电学实验设计与思维转向意识

封安保

(安徽省合肥市第一中学,安徽合肥 230601)

电学实验试题一直是历年高考的一大亮点,这类试题题型种类繁多,题目新颖多变,其中的实验电路设计试题更是源于课本而又明显高于课本,突出考查学生的创新思维能力.但这类试题往往题中条件较为隐蔽,实验要求也很多,解答过程中考虑稍有不周,就会落入命题者精心设置的圈套之中而痛失考分.

对电学实验设计试题的解答,首先必须明确实验目的,是测量某个物理量(如测未知电阻的阻值、测电源的电动势和内阻等)、还是验证某个定律(如欧姆定律、闭合电路的欧姆定律等),然后围绕实验目的广泛联系所学的物理知识,从而确定实验原理,并进而推出实验计算的表达式.在实验电路设计中,由于试题对实验器材及实验要求等多方面的条件限制,常规方法往往不能实现实验目的,此时必须有思维转向意识,及时调整思维方向,敢于打破传统观念的约束,从新的视角审视试题,独辟蹊径地解答试题.下面通过具体试题说明在解答电学实验电路设计时应如何实现思维转向,从而正确解答相关问题.

1 对电表测量功能的思维转向

我们知道,电流表、电压表是测定电流、电压的实验仪器,但在电流表、电压表内阻已知的条件下,电流表、电压表也能转化为测出电压和电流的仪器.

例1.(2010年高考福建卷)如图1所示是一些准备用来测量待测电阻 Rx阻值的实验器材,器材及其规格见表1.

图1

表1

电压表V1 量程2.0 V,内阻 r1=1 000 Ω电压表V2 量程5.0 V,内阻 r2=2 500 Ω电流表A 量程3.0 A,内阻 r=0.010 Ω滑动变阻器R 最大阻值约100 Ω,额定电流0.5 A开关S、导线若干

为了能正常进行测量并尽可能减小实验误差,实验要求测量时电表的读数大于其量程的一半,而且调节滑动变阻器能使电表读数有明显的变化.请用实线代替导线,在所给的实验器材图中选择若干合适的器材,连成满足要求的测量Rx阻值的电路.

解析:本题看似一道普通的伏安法测电阻问题.用电压表测出电阻两端的电压,电流表测出通过电阻的电流,由于电流表电阻远小于待测电阻的阻值,因此,采用电流表“内接法”;由于滑动变阻器的阻值明显小于待测电阻的阻值,且实验要求“在调节滑动变阻器能使电表读数有明显的变化”,所以,滑动变阻器应采用“分压式”连接.

仔细分析试题才能看出问题的关键所在.由于待测电阻的阻值在900 Ω～1 000 Ω之间,电源电动势约 9 V,因此,通过电阻的电流最大值也只能约为0.01 A,这样的电流远小于电流表的量程,也就是说,如果用电流表测量通过电阻的电流值,就无法达到“能正常进行测量并尽可能减小实验误差,实验要求测量时电表的读数大于其量程的一半”这一实验要求.为此,我们必须转变思维方向,看看能不能通过电压表来测出通过电阻的电流值:电压表V1、V2的量程分别为2 V 和5 V,内阻分别为1 000 Ω和 2 500 Ω,因此,它们的满偏电流均为0.001 A,都可以作为电流表使用.

图2

进一步分析:将电压表V1作为电流表使用,并且采用电流表“内接法”连接,当V1达到满偏时,V2读数在3.8 V～4.0 V之间,可以满足实验要求,为此,满足要求的测量Rx阻值的电路如图2所示.

由此可以看出,能否成功解答本题的关键在于能否实现思维转向,将电压表的测量功能转变为测量通过电阻的电流值.

2 对实验设计原理的思维转向

很多时候,我们在分析思考问题时会陷入某些思维定势(例如,一谈到测定待测电阻的阻值都会想到“伏安法”),思维定势大大影响了我们的正确思维,并使我们陷入其中不能自拔.在进行电学实验设计时,由于试题对实验器材及实验要求等多方面的条件限制,常规方法往往不能实现实验目的,此时,我们应及时调整思维方向,敢于打破传统思路的约束,从新的视角审视试题,从而实现问题的求解.

例2.(2010年高考全国卷Ⅱ)如图3,一热敏电阻 RT放在控温容器M内;A为毫安表,量程6 mA,内阻为数十欧姆;E为直流电源,电动势约为3 V,内阻很小;R为电阻箱,最大阻值为999.9 Ω;S为开关.已知RT在95℃时阻值为150 Ω,在20℃时的阻值约为550 Ω.现要求在降温过程中测量在95℃～20℃之间的多个温度下RT的阻值.

(1)在图中画出连线,完成实验原理电路图.(2)完成下列实验步骤中的填空.

图3

①依照实验原理电路图连线.

②调节控温容器M内的温度,使得RT温度为95℃.③将电阻箱调到适当的初值,以保证仪器安全.

④闭合开关.调节电阻箱,记录电流表的示数I0,并记录________.

⑤将 RT的温度降为 T1(20℃＜T1＜95℃);调节电阻箱,使得电流表的读数________,记录________.

⑥温度为 T1时热敏电阻的电阻值RT1=________.

⑦逐步降低 T1的数值,直至20℃为止;在每一温度下重复步骤⑤⑥.

解析:(1)对本题,我们无法采用“伏安法”测出热敏电阻的阻值,因为试题中既无电压表也无法将其他电表改装成电压表,因此,必须转变思维方向采用其他方法.研究发现,如果我们将电阻箱、热敏电阻及电流表串联起来,在实验过程中,通过控制电流表的示数保持不变,则电阻箱 R、热敏电阻RT的阻值之和保持不变,即温度为95℃时两电阻值之和与其他温度下两电阻值之和相等.由此,可完成实验原理电路图如图4所示.

图4

(2)实验过程中,④闭合开关,调节电阻箱,记录电流表的示数 I0,并记录电阻箱的读数 R0;⑤将RT的温度降为T1(20℃＜T1＜95℃),调节电阻箱,使得电流表的读数:仍为I0,同时记录电阻箱的读数 R1;⑥则温度为 T1时热敏电阻的电阻值为 RT=R0-R1+150 Ω.

解答电学实验问题时,要进行思维转向的类型还有很多,如改变电表量程、改变实验数据的处理方式等等.总之,我们在教学过程中,在完成常规教学的同时,要注意培养和提高学生的思维转向意识,培养和提高学生的创新思维能力,使他们在处理新的物理问题时,能从新的视角审视问题,使问题圆满解决.