例析電學實驗題的3個命題類型

林樹陽

(福建省廈門市廈門英才學校)

在高中物理各類試卷中,實驗題是必考類型,其中電學實驗題又是實驗題的重要組成部分.實驗題的命制雖然也遵循源于課本的命題原則,但由于其考查形式靈活,每年都能推陳出新,在考查學生創新能力和實踐能力的同時,體現物理學科核心素養要求,要求考生具備更強的知識靈活運用能力和熟練的實驗操作能力.下面,我們就結合例題來看看電學實驗題的3個命題類型,以期對大家的備考有所啟發.

1 常規綜合性考查

常規綜合性考查是最常見的命題方式,命題者通常會將實驗操作步驟、儀器選擇、誤差分析、故障排除等與實驗相關的重要考點結合在一起進行設計,以實現對考生多種能力的考查.對于該類型試題,解題策略是先認真審題,運用化整為零的方法,將單一原理一一分離出來,然后分析將它們結合在一起的具體聯系,最后運用對應知識點解題即可.

例1 如圖1所示,是小明所在實驗小組為測定電源電動勢和內阻而設計的實驗電路,其中用到的實驗器材如下:

圖1

A.待測干電池(電動勢約為3V)

B.電流表(量程0.6A,內阻小于1Ω)

C.變阻箱(0～99.99Ω)

D.滑動變阻器(0～10Ω)

E.單刀雙擲開關、單刀單擲開關、若干導線

(1)實驗小組正確連接電路后,通過控制開關狀態測量得到電流表內阻約為0.20Ω,試分析產生測量誤差的原因.

(2)簡要寫出通過以上器材和電路圖測定電源電動勢和內阻的實驗步驟.

本題考查學生實驗操作、儀器的選擇及誤差分析能力,是最常見的綜合性考查方式.本題的難點在于需要熟悉“半偏法”.

(2)測定電源電動勢和內阻的實驗步驟:①斷開單刀單擲開關,單刀雙擲開關接D,調節變阻箱至合適阻值,讀出電流表示數和變阻箱讀數;②調節變阻箱的阻值,重復上述步驟5次.

2 加入陌生儀器的考查

有時候,命題者會加入某個我們在學習中沒有使用過的陌生儀器(通常都是在我們已掌握的知識基礎上能夠理解的),以增加試題的難度.該類型試題旨在考查學生靈活利用所學原理和方法,在題目限定的范圍內激發思維,最終得出符合要求的解決方案的能力.解答這一類型的試題,熟練掌握教材中的基本實驗,并且真實動手操作過,對實驗原理有清晰的認知是關鍵.審題時通過分析、類比、變換等思維方法,找到涉及的課本原型或常規解題方法,便能得出解題方案.

例2 如圖2 所示,是某實驗小組按照要求在降溫過程中測量95～20 ℃之間多個溫度下熱敏電阻RT的阻值的實驗所用器材.其中熱敏電阻RT放在控溫箱M中;電流表最大量程為6mA,內阻數十歐姆;電源E是直流電源,電動勢約3V,內阻很小;R是電阻箱,最大阻值999.9Ω;另有1個開關和若干導線.

圖2

(1)用筆畫線代表導線,完成實驗電路圖的連接.

(2)以下是實驗步驟,請完成其中的填空.

①正確連接電路.

②調節控溫箱的溫度到95 ℃.

③調節電阻箱初值,保證電路中各個儀器安全.

④閉合開關,調節電阻箱,記錄電流表的示數I0,并記錄________.

⑤將RT的溫度降至T1(20℃＜T1＜95℃),調節電阻箱使電流表讀數為______,記錄______.

⑥當熱敏電阻的溫度為T1時,其電阻值RT1＝_________.

⑦逐步降低T1的數值,直至20 ℃;在每一溫度下重復步驟⑤⑥.

雖然題目敘述內容很多,還有溫控箱這類我們平時很少接觸的實驗器材,但是仔細審讀題目我們就能發現,該題目難度不大,是簡單的歐姆定律結合電阻的阻值與溫度的關系的實驗.

(1)由于不知道電流表內阻,因此不能將其替代為電壓表,只能選擇電流表與熱敏電阻串聯.電阻箱代替滑動變阻器控制電路,可作為限流器.由此可知實驗電路就是一個簡單的串聯電路,如圖3所示.

圖3

(2)審題可知,熱敏電阻在95 ℃時的阻值可認為是已知量.讀出電流表示數I0,可設此時電路中的總電阻為R′0,則可知R′0＝RT＋RA＋R0＋r,上式中RT為95 ℃時熱敏電阻的電阻值,RA為電流表內阻,R0為電阻箱的讀數,r為電源內阻.現將RT的溫度降為T1,調節電阻箱,若保持電流表讀數仍為I0,則表明電路中總電阻仍為R′0,此時有R′0＝RT1＋RA＋R1＋r＝RT＋RA＋R0＋r,則RT1＋R1＝RT＋R0,即RT1＝RT＋R0－R1.這就是我們常用的替代法.

3 利用“反常”處理的數據進行考查

這類題型中數據的處理與教材中常見的處理方式完全不同,所謂“反常必有妖”,我們只要抓住這個“妖”,即物理的本質,就能將其轉變為常見的試題類型進行解題.

圖4

圖5

(1)由圖像a可知電池a的電動勢Ea＝_________V,內阻ra＝________Ω.

(2)若用同一個電阻R先后與電池a及電池b連接,則兩電池的輸出功率PaPb,兩電池的效率ηaηb.(填“＞”“＝”或“＜”).

本題數據處理與我們常見的U-I圖像不同,而是一反常規給出了電壓倒數與電阻倒數圖像.看似棘手,其實仔細分析就能發現,這并沒有超出“用伏阻法測電源的電動勢和內阻”的知識范圍.

限于篇幅,還有一些典型題型,比如考查實驗操作步驟、考查實驗誤差分析等,在此不再列舉,但是不論哪種類型,只要能夠熟練掌握電學實驗的基本原理且可以靈活遷移應用,結合各種處理方法,就可以快速準確解答問題.