如何做好高考電學(xué)實(shí)驗(yàn)

電學(xué)實(shí)驗(yàn)是高考物理的必考題，也是考生失分較多的題型，分值占10分左右，是高考命題的重要組成部分.考查的內(nèi)容有實(shí)驗(yàn)的使用操作方法以及注意事項(xiàng)，實(shí)驗(yàn)器材的選擇、儀器和儀表的使用與讀數(shù)、實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原理和實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理、有關(guān)誤差的分析方法和結(jié)論等等.這部分的內(nèi)容是高中物理的難點(diǎn)和重點(diǎn)，因此要引起教師和學(xué)生的高度重視.

一、實(shí)驗(yàn)電路注意事項(xiàng)

1． 限流、分壓的選擇．

a． 選擇分壓的方法：（1）實(shí)驗(yàn)電路要求電壓或電流從零開(kāi)始可連續(xù)調(diào)節(jié)時(shí)；（2）當(dāng)待測(cè)電阻Rx >>R滑 時(shí) ；（3）因?yàn)榉謮赫{(diào)節(jié)電壓的范圍在（0—E）變化，而限流接法的電壓調(diào)節(jié)的范圍在[ERx /(Rx+ R滑)—E]之間，所以當(dāng)限流接法的最小電壓（或最小電流）偏大，會(huì)造成待測(cè)電阻Rx（如燈泡等）、電流表、電壓表燒毀時(shí).b． 選擇限流的方法：當(dāng)待測(cè)電阻Rx接近R滑或者Rx略小于R滑時(shí).c． 當(dāng)兩種方法均可時(shí)，一般采用限流接法，因?yàn)檫@種接法功率損耗較小.

2． 電流表內(nèi)外接法的選擇（大內(nèi)小外）．

a． 當(dāng) Rx>■ 時(shí)，應(yīng)采用內(nèi)接電路，此時(shí)電阻的測(cè)量值比真實(shí)值大，造成誤差的原因是電流表的分壓作用（簡(jiǎn)稱大內(nèi)，意思是待測(cè)電阻大時(shí)則采用電流表內(nèi)接法）；b． 當(dāng)Rx<■ 時(shí)，應(yīng)采用外接電路，此時(shí)電阻的測(cè)量值比真實(shí)值小，造成誤差的原因是電壓表的分流（簡(jiǎn)稱小外，意思是待測(cè)電阻小時(shí)則采用電流表外接法，）；c． 當(dāng)Rx=■ 時(shí)，兩種方法均可.

3．實(shí)驗(yàn)器材的選擇原則：

a． 安全性原則：通過(guò)電源、電表、滑動(dòng)變阻器等器件電流不能超過(guò)其最大允許電流等。b． 準(zhǔn)確性原則：選用電表量程應(yīng)盡可能減少測(cè)量值的誤差，電壓表和電流表盡可能使指針有較大偏轉(zhuǎn)（一般取滿偏的1/3-2/3左右），使用多用電表歐姆檔時(shí)要選用指針盡可能在中間刻度附近的倍率檔位。c． 便于操作原則：實(shí)驗(yàn)時(shí)需考慮調(diào)節(jié)方便，且便于操作.

二、測(cè)定金屬絲的電阻率的實(shí)驗(yàn)(可以采用限流或分壓電路)

實(shí)驗(yàn)原理：先用伏安法測(cè)出金屬的電阻R，再用螺旋測(cè)微器測(cè)出金屬絲的直徑d，然后用刻度尺測(cè)出金屬絲長(zhǎng)度L，根據(jù)公式R=ρL/S，S為橫截面積，S=1/4лd2，所以電阻率ρ=SR/L即ρ=■.

【例1】（2012年天河區(qū)普通高中畢業(yè)班綜合測(cè)試三）（測(cè)量某合金電阻絲的電阻率ρ的實(shí)驗(yàn)中，截取一段該電阻絲拉直后固定在絕緣的米尺上，米尺兩端各有一個(gè)固定的接線柱A和B，米尺上有一個(gè)可沿米尺滑動(dòng)的接線柱C.實(shí)驗(yàn)的主要步驟如下：

①連接電路前，該同學(xué)用螺旋測(cè)微器在電阻絲上幾個(gè)不同的部位測(cè)量它的直徑，某次測(cè)量其刻度位置如圖所示，讀數(shù)d = ____________mm；

②用筆畫(huà)線代替導(dǎo)線將圖2中提供的器材連成完整的實(shí)驗(yàn)電路；

③移動(dòng)接線柱C，記錄 ；

④閉合開(kāi)關(guān)，讀出電壓表、電流表的示數(shù)，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)；

⑤重復(fù)③④的操作；

⑥根據(jù)電表的示數(shù)，計(jì)算出與L值相對(duì)應(yīng)的五組R值，如圖3所示.請(qǐng)根據(jù)該實(shí)驗(yàn)表格數(shù)據(jù)在圖丙中的坐標(biāo)紙上描出該合金電阻絲的R-L 圖線.該圖線的斜率表4示 (用R、ρ、d、π中的某些量表示).

解析：因?yàn)槁菪郎y(cè)微器的主尺應(yīng)該讀0，整個(gè)讀數(shù)為0.400mm； 把電壓表最后連線，且因?yàn)檫@個(gè)電路沒(méi)有滑動(dòng)變阻器，所以只能采用串聯(lián)電路； 由R=ρL/S 、S=1/4лd2 可知ρ=■ ，直徑d已經(jīng)測(cè)出，電阻R由伏安法測(cè)出，因此要測(cè)量接入電路中金屬絲的有效長(zhǎng)度L；ρ= ■可知R=■L，所以該圖線的斜率表示■.

答案：0.400 接入電路中金屬絲的有效長(zhǎng)度

L■

三、測(cè)定電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)原理：由閉合電路歐姆定律Ｅ＝Ｕ＋I(xiàn)ｒ可知：只要測(cè)出兩組U和I的值，通過(guò)解方程組Ｅ＝Ｕ1＋I(xiàn)1ｒ①，Ｅ＝Ｕ2＋I(xiàn)2ｒ②，可求出E和r的值.

【例2】（2012佛山二模）莉莉同學(xué)為了測(cè)一節(jié)干電池的電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)電阻r.

①她先用多用電表估測(cè)電動(dòng)勢(shì)E.將選擇開(kāi)關(guān)旋至直流2.5V檔，紅、黑表筆與干電池的正、負(fù)極相接，此時(shí)指針?biāo)肝恢萌鐖D丙所示，則此時(shí)多用表的讀數(shù)為_(kāi)______V.

②莉莉再用伏安法更精確地測(cè)量該干電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻，實(shí)驗(yàn)電路如圖8所示.請(qǐng)你用實(shí)線代替導(dǎo)線在圖戊中連接好實(shí)物，要求變阻器的滑動(dòng)頭向右滑動(dòng)時(shí)，其電阻值變大.

③由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的7組數(shù)據(jù)已在圖己的U-I圖上標(biāo)出，請(qǐng)你完成圖線.由圖像可得E＝_______V（保留三位有效數(shù)字），r＝_______Ω（保留兩位有效數(shù)字）.若取圖己中的第2、3兩組數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算E和r，則比用上述圖像法測(cè)得電動(dòng)勢(shì)_______，內(nèi)電阻_____（填“偏大”或“偏小”）.

解析：量程為2.5V，則一大格為0.5V，最小分度為0.05 V，最小分度逢5估讀到本位，所以讀數(shù)為1.45 V；連線請(qǐng)按電路圖連接；在U-I圖像中縱軸的截距表示電源的電動(dòng)勢(shì)，而斜率的絕對(duì)值表示為電源的內(nèi)電阻.采用圖8的電路圖時(shí)測(cè)得電動(dòng)勢(shì)偏小，內(nèi)電阻偏小.

答案：① 1.45±0.01（2分）（有效數(shù)字位數(shù)不對(duì)的，不給分）②連線如圖11（3分） （每條連線各1分，接錯(cuò)位置或量程的不給分）③圖12（1分） （畫(huà)折線不給分） 1.49±0.01（2分） 1.0～1.1（2分） 偏小（1分） 偏小（1分）

四、描繪小燈泡的伏安特曲線的實(shí)驗(yàn)（此實(shí)驗(yàn)通常采用分壓接法）

實(shí)驗(yàn)原理：金屬導(dǎo)體的電阻率隨溫度的升高而增大，導(dǎo)致金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度的升高而增大。以電流I為縱坐標(biāo)，以電壓U為橫坐標(biāo)，描繪出小燈泡的伏安特性曲線I—U圖像，是一條平滑的曲線.

【例3】(2012年惠州一模理綜)在做“描繪小燈泡的伏安特曲線”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，所用器材有：電動(dòng)勢(shì)為6V的電源，額定電壓為2.5V的小燈泡，以及符合實(shí)驗(yàn)要求的滑動(dòng)變阻器、電流表、電壓表、開(kāi)關(guān)和導(dǎo)線，要求能測(cè)出盡可能多的數(shù)據(jù)，圖13是沒(méi)有連接完的實(shí)物電路.

① 畫(huà)出該實(shí)驗(yàn)電路圖，并將實(shí)物電路連接完整.

② 移動(dòng)滑片P到某處，電壓表的示數(shù)為2.2V，若要測(cè)量小燈泡的額定功率，應(yīng)將滑片P向 （填“左”或“右”）端滑動(dòng).

③ 通過(guò)移動(dòng)滑片P，分別記下了多組對(duì)應(yīng)的電壓表和電流表的示數(shù)，并繪制成了如圖14所示的U-I圖線，根據(jù)U-I圖線提供的信息，可計(jì)算出小燈泡額定功率為 W.

④ 圖線是曲線而不是過(guò)原點(diǎn)的直線，原因是 .

解析：描繪小燈泡的伏安特曲線”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，一般采用分壓接法，由U-I圖像可知，不接入電源時(shí)（接近于燈泡在較小的電壓、較小的電流時(shí)）小燈泡的電阻約為10Ω，這是個(gè)小電阻，所以采用電流表外接法；因?yàn)樾襞莸念~定電壓為2.5 V，所以燈泡兩端的電壓要變大，應(yīng)將滑片P向右端滑動(dòng)；小燈泡的電壓在額定電壓2.5 V時(shí)，此時(shí)的電流為0.2A，可計(jì)算出小燈泡額定功率為0.5W；圖線是曲線而不是過(guò)原點(diǎn)的直線，原因是燈絲的電阻會(huì)隨溫度的升高而增大.

答案：(2). ① 如圖15所示（4分） ② 右（1分）

③ 0.5 （2分）④ 燈絲的電阻會(huì)隨溫度的升高而增大（2分）

五、等效替代法測(cè)電阻的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)原理：先將單刀雙擲開(kāi)關(guān)與待測(cè)電阻接通，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使電路電流表或電壓表有一個(gè)很好的讀數(shù)，并將此讀數(shù)記下；再將單刀雙擲開(kāi)關(guān)與變阻箱接通，調(diào)節(jié)變阻箱，直到電流表或電壓表讀數(shù)和第一次的讀數(shù)一致，此時(shí)可以看出整個(gè)電路接入待測(cè)電阻和接入變阻箱效果是一樣的，所以變阻箱的讀數(shù)就是待測(cè)電阻的電阻值.

【例4】（2012年廣東高考理綜）（1）某同學(xué)測(cè)量一個(gè)圓柱體的電阻率，需要測(cè)量圓柱體的尺寸和電阻.①分別使用游標(biāo)卡尺和螺旋測(cè)微器測(cè)量圓柱體的長(zhǎng)度和直徑，某次測(cè)量的示數(shù)如圖17（a）和圖17（b）所示，長(zhǎng)度為_(kāi)____cm，直徑為_(kāi)____mm.

②按圖17（c）連接電路后，實(shí)驗(yàn)操作如下：（a）將滑動(dòng)變阻器R1的阻值置于最_____處（填“大”或“小”）；將S2撥向接點(diǎn)1，閉合S1，調(diào)節(jié)R1，使電流表示數(shù)為I0；

（b）將電阻箱R2的阻值調(diào)至最______（填“大”或“小”）；將S2撥向接點(diǎn)2；保持R1不變，調(diào)節(jié)R2，使電流表示數(shù)仍為I0，此時(shí)R2阻值為1280Ω；

③由此可知，圓柱體的電阻為_(kāi)____Ω.

解析：游標(biāo)卡尺讀數(shù)規(guī)則：（1）以游標(biāo)零刻線位置為準(zhǔn)，在主尺上讀取厘米數(shù)和毫米數(shù)（2）看游標(biāo)上哪條刻線與主尺上的某一刻線對(duì)齊，由游標(biāo)上讀出毫米以下的小數(shù)（3）總的讀數(shù)為主尺上讀數(shù)加上毫米小數(shù)（游標(biāo)卡尺不估讀），所以圖a的讀數(shù)為5.01cm；螺旋測(cè)微器讀數(shù)規(guī)則：在固定刻度上讀取毫米整數(shù)、半毫米數(shù)（注意0.5毫米的短線是否露出），然后從可動(dòng)刻度上讀取讀取剩余部分（因?yàn)榭蓜?dòng)刻度是10分度，所以在最小刻度后必須再估讀一位），再把兩部分讀數(shù)相加，得測(cè)量值。讀數(shù)=整毫米數(shù)+（半毫米數(shù)）+估讀小數(shù)部分，所以螺旋測(cè)微器讀數(shù)5.315mm；為了保護(hù)電路，使電路電流最小，所以將滑動(dòng)變阻器R1的阻值置于最大處，將電阻箱R2的阻值調(diào)至最大；根據(jù)等效替代法測(cè)電阻原理可知圓柱體的電阻等于R2=1280Ω.

答案：（1）① 5.01 5.315 ②（a）大（b）大 ③ 1280

當(dāng)然，高考電學(xué)實(shí)驗(yàn)題并不局限于以上幾種類型，但是在備考過(guò)程中，師生們必須對(duì)考綱中要求的實(shí)驗(yàn)非常熟練地理解和掌握，當(dāng)面對(duì)新的題型時(shí)，才能夠靈活地解決相關(guān)的實(shí)驗(yàn)題.

（作者單位：梅州市豐順中學(xué)）

責(zé)任編校 李平安