解答電學實驗題的思維方法及備考策略

胡道成

新高考評價體系背景下的電學實驗題的命題方式是以教材基本實驗為載體，結合替代法測電阻、等效法測電阻、研究熱敏電阻阻值隨溫度變化、用傳感器制作簡單的自動控制裝置等來命制創新實驗題，其實，電學實驗題都是直接或間接的測電壓U和電流，，通過對實驗原理的理解、設計實驗電路、選擇實驗器材（遷移應用）、連接實物圖、電表改裝、繪制圖像、實驗數據的處理、多用電表的使用、實驗結果的評估（誤差分析）、電路的連接及故障的判定等來考查串并聯電路特點、閉合電路歐姆定律、部分電路歐姆定律等必備知識，主要考查推理論證能力、實驗探究能力、創新能力等關鍵能力，充分體現了對科學思維、科學探究的核心素養考查特點，突出對“應用性、綜合性、創新性”的命題要求，只有在牢同掌握基礎知識的前提下，從提高思維品質、思維程序和思維方法上人手，突破“如何尋找思維起點”“具體要考慮哪些方面”“為什么要這樣處理”等思維障礙，才能切實提高“解決問題能力”.

一、選擇實驗儀器的基本思路和解題技巧

解答電學實驗題必須遵循這個基本原則和思考程序：一要安全（不損壞器材），二要可測（原理可行），三要準確（誤差?。?，四要方便節能.

1.首先考慮實驗儀器的安全問題.任何儀器都有量程與規格限制，使用過程巾首先要從量程和規格去分析，考慮是否會損壞電源、電表和用電器，這是選擇器材的重要依據.滑動變阻器的限流式接法與分壓式接法也會受到器材安全的制約，必要時需要給滑動變阻器或電學元件串聯保護電阻.

2.其次從實驗原理上分析如何達到實驗目的，這是對實驗原理的再認識和深加工.包括實驗器材的選擇和遷移運用，同繞實驗目的來組織實驗步驟和數據處理方法，需要經過多個環節的綜合思考.若要測電阻，需要通過R=U/I或者等效替代法來完成，會在伏安法的基礎上衍生出安安法、伏伏法、安阻法、伏阻法、半偏法等，實際上也是如何測電壓和電流的問題.若需要測電阻率，可通過電阻決定式R=p=L/S來進行;若要測電源的電動勢E和內阻r.則必須通過閉合電路的歐姆定律來進行兩次列式求解，或者是通過U-I圖像的斜率與截距來解決;若要獲得小燈泡的伏安特性曲線、研究熱敏電阻、光敏電阻等，也都是設法測U和，兩個物理量.遇到缺少電流表、電壓表中的某一器材，或者題目所給器材不能滿足測量要求時，需要考慮改裝電流表、電壓表，通過擴大量程來實現：有時則需要用“電壓表+定值電阻（電阻箱）”代替電流表，用“電流表+定值電阻（電阻箱）”代替電壓表;另外是已知內阻的電壓表可以測小電流，已知內阻的電流表可以測小電壓.

3.再次考慮如何減小測量誤差.電學實驗的基本要求是：電表的讀數要求達到滿刻度的÷以上，能測量就選用小量程以減小測量誤差;有些電表單從量程上看好像不能用，但實際電路中由于其他器材的接人而使它所測的電壓和電流并不會超過量程而可以使用：對于因電路結構發生變化（比如半偏法）的問題，一定要從局部電路因開關的斷開與閉合而接人了不同的電阻、滑動變阻器滑片的移動等對整個電路總電阻的影響方面去做出全面、準確的分析.

4.最后考慮方便與節能要求.滑動變阻器只要在滿足安全要求的情況下使用，阻值越小的越易于操作，所以優先選用：滑動變阻器的限流式與分壓式接法相比，限流式接法更節能，連線也更方便;在小燈泡伏安特性曲線的描繪、研究熱敏電阻、光敏電阻、壓敏電阻等問題中卻因電壓需要“從零開始”“大范圍調節”而不能使用限流式接法，解題時首先要滿足前面的三個要求，至于“方便節能”若難以顧及可不考慮.顯，要采用電流表內接法;若Rx與Ra相近，則電流表分壓明顯，要采用電流表外接法.

（3）試探法：先任意采用一種接法，得到兩表的一組讀數，再換用另一種接法，得到兩表的另一組讀數，若△u/u>△I/I，則說明電壓表示數變化明顯，原因是電流表分壓明顯，采用電流表外接法就可以避免電流表分壓;若△U/U<△I/I，則說明電流表示數變化明顯，原因是電壓表分流明顯，要采用電流表內接法以避免電壓表分流.

2.熟記滑動變阻器限流式接法與分壓式接法的選擇原則

（1）若要求待測對象上的電壓、電流調節范圍較大（從零開始、多次測量、大范圍調節）要采用分壓接法，比如測元件伏安特性、校對改裝表等;若待測對象電阻大于滑動變阻器全電阻（半偏法測電壓表內阻），或者限流接法無法保證儀器安全時，要采用分壓接法.

（2）若待測對象電阻接近或小于滑動變阻器全電阻（半偏法測電流表內阻且不要求從零開始連續可調），電源放電電流太大（滑動變阻器額定電流太小），或者是測量電路的電阻發生較大變化時電路電流變化很?。ㄈ绨肫y電流表內阻），都要用限流接法.

（3）當兩種接法均可時，則考慮方便節能，要用限流式接法.

三、電學實驗題的一些創新途徑及備考策略

1.以電表的改裝及使用為創新點，考查“設計電路圖”“連接實物圖”的電學實驗題

例1 （貴州畢節市2021年11月考試題）某同學要測量兩節干電池串聯后的電動勢和內阻，實驗室提供的器材如下：

A.待測的兩節干電池：

B.量程為3V，內阻未知的電壓表v;

C.滿偏電流Ig= 200mA，內阻rg=6Ω的電流計G：

D.滑動變阻器R（最大電阻10Ω，允許通過的電流為1A）;

E.電鍵.s，導線若干.

（1）實驗需要將電流計改裝成量程為0.6A的電流表，實驗室還需要提供一個阻值為 ___Ω的定值電阻R1.

（2）實驗室滿足了需要提供的定值電阻R1，請根據實驗室提供的所有器材，設計實驗電路圖，畫在圖l（a）的方框內，并依據電路圖將實物圖1（b）連接好.連接好電路后，閉合電鍵前，應將滑動變阻器的滑片滑到一端，使滑動變阻器接入電路的電阻為

（填“最大”或“零”），閉合電鍵后，調節滑動變阻器，測得多組電壓表y的示數U和對應的電流計G的示數，，做出U-I圖線，如圖l（c）所示，則測得電源的電動勢E=___V，電源的內阻r=____Ω（結果均保留兩位有效數字）.

解析（1）將電流計改裝成量程為0.6A的電流表需要給電流計并聯一個小電阻，以便用它分去一部分電流（I-Ig），根據毆姆定律可知：Igrg=（I-Ig）R1，代人數據解得R1=3Ω;（2）基于教材實驗電路圖分析電流表外接法和內接法，這里由于改裝后的電流表內阻已知，采用電流表外接法可以巧妙地將電流表內阻視為電源內阻的一部分參與測量（測出后減去電流表內阻即可），這樣就可以有效地減小電動勢和內阻的測量誤差（若采用電流表內接法，則電壓表的分流作用會造成較大的測量誤差）具體電路如圖2（a）所示;根據電路圖連接電路，如圖2（b）所示.

（3）本題中的滑動變阻器是限流式接法，閉合

備考策略 （1）對于設計電路圖的問題，要根據實驗原理，將電路分為供電電路和測量電路兩部分來處理，要在熟練掌握教材基本電路的基礎上去根據題給器材及其替代方案進行變換，畫電路圖要注意導線“橫平豎直”，交叉相連處打個點，不能出現斷開的地方.

（2）根據電路圖連接電路時要注意電源正、負極，電流表、電壓表量程和接線柱的正、負極;滑動變阻器限流式接法會出現三線接法與兩線接法的區別，滑動端與固定端的接線不能互換.

（3）連接電路時最好從電源正極出發，先完成內圈一個完整的回路，在逐漸連接第二圈、第三圈完整回路，連接過程中導線不能交叉，也不能從導線中途去破線連接，一定要接在接線柱上.

（4）對于閉合開關前滑動變阻器滑片的位置問題，如果是限流式接法，則要將滑片置于讓滑動變阻器接入電路的電阻值最大的一端：如果是分壓式接法，則要將滑片置于讓待測電路分得的電壓為最小值的那一端.

2.以多用電表的原理及使用為創新點的電學實驗題

例2（大連八中2021年11月期中考試題）多用電表是實驗室中常用的測量儀器，如圖3（a）所示為多量程多用電表示意圖，其中電流有1. OA、2.5A兩個檔位，電壓有2.5V、10V兩個檔位，歐姆表有兩個檔位.

（1）通過一個單刀多擲開關S，B可以分別與觸點1、2、3、4、5、6接通，從而實現用多用電表測量不同物理量的功能，

①圖3（a）中B是____（選填“紅”或“黑”）表筆：

②當s接觸點 ______（選填“1、2、3、4、5、6”）時對應多用電表2. SA檔：

③當S接觸點3時，測量倍率比5接觸點4時小，則E.____ E2（選填“>”“<”或“=”）;

（2）實驗小組用該多用電表測量電源的電動勢和內阻，器材還有：待測電源（電動勢約為9V），定值電阻R0=8.0Ω，電阻箱一只，連接實物如圖3（b）所示，測量時應將圖3（a）中.s接觸點 _____（選填“1、2、3、4、5、6”）;改變電阻箱阻值R，測得并記錄多組數據后，得到對應的1/U=1/R去圖像如圖3（c）所示，則電源電動勢E=____V，內阻r= ____Ω（結果保留兩位有效數字）.

解析（1）①當開關S與觸點“3”或“4”相連時為歐姆表，此時內部電池正極接的是黑表筆，電流從黑表筆流出，經過待測電阻后從紅表筆流人歐姆表，所以B是黑表筆：②因為與表頭并聯的電阻越小，電流表的量程就越大，所以當S接觸點“1”時，右邊的電阻與表頭串聯，左邊的電阻再與它們并聯，對應多用電表2. 5A檔：③在使用不同倍率的歐姆擋測電阻時，若表頭的指針指在同一個位置，說明通過表定要熟悉多用電表的結構和測量原理.

（1）多用電表內部電池正極接黑表筆，負極接紅表筆，測電阻時是用內部電源，所以電流從黑表筆流出，經過待測電阻后從紅表筆流人電表：使用歐姆擋時，若黑表筆接二極管正極，紅表筆接二極管負極，則二極管處于導通狀態，電阻很小，反之電阻很大，據此可判定二極管的正、負極;多用電表測電壓和電流時，外部電流從紅表筆流人，從黑表筆流出.

（2）歐姆表表盤不同于電壓表和電流表，左邊為∞右邊為0，左密右疏.電阻無限大與電流表、電壓表的零刻度線重合;電阻零刻度線與電壓表、電流表最大刻度線重合.

（3）歐姆表讀出的示數要乘以該擋的倍率，每次換擋后必須進行歐姆調零：指針要指在表盤刻度1/3到2/3的中央刻度線附近.

（4）多用電表內部有電源，若與電壓表串聯形成閉合回路，則E=U+ U/Rvr;若與電流表串聯形成回路，則E=I（RA+r）.根據外接電表的讀數情況可以求出內部電源的電動勢，這會是一種“創新題”的命題方式.

（5）對于用“圖像法”來處理數據的問題，都是要先根據閉合電路的歐姆定律（或部分電路歐姆定律）、串并聯電路的特點結合待測量進行列式，再觀察題目中的縱坐標和橫坐標所表示的物理量（表達式），然后對所列式子進行變形，整理出縱坐標的表達式再湊橫坐標，得到形如y=kx+b的表達式，最后根據截距和斜率計算出測量結果.

3.以傳感器結合“串并聯電路的特點”為創新點的電學實驗題

例3（2021年10月廣東聯考題）某金屬絲的電阻會隨著溫度的升高而變大，某同學得到一段金屬，其電阻隨溫度的變化情況如圖4（a）所示，該同學將該段金屬接人到圖4（b）所示的電路中，期中電源的電動勢為3V，內阻不計，R為該段金屬，R1為電阻箱，電壓表可視為理想電壓表，將該段金屬作為探頭，讀取電壓表的示數，推知探頭處的溫度，這樣就做成了一個簡單的“金屬溫度計”，據此回答以下問題：

（1）根據圖4（a）寫出該段金屬的電阻R與溫度t的關系式R= ___.

（2）調節圖4（b）中的電阻箱使R1=450Ω，閉合開關S，若探頭處的溫度改變，電壓表的示數隨之變小，則探頭的溫度變 ____（選填“高”或“低”）.

（3）保持電阻箱阻值不變，某時刻電壓表的指針位置如圖4（c）所示，其讀數為____ V，此時探頭的溫度為 ____℃.

（4）若考慮電壓表的內阻對測量的影響，則溫度的測量值將____（選填“偏大”“偏小”或“無影響”）.

備考策略將熱敏電阻、壓敏電阻、光敏電阻、霍爾元件等傳感器與“串并聯電路的特點”相結合作為創新點是近兩年電學實驗題的一種命題新趨勢，以考查實驗探究能力和推理論證能力，體現科學探究的學科素養，突出對創新性的考查要求，結合電路結構和測量電路各電表的讀數利用部分電路歐姆定律進行列式是解題關鍵，將“理想模型”與“實際情況”進行對比分析是突破難點的途徑，要牢牢抓住局部電路結構的變化引起整個電路中總電阻變化所帶來的實際影響，先分析總電流的變化，再根據串并聯電路的特點分析各部分電流、電壓的變化情況，對于電表讀數的問題，注意最小刻度是“1”的儀器，要再往下估讀一位：最小刻度是“2”和“5”的儀器，只需要讀到最小刻度這一位即可，不需要再往下估讀.

4.以“電路故障”為創新點的電學實驗題

例4（河北省2021年高考題）某同學研究小燈泡的伏安特性，實驗室提供的器材有：小燈泡（6. 3V，0.15A），直流電源（9V），滑動變阻器，量程合適的電壓表和電流表，開關和導線若干.設計的電路如圖5（a）所示.

（1）根據圖5（a），完成圖5（b）中實物連線_____;

（2）按照圖5（a）連線后，閉合開關，小燈泡閃亮一下后熄滅，觀察發現燈絲被燒斷，原因可能是（單項選擇，填正確答案標號）;

A.電流表短路

B.滑動變阻器的滑片接觸不良

C.滑動變阻器滑片的初始位置在6端

（3）更換小燈泡后，該同學正確完成了實驗操作，將實驗數據描點做圖，得到I-U圖像，其中一部分如圖6所示，根據圖像計算出P點對應狀態下小燈泡的電阻為____ΩQ（保留三位有效數字）.

解析（1）先連接電源、開關與滑動變阻器形成第一回路，再連接小燈泡與電流表所在支路，電流表負極與滑動變阻器右端的b位置連接，最后將電壓表并聯在燈泡兩端，如圖7所示.

（2）開關閉合，小燈泡閃亮一下后燈絲燒斷，說明通過小燈泡的電流過大.電流表內阻非常小，短路幾乎不影響通過小燈泡的電流，與燈絲燒斷無關，A錯誤：滑動變阻器滑片接觸不良，無電流通過小燈泡，B錯誤;滑動變阻器的滑片開始時置于6端，此時燈泡直接連在電源的兩端，接通電源瞬間，電源電壓大于小燈泡額定電壓，可能會燒斷小燈泡燈絲，C正確.

（3）根據小燈泡的伏安特性曲線可知在Jp點時的電壓和電流分別為

備考策略“電路故障”的出現在實驗過程中是經常出現的問題，此類問題涉及到對電路結構的分析及串并聯電路特點的理解，對考查學生的實驗技能和推理能力具有不可替代性，只有經過綜合分析、排除故障后才能進行正常的實驗.若干路中的電流表沒有示數，說明發生斷路故障，若此時電壓表有示數，則斷路點就在電壓表兩接線柱之間的所測部分：若電流表和電壓表均無示數，則可能兩表接觸不良或干路上斷路：若電流表有示數而電壓表無示數，則可能是串聯電路局部短路，電壓表兩接線柱之間被短接：并聯電路一個支路斷路，則干路和另一支路的電流表都有示數.

總之，科學探究已成為實驗題重點考查的核心素養，它指的是提出科學問題、形成猜想和假設、設計實驗與制定方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并做出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力.備考復習時必須立足于教材實驗，在熟練掌握教材實驗基本原理、處理實驗數據等基礎知識和基本技能的前提下，培養學生的“聚合思維”“發散思維”和“類比思維”能力，每個實驗都盡可能要求學生結合所學的理論知識和方法去探尋新的實驗途徑，關注同一實驗目的的不同實驗方案、同一儀器的多種用途，提升學生的科學思維能力才是最佳復習策略，