設計型電學實驗題的分類與解答思路
2008-01-01 00:00:00岑忠
物理教學探討 2008年3期
設計型電學實驗題考查考生對實驗原理的認識及理解、實驗器材的選取、步驟的合理安排、實驗操作、數據分析處理及結論的得出等一系列知識和能力。試題具有考查方式新、考察內容廣和能力要求高的特點，受到命題者的高度青睞，設計型實驗題已將電學實驗的考查推向了更新的高度。本文就以高考電學實驗題為例進行分類解析，供讀者參考。
1 提供器材及實驗原理型試題
這類試題直接給出實驗器材和實驗原理或試題本身已經設計出實驗方案，且已完成實驗的某些步驟，要求考生根據題意進一步完成實驗。
解答思路：學會遷移，突破難點。即根據實驗原理、題設要求和題設條件，整理加工信息和隱含條件，將教材相關實驗的做法和知識有效地遷移到題目中，得出合理方案。
例1 (2007年上海單科16題)某同學設計了如圖1所示電路研究電源輸出功率變化情況。電源E電動勢、內電阻恒定，R1為滑動變阻器，R2、R3為定值電阻，A、V為理想電表。
(1)若滑動片P由a滑至b時A示數一直變小，則R1和R2必須滿足的關系是_______。
(2)若R1=6Ω，R2=12Ω，電源內電阻r=6Ω，當滑動片P由a滑至b時，電源E的輸出功率P隨外電路總電阻R的變化關系如圖2所示，則R3的阻值應該選擇________
A．2ΩB．4ΩC．6ΩD．8Ω
解析 本題考查“電壓和電源輸出功率的變化規律”知識點，重在電路分析，突破點為○A的示數一直變小，導致總電阻一直增大。
2 提供實驗原理、自主選擇器材型試題
這類試題提供實驗原理，給出一些器材，讓考生根據實驗原理設計實驗電路圖，選擇所需實驗器材，連接實物圖，完成實驗。
解答思路：尋果追因，逆向思維。即根據實驗原理，結合實驗的目的和要求，從結果或結論出發尋找條件，由此確定解題路徑，用逆向思維的方法設計出方案。
例2 (2007年山東理綜23題)檢測一個標稱值為5Ω的滑動變阻器。可供使用的器材如下：
A、待測滑動變阻器Rx，全電阻約5Ω(電阻絲繞制緊密，匝數清晰可數）
B、電流表A1，量程0．6A，內阻約0．6Ω；
C、電流表A2，量程3A，內阻約0．12Ω；
D、電壓表V1，量程15V，內阻約15kΩ；
E、電壓表V2，量程3V，內阻約3kΩ；
F、滑動變阻器R，全電阻約20Ω；
G、直流電源E，電動勢3V，內阻不計；
H、游標卡尺； I、毫米刻度尺；
J、電鍵； S、導線若干。
(1)用伏安法測定Rx的全電阻值，所選電流表_____(填“A1”或“A2”)，所選電壓表為______(填“V1”或“V2”)
(2)畫出測量電路的原理圖，并根據所畫原理圖將圖3中實物連接成測量電路。
(3)為了進一步測量待測量滑動變阻器電阻絲的電阻率，需要測量電阻絲的直徑和總長度，在不破壞變阻器的前提下，請設計一個實驗方案，寫出所需器材及操作步驟，并給出直徑和總長度的表達式。
解析 題目所提供實驗原理為用伏安法測量Rx，通過進一步計算確定所選的電壓表和電流表；測量電阻率，可通過數滑動變阻器圈數和測量變阻器陶瓷管內外部直徑之差求出電阻絲直徑及總長。
(1)因為需測量的是Rx的全電阻，則電流
小于A2表的滿偏值的23，故選A1表，因電動勢E=3V＜23×15V=10V，故選V2表。
(2)因滑動變阻器R約為20Ω，而Rx為5Ω，阻值相差不大，變阻器R有分壓法和限流法兩種接法(圖4為用分壓法設計原理圖和對應的實物連接圖)。
(3)需要的器材：游標卡尺。
主要操作步驟：
①數出變阻器線圈繞匝數n；
②用游標卡尺測量變阻器線圈的外徑D1和瓷管部分的外徑D2，可得電阻絲的直徑為d=D1-D22，電阻絲總長度l=nπ2(K1+D2)；
③重復測量三次，求出電阻的直徑和總長度的平均值。
3 綜合設計型試題
不提供實驗原理，只給出實驗可能用到的器材，要求考生根據所學知識，自行設計實驗電路，選擇所需的器材，完成實驗。要求實驗方法盡量簡便、合理，實驗結果更加精確。
解答思路：根據題設要求，將所給的器材或條件進行組合，考慮用教材中常用的測量方法或類似教材測量方法進行測量，完成實驗設計。
例3 (05年全國理綜Ⅰ 22題)測量電源B的電動勢E及內阻r(E約為4．5V，r約為5Ω)。器材：量程為3V的理想電壓表○V，量程為0．8A的電流表○A(具有一定內阻)，固定電阻R=4Ω，滑線變阻器R′，開關S，導線若干。
①畫出實驗電路原理圖，圖中各元件需用題目中給出的符號或字母標出。
②實驗中，當電流表示數為I1時，電壓表讀數為U1；當電流表讀數為I2時，電壓表讀數為U2，則可以求出E=______，r=______。(用I1、I2、Ul、U2及R表示)
解析 從題設知，可用伏安法測電動勢和內阻。理想電壓表的量程為3V，待測的電源電動勢約為4．5V，所以電壓表不能直接接到電源的兩端，要考慮用定值電阻與電池串連，以增大內阻、減小路端電壓，滑線變阻器的作用是控制電路中的電流，應該用限流法。電流表有一定的內阻，為減小內阻測量誤差，電流表應用內接法。設計出的電路圖如圖5所示。
由閉合電路歐姆定律，有：
E=U1+I1（R+r)，E=U2+I2(R+r)
結合上兩式解得
E=I1U2-I2U1I1-I2，r=U2-U1I1-I2-R
設計型電學實驗題對學生的能力要求較高，培養學生分析與解決這類題的能力不是一蹴而就的，必須遵循循序漸進的原則，在備考過程中加強方法指導，讓學生在訓練中體會設計思想，逐步掌握解答這類題的方法和技巧。
(欄目編輯王柏廬)
注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。
