江蘇 呂朝陽

(作者單位：江蘇省前黃高級中學(xué)國際分校)

高考所考查的電學(xué)實驗題由于涉及的知識點較多，綜合性較強(qiáng)，對學(xué)生能力的要求較高，因此實驗題的解答一直是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點。在電學(xué)實驗中，高考一般重點考查器材選擇、電路設(shè)計、實物連線、數(shù)據(jù)處理和誤差分析等幾個方面，本文以“描繪小燈泡伏安特性曲線”實驗為例，探討如何把握方法，突破難點，提升學(xué)生電學(xué)實驗的解題能力。

【例題】某同學(xué)研究小燈泡(額定電壓3.8 V，額定功率1.9 W)的伏安特性，除了導(dǎo)線和開關(guān)外，有以下一些器材可供選擇：電流表A1(量程0.3 A，內(nèi)阻約0.1 Ω)，電流表A2(量程0.6 A，內(nèi)阻約0.5 Ω)，電壓表V1(量程5 V，內(nèi)阻約5 kΩ)，電壓表V2(量程15 V，內(nèi)阻約15 kΩ)，滑動變阻器R1(阻值0～10 Ω)，滑動變阻器R2(阻值0～200 Ω)，電源E(電動勢4 V，內(nèi)阻約0.04 Ω)。

(1)為了調(diào)節(jié)方便，測量準(zhǔn)確，實驗中應(yīng)選用電流表________，電壓表________，滑動變阻器________；(填器材的符號)

(2)請在圖1的方框中畫出你設(shè)計的、符合實驗要求的電路圖，要標(biāo)出選用的器材符號；

圖1

(3)請在圖2中按照設(shè)計的電路圖用實線代替導(dǎo)線連接實物；

圖2

(4)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，描繪出如圖3所示的I-U圖像。由圖像可知，此燈泡在不工作時，燈絲電阻為________Ω；當(dāng)所加電壓為3.00 V時，燈絲電阻為________Ω，燈泡實際消耗的電功率為________W；

圖3

(5)用電動勢4.0 V、內(nèi)阻為10 Ω的電源E0接在該小燈泡兩端，如圖4所示，則閉合開關(guān)S后，小燈泡的實際功率為________W。(以上結(jié)果均保留兩位小數(shù))

難點突破1 器材(量程或擋位)的選擇

選擇器材時，一般遵循安全性、準(zhǔn)確性和可操作性的原則。具體到電學(xué)實驗中：

(1)對電流表和電壓表來說，指針指在滿偏的三分之一到滿偏之間的讀數(shù)是比較準(zhǔn)確的，所以在選擇電流表、電壓表，或選擇合適的量程時，要讓指針指在滿偏的三分之一到滿偏之間。如果所提供的器材中沒有符合要求的電壓表或電流表，一般來說都會給出定值電阻或電阻箱，以便可以改裝電表，達(dá)到實驗的要求。

(2)對歐姆表(或多用電表的電阻擋)來說，指針指在中值電阻附近是比較準(zhǔn)確的，如果不符合要求，則須換擋，且在換擋后進(jìn)行“歐姆調(diào)零”，直至測電阻時指針指在中值電阻附近為止。

(3)對滑動變阻器來說，在滿足額定電流的前提條件及沒有特殊需要的情況下，滑動變阻器采用“限流接法”時，選用總阻值跟待測元件阻值比較接近的滑動變阻器；滑動變阻器采用“分壓接法”時，選用總阻值較小的滑動變阻器。

難點突破2 電路的設(shè)計

一般來說，電路的設(shè)計主要考慮以下兩個問題：

(1)電流表采用安培表“外接法”還是安培表“內(nèi)接法”。當(dāng)待測元件的阻值遠(yuǎn)小于電壓表內(nèi)阻時，一般選用安培表“外接法”；當(dāng)待測元件的阻值遠(yuǎn)大于電流表內(nèi)阻時，一般選用安培表“內(nèi)接法”，也可以總結(jié)為“大內(nèi)小外”，即測量大電阻時選用安培表“內(nèi)接法”，測量小電阻時采用安培表“外接法”。

本題的第(2)問中，由于小燈泡的阻值遠(yuǎn)小于電壓表的內(nèi)阻，故采用“安培表外接法”；描繪小燈泡的伏安特性曲線時，小燈泡兩端的電壓要求從零開始連續(xù)變化，故滑動變阻器采用“分壓接法”，設(shè)計的電路如圖5所示。

圖5

難點突破3 實物的連線

根據(jù)設(shè)計的電路圖進(jìn)行實物連線時，除了要注意電表的正負(fù)接線柱以外，學(xué)生最容易出現(xiàn)的錯誤就是當(dāng)滑動變阻器采用“分壓接法”時的連線。為解決這個問題，總結(jié)如下：滑動變阻器采用“限流接法”時的連線方式歸納為“一上一下”——滑動變阻器上面兩個接線柱中只接其中一個，下面的兩個接線柱中也是只接其中一個；滑動變阻器采用“分壓接法”時的連線方式可以歸納為“一上三下”——滑動變阻器上面兩個接線柱中只接其中一個，下面的兩個接線柱中分別接一次和兩次，如圖6所示。在具體操作中，滑動變阻器分壓接法的“三下”可為直接的“三下”，也可以是間接的“三下”(后面會加以說明)。

圖6

在實物連線時有兩個細(xì)節(jié)需要注意：一是要按照一定的步驟連線。如圖7所示，將該電路分成三個部分，第一步是連接滑動變阻器(下面兩個接線柱)、電源和開關(guān)；第二步是將滑動變阻器滑片左端或右端電阻兩端的電壓“分”給待測元件，即將小燈泡、電流表串聯(lián)后連接在滑動變阻器上面一個接線柱和下面一個接線柱之間；第三步是將電壓表并聯(lián)接在小燈泡兩端。依據(jù)以上分析，本題第(3)問中的實物連線如圖8所示。其中，連接粗實線a時，是直接的“三下”——直接在滑動變阻器下端的兩個接線柱上接三次，去掉a連接虛線b時，是間接的“三下”。

圖7

圖8

難點突破4 圖像的應(yīng)用

本題的(4)(5)兩問考查的都是圖像應(yīng)用，其中第(5)問是難點。解決這類問題的方法是首先應(yīng)將圖4電路中小燈泡兩端的電壓設(shè)為U，流過小燈泡的電流設(shè)為I，寫出I與U之間的關(guān)系式U=E0-Ir=4-10I，變形為I=0.4-0.1U，然后在圖3中畫出I=0.4-0.1U的函數(shù)圖線，該圖線與小燈泡的伏安特性曲線有一個交點，如圖9所示。由于該交點既滿足小燈泡自身的“伏安特性”，又滿足圖4電路中小燈泡的I-U關(guān)系，則該點所對應(yīng)的電流值與電壓值的乘積必然是此時小燈泡實際消耗的功率。據(jù)此可得此時小燈泡實際消耗的功率約為0.40 W。

圖9

【拓展突破】類似本題第(5)問的考查方式還有多種——將相同的一個或多個小燈泡分別連接在如圖10甲、乙、丙、丁所示的電路中，求此時小燈泡的實際功率(圖丁已知滑動變阻器的最大阻值為Rm，求小燈泡電功率的最大值和最小值)。但萬變不離其宗，其思維方法均與上述相同——假設(shè)每一盞燈泡兩端的電壓為U，通過的電流為I，寫出對應(yīng)電路的I與U之間的關(guān)系式，在圖3中分別畫出對應(yīng)圖線，找出交點即可。上述四個電路中I與U之間關(guān)系式的推導(dǎo)過程分別為：

甲

【結(jié)語】電學(xué)實驗難度雖大，但依然是有法可循，只要能把握上述的一些基本方法，就可以突破難點，順利解題。比如，在滿足額定電流的前提條件下，“限流接法”一般選用總阻值與待測阻值接近的滑動變阻器，“分壓接法”一般選用總電阻較小的滑動變阻器；在連實物圖時要按照一定的步驟和順序進(jìn)行連線，且掌握滑動變阻器限流接法“一上一下”和分壓接法“一上三下”的連線方法；在利用圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，要根據(jù)原理得出縱橫坐標(biāo)物理量之間的函數(shù)關(guān)系式等。