夯實基礎知識 重視模塊教學
——關于電學基礎實驗復習備考的思考

劉林華

(廣東省中山市煙洲中學)

新課改注重學生學科素養的培養與考查,對學生的學科素養要求越來越高。新高考重視基礎知識的理解與運用,僅靠“機械刷題”很難取得高分。電學實驗是高考的重點和難點,學生往往談電學實驗而色變。加強實驗設計和發展實驗探究能力已經成為高考考查的重要方向。在復習備考時注重將電學基礎實驗內容化整為零,模塊化處理,讓學生更容易理解和運用。

電學實驗可歸為四大類:電學基礎實驗、多用電表的使用、電源電動勢和內電阻的測量及電學創新實驗。學生對電學實驗存在一定的畏懼心理,再加上考試靈活,變化多端,常常讓學生無從下手,部分學生更是直接跳過。電學基礎實驗知識點相對固定,可以將電學基礎實驗拆分成相關知識點。達到復雜問題簡單化的目的,本文重點分析此類題目解法,并就相關知識點拓展,用來幫助學生復習電學基礎實驗,攻破該類題型。以期提高實驗教學效率。

1.原題呈現

1.1 測定值電阻

測量待測電阻的阻值,需要用伏安法測量待測電阻的電壓和電流,涉及電流表內、外接和滑動變阻器的接法,有時還需要改裝電表。

【例1】一同學探究阻值約為550 Ω的待測電阻Rx在0～5 mA范圍內的伏安特性。可用器材有:電壓表V(量程為3 V,內阻很大),電流表A(量程為1 mA,內阻為300 Ω),電源E(電動勢約為4 V,內阻不計),滑動變阻器R(最大阻值可選10 Ω或1.5 kΩ),定值電阻R0(阻值可選75 Ω或150 Ω),開頭S,導線若干。

(1)要求通過Rx的電流可在0～5 mA范圍內連續可調,將圖1所示的器材符號連線,畫出實驗電路的原理圖;

圖1

(2)實驗時,圖1中的R應選最大阻值為________(填“10 Ω”或“1.5 kΩ”)的滑動變阻器,R0應選阻值為________(填“75 Ω”或“150 Ω”)的定值電阻。

【解題思路】本題實驗目的是測Rx在0～5 mA范圍內的伏安特性,由于題干中電流表量程只有1 mA,需要改裝電流表;電流從0開始測量,滑動變阻器選用分壓式接法;電流表內阻已知,電流表內接。細分問題有“電表改裝” “電流表內外接”和“滑動變阻器的接法”。

知識點一:“電表改裝”。

通過Rx電流最大為5 mA,需要將電流表量程擴大為原來的5倍,并聯分流的特點作出電表改裝。

可得R0=75 Ω

知識點二:“電流表內外接”。

電流表內阻已知,利用電壓表電壓減去電流表電壓即可得到待測電阻準確電壓,所以選用電流表內接。

知識點三:“滑動變阻器的接法”。

由于電流要從0開始調節,所以用分壓式接法,為方便電路調節,電路中滑動變阻器R應選最大阻值較小的,即最大阻值為10 Ω的滑動變阻器。

通過解決三個知識點,本題的答案就水到渠成,連接電路圖如圖2所示。

圖2

1.2 測電表內阻

由于待測電表可以測量自身的電壓(電流),只需要再接一個電表測量待測電表的電流(電壓)即可,不涉及電流表內、外接,只涉及滑動變阻器的接法和電表改裝。

【例2】某同學要測量微安表內阻,可利用的實驗器材有:電源E(電動勢1.5 V,內阻很小),電流表A(量程10 mA,內阻約10 Ω),微安表G(量程100 μA,內阻Rg待測,約1 kΩ),滑動變阻器R(最大阻值10 Ω),定值電阻R0(阻值10 Ω),開關S,導線若干。

(1)將圖3中所示的器材符號連線,畫出實驗電路原理圖;

圖3

(2)某次測量中,微安表的示數為90.0 μA,電流表的示數為9.00 mA,由此計算出微安表內阻Rg=________Ω。

【解題思路】本題實驗目的是測微安表內阻,微安表可測自身電流,只需額外測其電壓即可,不涉及電流表內外接法。如何測其電壓是本題的難點。由于題干中滑動變阻器R遠小于微安表內阻,滑動變阻器選用分壓式接法。細分問題有“電表改裝”和“滑動變阻器的接法”。

知識點一:“電表改裝”。

題干中除待測微安表外,只有電流表,但電流表內阻不是定值無法改裝,也不能用電流表直接測微安表的電壓。可以將R0改裝成“電壓表”,即讓微安表與定值電阻R0并聯,再與電流表串聯,通過電流表與微安表的電流之差,求出流過定值電阻R0的電流,運用歐姆定律得到微安表兩端的電壓U=IR0。

流過定值電阻R0的電流

I=IA-IG=9.00 mA-0.09 mA=8.91 mA

微安表兩端的電壓U=IR0=8.91×10-2V

知識點二:“滑動變阻器的接法”。

由于題干中滑動變阻器R遠小于微安表內阻,且電源電壓遠大于電表的量程,滑動變阻器采用分壓式接法。實驗電路原理如圖4所示。

圖4

2.厘清電學實驗基礎知識

從例題分析可以發現,解決電學基礎實驗,需要掌握電學實驗相關基礎知識。基礎知識主要有電流表的內外接法、滑動變阻器兩種連接方式和電表的改裝。在高三復習時,要重視這些基礎知識,夯實基礎知識,學生才會在多變的電學實驗題中以不變應萬變。

2.1 電流表的內、外接法

2.2 滑動變阻器兩種連接方式

限流式接法分壓式接法對比說明電路圖限流式滑動變阻器只有一部分接入電路,分壓式滑動變阻器分兩部分接入電路中負載R0上電壓調節范圍RR+R0U^U0^U分壓式電路調節范圍廣滑動變阻器兩種接法選擇限流式結構簡單、能耗少。在滑動變阻器的最大阻值是待測電阻阻值6倍左右時,且不要求電壓從零開始變化,優先使用限流式①要求電壓表能從零開始讀數,或要求電壓(電流)測量范圍盡可能大;②當待測電阻Rx?R(滑動變阻器的最大阻值)時;③若采用限流式接法,電路中的最小電流仍超過電路中電表、電阻允許的最大電流題干中如沒有明確說明,要注意題目中的表格和圖像所標注的數據

【點評】需要注意在接通電路前,為了保護電路的安全,兩種接法中滑動變阻器的觸頭位置不一樣,限流式接法應該將滑動變阻器全部電阻接入到電路中來,即觸頭指向a;而分壓式接法應該將待測電阻短路,即觸頭指向c。

2.3 微安表的改裝

改裝電壓表改裝電流表內部電路改裝原理串聯分壓并聯分流改裝后量程U=Ig(Rg+R)I=R+RgRIg

【點評】微安表改裝有:“串大改大電壓表、并小改大電流表”的特點。在改裝電表過程中,只能改大量程,不能改小量程。在復雜電路中要會簡化電路圖,弄清微安表并聯或串聯的阻值,通過串聯和并聯的特點準確計算改裝后電表量程。

2.4 定值電阻改裝成“電表”

定值電阻改裝成電壓表定值電阻改成電流表電路圖改裝前提A1電阻是未知的,如果A1電阻已知,可以考慮直接將A1作為電壓表使用,并聯在A2的兩端。A2為待測電表,其量程要小于A1的量程V1電阻是未知的,如果V1電阻已知,可以考慮直接將V1作為電流表使用,與V2直接串聯。V2為待測電壓表,其量程要小于V1的量程改裝后計算公式RA2=(I1-I2)R0I2IV2=U1-U2R0RV2=U2IV2

【點評】定值電阻改裝成“電表”不同于微安表改裝成大量程的電表,定值電阻無法直接讀數,需要借助其他電表來完成測量。所以常出現在測量未知電表的題目中,測量出來的待測電表內阻沒有系統誤差。

3.拓展延伸

【例3】現在要測量一段特制的導體的電阻,其阻值Rx約為0.5Ω,允許通過的最大電流為0.5A。提供如下器材供你選擇:

電流表A(量程0.6A,內阻約0.125Ω)

電壓表V(量程3V,內阻約3kΩ)

標準電阻R0(阻值5Ω)

滑動變阻器R1(5Ω,3A)

滑動變阻器R2(200Ω,1.5A)

直流電源E(E=6V,內阻不計)

開關S、導線若干

根據你的選擇,在上圖虛線框內設計實驗電路圖。

【解題思路】本題實驗目的是測電阻,供選擇的器材中電流表和電壓表是唯一的,不存在選取問題,不過需要注意到電表內阻均是未知的,要考慮內外接法。電流表的量程符合題干要求,但電壓表的量程3V遠大于電阻允許的最大電壓(U=IRx=0.25V)。說明需要電表的改裝,電表的改裝只能小改大,不能大改小,如何測其電壓是本題的難點。題干中滑動變阻器需要根據實際情況選取,再確定是分壓式接法還是限流式接法。細分問題有“電流表內外接” “電表改裝”和“滑動變阻器的接法”。

知識點一:“電表改裝”。

題干要求允許最大電流為0.5A,對應待測電阻允許的電壓為0.25V,遠小于電壓表量程。題中電表內阻均未知,無法進行改裝。需要串聯一分壓電阻來增加電壓表讀數[U=I(Rx+R0)=2.75V],變相將電壓表量程改小。

知識點二:“電流表內外接”。

題干中電表內阻均未知,用比值法來判斷內外接法。

故選擇電流表外接。

知識點三:“滑動變阻器的接法”。

題目中電源電壓6V比電壓表量程3V要大,且滑動變阻器R2較大,故選取滑動變阻器R1,采用分壓式接法。實驗電路原理如圖5所示。

圖5

4.重視模塊教學,提高復習效率

高三復習時間短,復習內容較多,為了更好地建立知識體系,教師在復習時要重視模塊化教學,學生只有將各模塊知識一一吃透并通關。才能有效地運用,脫離題海戰術,做到高效備考。

實驗能很好地考查學生的物理學科素養,也是培養學生物理學科素養的重要手段。雖然電學實驗千變萬化,但知識點相對固定,在復習時應有意識加強基礎模塊的講解,在掌握了相關知識模塊后,學生解決問題會更加得心應手,有效提高復習效率。