把握六個關鍵要點，有效解答電學實驗

浙江

近幾年高考電學實驗題有兩個顯著的特點：其一，常規性考查，即基于教材中的電學實驗，著重考查實驗原理、實驗步驟、器材使用和誤差分析等；其二，創新性考查，即重視教材中的實驗原理和實驗方法的遷移和應用。因此，理解實驗原理，掌握實驗方法，把握實驗細節，提高實驗能力是解決電學實驗的關鍵。基于以上兩點，在電學實驗復習中，必須重視以下六個方面。

一、突破核心知識

伏安法是電學實驗的核心知識，其中“探究導體電阻與其影響因素的定量關系”“測定小燈泡的伏安特性曲線”和“測定電池的電動勢和內阻”等實驗都使用了伏安法。

1.測量電阻

伏安法測電阻時，用電壓表測出被測電阻兩端的電壓U，用電流表測出通過被測電阻的電流I，由歐姆定律求出被測電阻的阻值Rx：

2.四項選擇

圖1

圖2

(2)控制電路的選擇。選擇滑動變阻器時，既要注意實際通過的電流不得超過它的額定電流，也要注意當滑動變阻器的滑片稍有移動時電路中的電流、電壓的變化不能太大。滑動變阻器的兩種連接方式具體要求如下。

Ⅰ.分壓式接法，如圖3所示。

①若被測電阻的電壓變化范圍要求較大，且從零開始連續可調，則應選分壓式接法。

②若被測電阻的阻值Rx遠大于滑動變阻器總阻值R，則應選分壓式接法。

Ⅱ.限流式接法，如圖4所示。

①若被測電阻的阻值Rx小于滑動變阻器總阻值R或相差不多，且沒有要求電壓從零開始調節，則應選限流式接法。

②若兩種接法均可選用時，則優先選用限流式接法，因為限流式接法電路消耗的總功率小。

圖3

圖4

(3)電源選擇。根據待測電路的額定電流或額定電壓選擇符合需要的直流電源。

【例1】(2018年天津卷)某同學用伏安法測定待測電阻Rx的阻值(約為10 kΩ)，除了Rx、開關S、導線外，還有下列器材供選用：

A.電壓表(量程0～1 V，內阻約為10 kΩ)

B.電壓表(量程0～10 V，內阻約為100 kΩ)

C.電流表(0～1 mA，內阻約為30 Ω)

D.電流表(0～0.6 A，內阻約為0.05 Ω)

E.電源(電動勢1.5 V，額定電流0.5 A，內阻不計)

F.電源(電動勢12 V，額定電流2 A，內阻不計)

G.滑動變阻器R0(阻值范圍0～10 Ω，額定電流2 A)

(1)為使測量盡量準確，電壓表選用________，電流表選用________，電源選用________。(均填器材的字母代號)

(2)畫出測量Rx阻值的實驗電路圖________。

(3)該同學選擇器材、連接電路和操作均正確，從實驗原理上看，待測電阻測量值會________其真實值(填“大于”“小于”或“等于”)，原因是_________________________。

圖5

二、理解實驗原理

實驗原理是實驗的靈魂，一切與實驗有關的問題都是從實驗原理中派生出來的，只有正確理解和熟練掌握課本上每一個學生實驗的實驗原理和相關的操作要領，與之相應的實驗問題才能迎刃而解。因此，我們必須弄清課本上每一個學生實驗的原理，注意從這些原型實驗的原理中有意識地、積極地提取和積累一些有價值的思想和方法，熟練運用相關的電學規律及學過的實驗原理設計新實驗、解決新問題。

【例2】(2018年江蘇卷)一同學測量某干電池的電動勢和內阻。

(1)如圖6所示是該同學正準備接入最后一根導線(圖中虛線所示)時的實驗電路。請指出圖中在器材操作上存在的兩個不妥之處______________；______________。

圖6

R/Ω8.07.06.05.04.0I/A0.150.170.190.220.261I/A-16.76.05.34.53.8

(3)為了得到更準確的測量結果，在測出上述數據后，該同學將一只量程為100 mV的電壓表并聯在電流表的兩端。調節電阻箱，當電流表的示數為0.33 A時，電壓表的指針位置如圖8所示，則該干電池的電動勢應為________V；內阻應為________Ω。

圖7

圖8

【分析】本題變電壓表測電壓為通過電阻箱間接測電壓。雖然在實驗的方法上有所改變，但實驗的原理沒有變化。

(1)連接電路時電源應與電路斷開，開關應處于斷開狀態；在連接電路時，電阻箱的有效電阻應處于最大狀態。

(2)利用數據在坐標系內描點，并作出一條讓這些數據點盡可能通過或者靠近的傾斜直線，如圖9所示。

圖9

三、會用實驗儀器

實驗要求知道儀器性能、使用規則、操作要領和讀數方法，這類問題幾乎在每年的高考中都會出現。電學中主要儀器是“三表”。

3.歐姆表。測量時使指針盡可能停在表盤的中間位置附近，讀數時取兩位有效數字再乘以相應的倍率。使用多用電表測電阻時做到“四注意”。

(1)極性。從電表外部看，電流應從紅表筆(“+”極)流入電表，從黑表筆(“-”極)流出電表。

(2)功能。利用多用電表測電壓和電流時，選擇開關對應的是電表的量程；而測電阻時，選擇開關對應的是倍率。

(3)調零。測量電阻時，要進行兩次調零，即機械調零和歐姆調零。

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“機械零點”在表盤刻度左側“0”位置，調整的是表盤下邊中間的定位螺絲；“歐姆零點”在表盤刻度的右側電阻刻度“0”位置，調整的是歐姆調零旋鈕。

(4)保護。測電阻時，應把被測電阻從電路中拆下測量；多用電表長期不用時，必須取出表內的電池。

【例3】(2017年全國卷Ⅲ)如圖10為某同學組裝完成的簡易多用電表的電路圖。圖10中E是電池；R1、R2、R3、R4和R5是固定電阻，R6是可變電阻；表頭的滿偏電流為250 μA，內阻為480 Ω。虛線方框內為換擋開關，A端和B端分別與兩表筆相連。該多用電表有5個擋位，5個擋位為：直流電壓1 V擋和5 V擋，直流電流1 mA擋和2.5 mA擋，歐姆×100 Ω擋。

圖10

(1)圖10中的A端與________(填“紅”或“黑”)色表筆相連接。

(2)關于R6的使用，下列說法正確的是________(填正確答案標號)。

A.在使用多用電表之前，調整R6使電表指針指在表盤左端電流“0”位置

B.使用歐姆擋時，先將兩表筆短接，調整R6使電表指針指在表盤右端電阻“0”位置

C.使用電流擋時，調整R6使電表指針盡可能指在表盤右端電流最大位置

(4)某次測量時該多用電表指針位置如圖11所示。若此時B端是與“1”相連的，則多用電表讀數為________；若此時B端是與“3”相連的，則讀數為________；若此時B端是與“5”相連的，則讀數為________。(結果均保留3位有效數字)

圖11

【分析】這是一個有關如何使用多用表的問題，只有掌握了多用表的結構、原理，才能熟練解答。

(1)由使用多用表的規則可知，與多用表內電源正極相連的是黑表筆。

(2)R6是可變電阻，它的作用是歐姆表調零。使用歐姆擋時，先將兩表筆短接，調整R6使電表指針指在表盤右端電阻“0”位置，選項B正確。

(4)若此時B端與“1”相連，多用電表是量程為2.5 mA的電流表，則讀數為1.47 mA；若此時B端與“3”相連，多用電表是歐姆×100 Ω擋，則讀數為1 100 Ω；若此時B端與“5”相連，多用電表是量程為5 V的電壓表，則讀數為2.95 V。

四、理順設計思路

設計型實驗是指根據考查的實驗目的、要求和給出的器材，設計出實驗方案。設計型實驗注重考查學生的實驗思想、實驗方法及應用能力，考查凸現實驗原理在課本，實驗方法在課外的特點。設計型實驗多以伏安法為基點，以伏安法測電阻和伏安法測電源電動勢為落點展開。解答設計型實驗題時要注重以下兩點：

1.設計原則

(1)精確性。選擇實驗方案、儀器、儀表量程時，應盡可能減小實驗誤差。

(2)安全性。實驗要安全可靠，要注意電表不超量程、電阻不超最大允許電流和最大功率，電源不超最大允許電流。

(3)方便性。實驗應當便于操作，便于讀數，便于進行數據處理。

(4)節能性。實驗盡可能節約能源，節約經費。

2.設計思路

解決設計型實驗問題的關鍵是確定實驗原理，它是進行實驗設計的依據和起點，它決定應當測量哪些物理量、選擇哪些實驗儀器、如何安排實驗步驟、如何處理實驗數據等。實驗原理的確定，必須根據問題的要求和給出的條件，結合學過的物理實驗和有關的物理規律，設法創設相關的物理情景，從而確定實驗原理和相關的操作方法。

【例4】(2016年天津卷)某同學想要描繪標有“3.8 V，0.3 A”字樣小燈泡L的伏安特性曲線，要求測量數據盡量精確，繪制曲線完整，可供該同學選用的器材除了開關，導線外，還有：

電壓表V1(量程0～3 V，內阻等于3 kΩ)

電壓表V2(量程0～15 V，內阻等于15 kΩ)

電流表A1(量程0～200 mA，內阻等于10 Ω)

電流表A2(量程0～3 A，內阻等于0.1 Ω)

滑動變阻器R1(0～10 Ω，額定電流2 A)

滑動變阻器R2(0～1 kΩ，額定電流0.5 A)

定值電阻R3(阻值等于1 Ω)

定值電阻R4(阻值等于10 Ω)

定值電阻R5(阻值等于1 kΩ)

電源E(E=6 V，內阻不計)

(1)請畫出實驗電路圖，并將各元件字母代碼標在該元件的符號旁。

(2)該同學描繪出的I-U圖象應是下圖中的________。

A

B

C

D

【分析】(1)由于伏特表V1和V2的量程均不符合要求，因此需對V1進行改裝。用量程3 V的電壓表V1和R5串聯，改裝后量程為

通過小燈泡的最大電流為0.3 A，顯然，兩個電流表均不符合減小誤差的要求，需要進行改裝。取量程為200 mA的A1與定值電阻R4并聯，改裝后的量程為

由于要描繪小燈泡的伏安特性曲線，加在小燈泡兩端的電壓需從零開始，因此，滑動變阻器應接成分壓式接法，滑動變阻器的阻值應比較小，可選擇R1；由于待測小燈泡的阻值較小，因此采用電流表外接電路。這樣可以設計出如圖12所示的電路。

圖12

(2)由于小燈泡的電阻隨溫度升高而變大，故該同學描繪出的I-U圖線應該是B。

五、熟悉操作細節

在電學實驗中，實際操作的主要內容包括實物電路連線、電路元件的正確使用和實驗數據的處理等幾個方面。

1.實物電路連線

(1)整合。根據要求設計出的電路圖，盡可能讓各電路元件的相對位置與實物圖相吻合，這樣有利于連線。

(2)連線。在電路圖上對接線進行編號，并弄清各條導線兩端應接到哪個接線柱，而后，從電源出發沿著電流的流向對逐條導線進行連接。

(3)檢查。對照電路圖逐條檢查連線情況，檢查各元件的連接關系是否正確、電表的量程和正負極連接是否準確、變阻器的滑動觸頭是否處于恰當位置等。要注意兩根連線不能交叉、實驗連線時開關一定處于斷開狀態、連線應接到元件的接線柱上、直流電流表和電壓表應保證電流從“+”接線柱流入,從“-”接線柱流出等。

2.實驗數據處理

在電學實驗中，數據處理多用圖象法，處理時要特別注意以下幾點：

(1)標度合適。選擇合適的坐標標度值，使畫出的數據點盡可能散開，以利于作圖、分析和研究；

(2)連線科學。連線時盡量使數據點合理地分布在連線的兩側，畫線要細；

(3)明確含義。弄清圖線的點、斜率、截距和面積等的物理含義，以便研究橫坐標和縱坐標所代表的物理量之間的關系。

【例5】(2018年全國卷Ⅲ)一課外實驗小組用如圖14所示的電路測量某待測電阻Rx的阻值，圖中R0為標準定值電阻(R0=20.0 Ω)；可視為理想電壓表。S1為單刀開關，S2為單刀雙擲開關，E為電源，R為滑動變阻器。采用如下步驟完成實驗：

(1)按照實驗原理線路圖13，將圖14中實物連線；

圖13

圖14

(2)將滑動變阻器滑動端置于適當位置，閉合S1；

(3)將開關S2擲于1端，改變滑動變阻器動端的位置，記下此時電壓表的示數U1；然后將S2擲于2端，記下此時電壓表的示數U2；

(4)待測電阻阻值的表達式Rx=________(用R0、U1、U2表示)；

(5)重復步驟(3)，得到如下數據：

12345U1/V0.250.300.360.400.44U2/V0.861.031.221.361.49U2U13.443.433.393.403.39

【分析】實物連線如圖15所示。

圖15

六、把握創新脈搏

電學創新實驗題往往以電路的設計或者新增某種新電路元件等形式出現，它的主要特點是源于教材但又高于教材，雖然考試的形式有所創新，但是考核的實驗原理和實驗方法是中學教學中所要求的。解答創新實驗題時，要善于審清題意，明確實驗目的，有效捕獲題給的文字、圖表和器材中的信息，快速搭建與新實驗相對應的中學物理實驗的橋梁，有效地實現將教材中的學生實驗的實驗原理、方法進行遷移和應用。

【例6】(2015年重慶卷)同學們測量某電阻絲的電阻Rx，所用電流表的內阻與Rx相當，電壓表可視為理想電壓表。

圖16

(1)若使用圖16所示電路圖進行實驗，要使得Rx的測量值更接近真實值，電壓表的a端應連接到電路的________點(填“b”或“c”)。

(2)測得電阻絲的U-I圖如圖17所示，則Rx為________Ω(保留兩位有效數字)。

圖17

(3)實驗中，隨電壓進一步增加電阻絲逐漸進入熾熱狀態。某同學發現對熾熱電阻絲吹氣，其阻值會變化。他們對此現象進行探究，在控制電阻絲兩端的電壓為10 V的條件下，得到電阻絲的電阻Rx隨風速v(用風速計測)的變化關系如圖18所示。由圖可知當風速增加時，Rx會________(填“增大”或“減小”)。當風速增加過程中，為保持電阻絲兩端電壓為10 V，需要將滑動變阻器RW的滑片向________端調節(填“M”或“N”)。

圖18

(4)為了通過電壓表的示數來顯示風速，同學們設計了如圖19所示的電路。其中R為兩只阻值相同的電阻，Rx為兩根相同的電阻絲，一根置于氣流中，另一根不受氣流影響，為待接入的理想電壓表。如果要求在測量中，風速從零開始增加，電壓表的示數也從零開始增加，則電壓表的“+”端和“-”端應分別連接到電路中的________點和________點(均填“a”“b”“c”或“d”)。

圖19

【分析】本題將歐姆定律和伏安法測電阻原理應用到一個阻值隨風速變化的電阻上，雖然應用的原理和知識是大家所熟悉的，但它不失為一個創新型的實驗題。

(1)由于電流表有較大內阻，而電壓表是理想電壓表，故選擇電流表外接法可以減小測量誤差，所以電壓表的a端應連接到電路的c點。

(3)由圖18可知，風速增大后，Rx減小。當Rx減小，使電路總電阻減小，導致總電流增大，最后使得并聯部分的電壓減小，因此，滑動變阻器的滑片應向M端滑動才能使并聯部分的電壓重新增大到10 V。

(4)當風速為零時，電壓表的示數也為零，滿足Ucd=Ucb；當下端的Rx減小后，dc間的電壓減小，即d點電勢減小，有φd<φb，故電壓表的正接線柱接在b點，負接線柱接在d點。