江蘇 路文柱
(作者單位:江蘇省徐州市第三十六中學)
物理實驗一直是高考中的一個重點。由于高考實驗題靈活、新穎,對學生的創(chuàng)新能力要求較高,所以高考中的物理實驗題區(qū)分度高、信度高,有利于高校選拔人才。那么,高考物理實驗題主要考查點有哪些呢?本文以“伏安法測電阻”為例,分析說明高考物理電學實驗的考查角度,并對“伏安法測電阻”的有關問題進行闡述。
實驗設計是以達到實驗目的為前提,以實驗原理為基礎,對所選擇的儀器、儀表進行有效的組合、裝配。電路設計要按照安全、精確(誤差小)、簡便(電路簡單,便于控制)、省電的四個原則進行。按照電路的功能劃分,“伏安法測電阻”的電路進行主要分為兩部分,即測量電路和控制電路。
測量電路是由待測電阻、電流表、電壓表三者組成,用以測量待測電阻兩端的電壓及電阻中的電流,從而求出待測電阻的阻值。根據(jù)電流表、電壓表的相對位置關系,測量電路分為外接法(圖1)和內接法(圖2)兩種;設計電路時,為減小誤差,小電阻采用外接法,大電阻采用內接法,簡稱“外小內大”。原因如下:
如圖1,外接法的誤差是由于電壓表分流,使電流表的測量值大于流過待測電阻電流的實際值,為減小誤差,電壓表分得的電流應盡可能小,由分流原理可知,此時待測電阻的阻值應盡可能小,即Rx?RV,或者Rx更接近于RA。
圖1
如圖2,內接法的誤差是由于電流表分壓,使電壓表的測量值大于待測電阻兩端電壓的實際值,為減小誤差,電流表分去的電壓應盡可能小,由分壓原理可知,此時待測電阻的阻值應盡可能大,即Rx?RA,或者Rx更接近于RV。
圖2
在實際操作過程中,通常采用“試觸法”比較Rx和RV、RA的大小,即通過改變兩電表的連接方式,觀察兩電表示數(shù)變化情況,如果電流表的示數(shù)變化明顯,說明電壓表的分流作用顯著,待測電阻的阻值更接近于電壓表的內阻,應采用內接法;如果電壓表示數(shù)變化明顯,說明電流表的分壓作用顯著,待測電阻的阻值更接近于電流表的內阻,應采用外接法。
圖3
圖4
電路的連接應有一定的章法,切忌隨意連接。根據(jù)筆者所在學校這幾年高三模擬考試的情況,電路連接題雖然難度不高,但每次都是只有少部分同學能夠完全連對,尤其是實物圖的連接,出錯最多。為此,讓學生掌握一種行之有效的方法是非常必要的,如“順電流法”——從電源正極出發(fā),對照電路圖依次往下連接,先串聯(lián),后并聯(lián),最后連接電壓表。此外,連接電路時應注意以下四點:第一,導線應接在電學元件的接線柱上;第二,導線不能交叉;第三,電表中電流應從正接線柱流入,負接線柱流出;第四,同一段導線兩端等效,但盡量接在較近的一端。
實驗步驟也是圍繞實驗原理進行的。“伏安法測電阻”的實驗步驟主要有以下幾步:
1.設計電路圖;
2.按照電路圖連接電路;
3.將滑動變阻器的滑片置于合適位置(使測量電路中的電流最小);
4.閉合開關,調節(jié)滑動變阻器,使測量電路中的電流逐漸增大,并讀出多組U、I值,填入已設計好的表格中;
【例1】實驗室中現(xiàn)有器材如實物圖5所示,有
圖5
電池,電動勢E約10 V,內阻約1 Ω;
電流表A1,量程10 A,內阻r1約0.2 Ω;
電流表A2,量程300 mA,內阻r2約5 Ω;
電流表A3,量程250 mA,內阻r3約5 Ω;
電阻箱R1,最大阻值999.9 Ω,阻值最小改變量為0.1 Ω;
滑動變阻器R2,最大阻值100 Ω;開關S,導線若干。
要求用圖6所示的電路測定圖中電流表A的內阻。
圖6
(1)在所給的三個電流表中,哪幾個可用此電路精確測出其內阻?
答:_______________________。
(2)在可測量的電流表中任選一個作為測量對象,在實物圖上連成測量電路。
(3)你要讀出的物理量是________。
用這些物理量表示待測內阻的計算公式是________。
【分析解答】(1)考查實驗儀器的選取
(2)考查電路連接
以A3為待測電流表為例,按“順電流法”連接,從電源正極出發(fā),對照電路圖依次往下連接,先串聯(lián),后并聯(lián),最后接電壓表,連接順序如圖7所示。
圖7
(3)考查實驗原理
【例2】從下表中選出適當?shù)膶嶒炂鞑?,設計一電路來測量電流表A1的內阻r1,要求方法簡捷,測量精度盡可能高,并能測得多組數(shù)據(jù)。
器材(代號)規(guī)格電流表(A1)電流表(A2)電壓表(V)電阻(R1)滑動變阻器(R2)電池(E)開關(K)導線若干量程10 mA,內阻r1待測(約40 Ω)量程500 μA,內阻r2=750 Ω量程10 V,內阻r3=10 kΩ阻值約100 Ω,作保護電阻用總電阻約50 Ω電動勢約1.5 V,內阻很小
(1)在圖8虛線方框中畫出電路圖,標明所用器材的代號;
圖8
(2)若選用測量數(shù)據(jù)中的一組來計算r1,則所用的表達式為r1=________,式中各符號的意義是:________。
【分析解答】(1)考查儀器選取、電路設計及誤差分析
電路圖及所用器材如圖9所示。
圖9
(2)考查實驗原理
由于A1兩端的電壓可由A2測出,則U=I2r2
式中I1表示通過電流表A1的電流,
I2表示通過電流表A2的電流,
r2表示電流表A2的內阻。
【例3】圖10為用伏安法測量一個定值電阻阻值的實驗所需的器材實物圖,器材規(guī)格如下:
圖10
(1)待測電阻Rx(約100 Ω)
(2)直流毫安表(量程0~10 mA,內阻50 Ω)
(3)直流電壓表(量程0~3 V,內阻5 kΩ)
(4)滑動變阻器(阻值范圍0~15 Ω,允許最大電流1 A)
(5)直流電源(輸出電壓4 V,內阻忽略不計)
(6)電鍵一個,導線若干條
根據(jù)器材的規(guī)格和要求,在本題的實物圖上連線
【分析解答】此題考查電路設計及電路連接
由于待測電阻的阻值接近毫安表,屬于小電阻,因而測量電路采用外接法,又因Rx>R滑,所以控制電路應采用分壓式,電路連接如圖11所示。
圖11
【例4】某電壓表的內阻在20 kΩ~50 kΩ之間,現(xiàn)要測量其內阻。實驗室提供下列可選用的器材:
待測電壓表V(量程3 V)
電流表A1(量程200 μA)
電流表A2(量程5 mA)
電流表A3(量程0.6 A)
滑動變阻器R(最大阻值1 kΩ)
電源E(電動勢4 V)
開關K
(1)所提供的電流表中應選用________(填寫字母代號)
(2)為了盡量減小誤差,要求多測幾組數(shù)據(jù),試在圖12的方框中畫出符合要求的實驗電路圖(其中電源和電鍵及其連線已畫出)
圖12
【分析解答】(1)考查儀器選取
(2)考查電路設計
因Rx>R滑,所以控制電路應采用分壓式;為了測出流過電壓表的電流,則電流表A1應與電壓表串聯(lián),電路設計如圖13。
圖13
關于“伏安法測電阻”的典型試題還有很多,在此不再一一列舉。研究高考實驗題的考查點,有利于把握高考實驗題的命題思想,提高實驗題復習的針對性,避免盲目性,進而提高高考的復習效率。