nèi)阻對實驗測量帶來的誤差等這些都是分析誤差的重要依據(jù)和突破方向。

【例4】(2019年天津卷)現(xiàn)測定長金屬絲的電阻率。

①某次用螺旋測微器測量金屬絲直徑的結(jié)果如圖13所示，其讀數(shù)是________mm。

圖13

②利用下列器材設(shè)計一個電路，盡量準(zhǔn)確地測量一段金屬絲的電阻。這段金屬絲的電阻Rx約為100 Ω，畫出實驗電路圖，并標(biāo)明器材代號。

電源E(電動勢10 V)，內(nèi)阻約為10 Ω)

電流表A1(量程0～250 mA，內(nèi)阻R1=5 Ω)

電流表A2(量程0～300 mA，內(nèi)阻約為5 Ω)

滑動變阻器R(最大阻值10 Ω，額定電流2 A)

開關(guān)S及導(dǎo)線若干

③某同學(xué)設(shè)計方案正確，測量得到電流表A1的讀數(shù)為I1，電流表A2的讀數(shù)為I2，則這段金屬絲電阻的計算式Rx=________。從設(shè)計原理看，其測量值與真實值相比________(填“偏大”“偏小”或“相等”)。

圖14