電學實驗專題突破

物理是一門實驗學科，高考實驗題承載著考查學生的實驗思想、實驗方法、實驗素養及實驗操作能力等，由于電學實驗題能夠很好的考查考生的實驗素養，因此一直是高考考查的熱點.電學實驗題可分為伏安法測電阻、測電池的電動勢和內阻、多用電表的使用有三種類型.對于電學實驗，應注意以下幾點：

1. 電流表的內接與外接.由于電流表、電壓表內阻的影響，不管采用電流表內接還是外接，都將引起實驗誤差.內接的實驗誤差是由于電流表的分壓作用而產生的，由串聯電路中電壓與電阻成正比可知，當RA<>Rx時，電壓表的分流作用可以忽略不計，此時測量值很接近真實值，可見測量小電阻時宜采用電流表外接法.

2. 滑動變阻器的連接方式.在用滑動變阻器作為控制電路時，限流電路一般選用最大阻值和待測電阻阻值相差不多或大幾倍（在2-5倍最好）的滑動變阻器，這樣既便于調節，又使得待測電阻兩端電壓的變化范圍比較大，過小不能有效的控制電流，過大則會造成電流值跳躍太大；分壓電路一般選用最大阻值小于待測電阻阻值（在0.1-0.5倍之間為好）的滑動變阻器，阻值小些便于操作.限流電路和分壓電路的選擇可參考以下幾點：（1）待測電阻兩端電壓要求變化范圍較大，或要求從零連續可調時，應選擇分壓電路；（2）如果采用限流電路，電路中的最小電流大于電流表量程或待測電阻的額定電流時，則應選擇分壓電路；（3）如果滑動變阻器的最大阻值比待測電阻小的多，為了能使待測電阻兩端電壓有較大變化，則應選擇分壓電路；（4）如果滑動變阻器的阻值與待測電阻的阻值相差不多，兩種電路都可以對待測電阻的電壓和電流進行有效、方便的控制，則可以任選其中一種控制電路，此時應優先選用限流電路，因為限流式接法總功率較小.

3. 電表量程選擇.電表量程選擇應同時兼顧安全性和準確性原則.通過電源、電表、滑動變阻器、用電器的電流不能超過其允許的最大電流；在保證電表安全的前提下，盡量選擇小量程，因為指針偏轉角度越大，測量誤差越小，一般要使指針偏轉在滿偏角度的1/3以上.

4. 實物連線.依據電路原理圖進行實物連線時，應注意以下幾點：（1）連接電表應注意量程選擇正確，正負接線柱不要接錯；（2）各導線都應接在接線柱上，不應在導線中間出現交叉；（3）對于滑動變阻器的連接，要搞清楚接入電路的是哪一部分，在接線時要特別注意不能將線接到滑動觸頭上；（4）用鉛筆畫線，以便改錯.連線方式一般先從電源正極開始，到開關，再到滑動變阻器等，安順序將干路中要串聯的元件依次串聯起來，然后將要并聯的元件再并聯到電路中去.

一、練習使用多用電表

高中階段主要考查多用電表測電阻，其原理是閉合電路的歐姆定律，由于刻度不均勻，測電阻時不估讀，指針在中央附近時誤差較小.

【例1】 某同學測量一只未知阻值的電阻.他先用多用電表進行測量，按照正確的步驟操作后，測量的結果如圖①所示.請你讀出其阻值大小為_______Ω.為了使測量的結果更準確，該同學應將選擇開關打到__________（填“×100”或“×1”）擋，進行________檔調零后重新測量.

解析：多用電表所測電阻值為示數乘以倍率，即100Ω×10=1000Ω；由于指針偏轉角度很小，應當換大倍率的檔位，即將選擇開關打到×100擋；用多用電表測電阻前應進行歐姆檔調零，換檔必須重新進行歐姆檔調零后才能重新測量.

【點評】本題考查了多用電表測電阻操作的兩個關鍵環節，一是讀數；二是換檔與調零.

二、伏安法測電阻

伏安法測電阻的原理是歐姆定律R=，有很多電學實驗題可以轉化為伏安法測電阻，如測金屬絲的電阻率、描繪電阻的伏安特性曲線、測小燈泡的電功率等.

【例2】某物理興趣小組要精確測量一只電流表G（量程為1mA、內阻約為100Ω） 的內阻.實驗室中可供選擇的器材有：

電流表A1：量程為3mA，內阻約為200Ω；

電流表A2：量程為0.6A，內阻約為0.1Ω；

定值電阻R1：阻值為10Ω；

定值電阻R2：阻值為60Ω；

滑動變阻器R3：最大電阻20Ω，額定電流1.5A；

直流電源E：電動勢1.5V，內阻0.5Ω；

開關，導線若干.

（1）在方框中畫出你設計的實驗電路圖并注明所選儀器的代號.

（2）接照你設計的電路進行實驗，測得電流表A的示數為I1，電流表G的示數為I2，則電流表G的內阻的表達式為rg= .

解析：本題從給出的條件看仍是伏安法測電阻，伏安法電阻分電流表內接和外接兩種情況，控制電路滑動變阻器有限流式和分壓式兩種情況，共有四種組合，如圖3所示.

以上四個電路原理圖就是我們進行伏安法測電阻設計電路的思維起點，由于測電流表內阻約為100，而滑動變阻器的最大阻值為20，小于待測電阻阻值，控制電路中滑動變壓器采用分壓式連接，這部分好分析.

待測電流表的電流自身顯示，難點是如何測其兩端電壓，只給出了電流表且內阻準確值不知.電流表和電壓表本質是一樣，都是由電流表頭改裝而成，內阻已知的電流表可做電壓表用，內阻已知的電壓表可做電壓表用.這樣內阻不確定的電流表只能跟待測電流串聯，如圖④所示

題中給出的定值電阻，可用定值電阻與測待測電流表并聯，測其兩端電壓，如圖⑤所示

由上圖可知，通過定值電阻的電流為電流表示數減去待測電流表的示數，這樣就可計算出定值電阻兩端電壓，即待測電流表兩端電壓.由于待測電流表量程為1mA，因此所選電流表為量程是3mA的A1；根據待測電流表的大約阻值和并聯分流可知定值電阻選阻值為60的R2.所設計的測量電流表內阻的電路原理圖如圖⑥所示.

（2）由電路圖可得（I1-I2）R2=I2rg，解得電流表內阻為Rg=R2.

【點評】本題測電流表內阻，比較新穎，但本質仍是伏安法測電阻.電壓表和電流表是由電流表頭串聯分壓電阻和并聯分流電阻改裝而成，本質相同.內阻已知的電流表可作電壓表用；內阻已知的電壓表可作電流表用.

三、測電源的電動勢的內阻

測電源的電動勢和內阻的原理是閉合電路的歐姆定律E=U+Ir，在電源的U—I圖像中，圖線在縱軸上的截距等于電源的電動勢，斜率的絕對值在數值上等于電源的內阻.

【例3】（2012屆汕頭市模擬）某研究性學習小組利用圖甲所示電路測量電池組的電動勢E和內阻r.根據實驗數據繪出如圖⑥所示的R-圖線，其中R為電阻箱讀數，I為電流表讀數，由此可以得到：E=______V，r=______Ω.

解析：根據閉合電路歐姆定律，測量電源的電動勢和內電阻，需要得到電源的路端電壓和通過電源的電流，實驗原理圖如圖8所示.

在本實驗中沒有電壓表，但是可以用電阻箱和電流表串聯充當電壓表，測量電源的路端電壓，通過電流表的電流也是通過電源的電流，所以只需要將電流表和電阻箱串聯接在電源兩端即可，本實驗的原理如題中圖6（甲）所示.

由閉合電路歐姆定律有E=I（R+r），解得R=E-r，則R-圖像的斜率即為電池組電動勢的大小，即E=2.4（或2.5）V，圖象縱軸截距的絕對值為電池組的內阻r=1 Ω.

【點評】要明確圖線截距和斜率的物理意義，應寫出縱軸和橫軸所表示物理量的函數表達式.本題由于沒有考慮電流表內阻，故所測電池組內阻值比真實值偏大.

近幾年高考實驗試題的設計本著源于教材而不拘泥于教材的原則，力圖通過筆試的形式來考查學生的實驗能力，同時也希望通過考查一些簡單的設計性實驗來鑒別學生獨立解決新問題的能力和知識的遷移能力.因此教材中的實驗原理和方法是處理實驗問題的思維起點，在此基礎上進行轉化和遷移便可將實驗題迎刃而解.因此備考物理實驗題，一是要切實做好課本上的學生分組實驗，二是要弄懂實驗原理、掌握實驗方法.

（作者單位：山東省濱州市濱城區第一中學）

責任編校 李平安