例析高考物理電學實驗的考查角度及解答策略

江蘇 路文柱

(作者單位：江蘇省徐州市第三十六中學)

物理實驗一直是高考中的一個重點。由于高考實驗題靈活、新穎，對學生的創新能力要求較高，所以高考中的物理實驗題區分度高、信度高，有利于高校選拔人才。那么，高考物理實驗題主要考查點有哪些呢？本文以“伏安法測電阻”為例，分析說明高考物理電學實驗的考查角度，并對“伏安法測電阻”的有關問題進行闡述。

一、考查實驗原理

二、考查實驗儀器、儀表的選取及儀表讀數

三、考查實驗設計(主要是電路設計)

實驗設計是以達到實驗目的為前提，以實驗原理為基礎，對所選擇的儀器、儀表進行有效的組合、裝配。電路設計要按照安全、精確(誤差小)、簡便(電路簡單，便于控制)、省電的四個原則進行。按照電路的功能劃分，“伏安法測電阻”的電路進行主要分為兩部分，即測量電路和控制電路。

測量電路是由待測電阻、電流表、電壓表三者組成，用以測量待測電阻兩端的電壓及電阻中的電流，從而求出待測電阻的阻值。根據電流表、電壓表的相對位置關系，測量電路分為外接法(圖1)和內接法(圖2)兩種；設計電路時，為減小誤差，小電阻采用外接法，大電阻采用內接法，簡稱“外小內大”。原因如下：

如圖1，外接法的誤差是由于電壓表分流，使電流表的測量值大于流過待測電阻電流的實際值，為減小誤差，電壓表分得的電流應盡可能小，由分流原理可知，此時待測電阻的阻值應盡可能小，即Rx?RV，或者Rx更接近于RA。

圖1

如圖2，內接法的誤差是由于電流表分壓，使電壓表的測量值大于待測電阻兩端電壓的實際值，為減小誤差，電流表分去的電壓應盡可能小，由分壓原理可知，此時待測電阻的阻值應盡可能大，即Rx?RA，或者Rx更接近于RV。

圖2

在實際操作過程中，通常采用“試觸法”比較Rx和RV、RA的大小，即通過改變兩電表的連接方式，觀察兩電表示數變化情況，如果電流表的示數變化明顯，說明電壓表的分流作用顯著，待測電阻的阻值更接近于電壓表的內阻，應采用內接法；如果電壓表示數變化明顯，說明電流表的分壓作用顯著，待測電阻的阻值更接近于電流表的內阻，應采用外接法。

圖3

圖4

四、考查電路連接

電路的連接應有一定的章法，切忌隨意連接。根據筆者所在學校這幾年高三模擬考試的情況，電路連接題雖然難度不高，但每次都是只有少部分同學能夠完全連對，尤其是實物圖的連接，出錯最多。為此，讓學生掌握一種行之有效的方法是非常必要的，如“順電流法”——從電源正極出發，對照電路圖依次往下連接，先串聯，后并聯，最后連接電壓表。此外，連接電路時應注意以下四點：第一，導線應接在電學元件的接線柱上；第二，導線不能交叉；第三，電表中電流應從正接線柱流入，負接線柱流出；第四，同一段導線兩端等效，但盡量接在較近的一端。

五、考查實驗步驟

實驗步驟也是圍繞實驗原理進行的。“伏安法測電阻”的實驗步驟主要有以下幾步：

1.設計電路圖；

2.按照電路圖連接電路；

3.將滑動變阻器的滑片置于合適位置(使測量電路中的電流最小)；

4.閉合開關，調節滑動變阻器，使測量電路中的電流逐漸增大，并讀出多組U、I值，填入已設計好的表格中；

六、考查誤差分析

【例1】實驗室中現有器材如實物圖5所示，有

圖5

電池，電動勢E約10 V，內阻約1 Ω；

電流表A1，量程10 A，內阻r1約0.2 Ω；

電流表A2，量程300 mA，內阻r2約5 Ω；

電流表A3，量程250 mA，內阻r3約5 Ω；

電阻箱R1，最大阻值999.9 Ω，阻值最小改變量為0.1 Ω；

滑動變阻器R2，最大阻值100 Ω；開關S，導線若干。

要求用圖6所示的電路測定圖中電流表A的內阻。

圖6

(1)在所給的三個電流表中，哪幾個可用此電路精確測出其內阻？

答：_______________________。

(2)在可測量的電流表中任選一個作為測量對象，在實物圖上連成測量電路。

(3)你要讀出的物理量是________。

用這些物理量表示待測內阻的計算公式是________。

【分析解答】(1)考查實驗儀器的選取

(2)考查電路連接

以A3為待測電流表為例，按“順電流法”連接，從電源正極出發，對照電路圖依次往下連接，先串聯，后并聯，最后接電壓表，連接順序如圖7所示。

圖7

(3)考查實驗原理

【例2】從下表中選出適當的實驗器材，設計一電路來測量電流表A1的內阻r1，要求方法簡捷，測量精度盡可能高，并能測得多組數據。

器材(代號)規格電流表(A1)電流表(A2)電壓表(V)電阻(R1)滑動變阻器(R2)電池(E)開關(K)導線若干量程10 mA,內阻r1待測(約40 Ω)量程500 μA,內阻r2=750 Ω量程10 V,內阻r3=10 kΩ阻值約100 Ω,作保護電阻用總電阻約50 Ω電動勢約1.5 V,內阻很小

(1)在圖8虛線方框中畫出電路圖，標明所用器材的代號；

圖8

(2)若選用測量數據中的一組來計算r1，則所用的表達式為r1=________，式中各符號的意義是：________。

【分析解答】(1)考查儀器選取、電路設計及誤差分析

電路圖及所用器材如圖9所示。

圖9

(2)考查實驗原理

由于A1兩端的電壓可由A2測出，則U=I2r2

式中I1表示通過電流表A1的電流，

I2表示通過電流表A2的電流，

r2表示電流表A2的內阻。

【例3】圖10為用伏安法測量一個定值電阻阻值的實驗所需的器材實物圖，器材規格如下：

圖10

(1)待測電阻Rx(約100 Ω)

(2)直流毫安表(量程0～10 mA，內阻50 Ω)

(3)直流電壓表(量程0～3 V，內阻5 kΩ)

(4)滑動變阻器(阻值范圍0～15 Ω，允許最大電流1 A)

(5)直流電源(輸出電壓4 V，內阻忽略不計)

(6)電鍵一個，導線若干條

根據器材的規格和要求，在本題的實物圖上連線

【分析解答】此題考查電路設計及電路連接

由于待測電阻的阻值接近毫安表，屬于小電阻，因而測量電路采用外接法，又因Rx>R滑,所以控制電路應采用分壓式，電路連接如圖11所示。

圖11

【例4】某電壓表的內阻在20 kΩ～50 kΩ之間，現要測量其內阻。實驗室提供下列可選用的器材：

待測電壓表V(量程3 V)

電流表A1(量程200 μA)

電流表A2(量程5 mA)

電流表A3(量程0.6 A)

滑動變阻器R(最大阻值1 kΩ)

電源E(電動勢4 V)

開關K

(1)所提供的電流表中應選用________(填寫字母代號)

(2)為了盡量減小誤差，要求多測幾組數據，試在圖12的方框中畫出符合要求的實驗電路圖(其中電源和電鍵及其連線已畫出)

圖12

【分析解答】(1)考查儀器選取

(2)考查電路設計

因Rx>R滑，所以控制電路應采用分壓式；為了測出流過電壓表的電流，則電流表A1應與電壓表串聯，電路設計如圖13。

圖13

七、總結

關于“伏安法測電阻”的典型試題還有很多，在此不再一一列舉。研究高考實驗題的考查點，有利于把握高考實驗題的命題思想，提高實驗題復習的針對性，避免盲目性，進而提高高考的復習效率。