小议高中物理电学实验综合设计

徐修文

【摘要】电学实验题在历年高考中出现的频率极高，而高考对电学实验设计的考察，往往是将多个电学实验进行综合，考察的是学生对各个实验的综合运用能力，故其难度和灵活度比较大。本文认为电学实验综合设计题大体可分为两大综合：一是以测电源电动势和内阻实验为主线，穿插电流表和电压表改装和伏安特性曲线实验知识；更重要的是另一根主线：描绘伏安特性曲线测电阻或电阻率，穿插电流表和滑动变阻器接法以及多用表的使用和游标卡尺和螺旋测微器读数的知识。本文就如何设计电学实验以及综合运用电学实验基础谈谈本人的见解。

【关键词】电学实验 综合设计 主线 辅线

俗语“得理综者得天下”。而从历年高考和亲身教学经验来看，高考理综电学实验题往往是几个电学实验的综合运用设计，难度和灵活度较高。物理电学实验设计题的得分率不高，学生也反应解物理电学实验设计题很费时，而且对自己解答的结果很疑惑！这严重影响了考生的情绪和信心，对后面综合大题的正常发挥不利。为加强考生实验题设计能力，打牢考生电学实验设计基础是关键，把握实验设计思路和步骤是主线，培养考生良好的设计实验习惯和能力是长远目标。本文认为电学实验综合设计题大体可分为两大综合：一是以测电源电动势和内阻实验为主线，穿插电流表和电压表改装和伏安特性曲线实验知识；更重要的是另一根主线：描绘伏安特性曲线测电阻或电阻率，穿插电流表和滑动变阻器接法以及多用表的使用和游标卡尺和螺旋测微器读数的知识。以下将具体阐述高中物理电学实验中的主线和辅线，以及它们对电学实验综合设计的作用。

一、背景分析

知己知彼才能百战不殆，那么先来回味下高中各个电学实验。

（一）教材分析

高中物理电学实验目录：（详见高中物理选修3—1第二章）

①绘小灯泡的伏安特性曲线：②电流表和电压表的改装：③测定电源电动势和内阻：④测定金属电阻和电阻率：⑤示波器的使用：⑥用多用电表探索黑箱内的电学元件⑦传感器

（二）考情分析

高考作为电学实验主线的有两条：①测定电源电动势E和内阻r ②描绘伏安特性曲线测电阻或电阻率。

作为辅助实验知识的有：

电流表和电压表的改装多用表的读数及使用，电流表内接和外接 滑动变阻器限流分压接法游标卡尺螺旋测微器的读数。（对于半偏法测电阻只做介绍，了解其设计思路，人教版高中物理选修3—1教材已将该内容删除。）

二、实施纲要

对于如何做好电学综合实验题，可从以下两方面具体着手：

（一）把握好主线灵活变通

本文考情分析中提到的高考电学实验的两条主线：测定电源电动势E和内阻r、描绘伏安特性曲线测电阻或电阻率，是解决电学实验设计题的关键，电学实验的电路图和实验原理也是根据这两条主线衍生而来！

第一大类主线：测电源E和r

实验目的：①掌握测定电池E和r的原理和实验方法。②学习用图象法处理实验数据。

实验原理：闭合电路欧姆定律：E=U+Ir（U是路段电压，I是干路电流）

实验电路图1（源于人教版教材图）

图1

当然高考是选拔性考试，电学实验的电路图肯定有所变通，但基本设计思想

是源于教材上的电路图，所以把握好教材提供的电路图和实验原理是基础，具体应用要按题目要求改装设计。

第二大类主线：描绘伏安特性曲线测电阻或电阻率

实验目的：①描绘小灯泡的伏安特性曲线.②分析曲线的变化规律。

实验原理：欧姆定律U=IR 做伏安特性曲线（如果测电阻率ρ=RS/l）

教材所提供的实验电路图，如图2：

图2

这条主线变化的形式比较多，可以用来测小灯泡电阻和其他形式的电阻阻值，也可用来间接测电阻率。并且这条主线涉及到的辅助实验知识比较多，如电流表内外接法，滑动变阻器分压、分流接法，可能还会设计到电流表电压表的改装。对于测电阻率ρ，还会用到游标卡尺和螺旋测微器的使用读数知识。

（二）夯实实验基础知识，以静制动

平时的测验中发现，很多学生知道电学实验主线的选择，但是得分率却失分低。仔细分析发现这些学生的实验基础薄弱，滑动变阻器分压、分流接法不分，电流表内外接法不分，并且实验总结处理能力不强，所以打牢学生的实验基础知识尤为重要。下面本文将例举电学实验综合中，几点重要的实验基础知识，本文把它们称为辅助两条主线的基本辅助知识。基本辅助知识一：电流表内外接法的选择

测量未知电阻的原理是R= ，由于测量所需的电表实际上是非理想的，所以在测量未知电阻两端电压U和通过的电流I时，必然存在误差，即系统误差，要在实际测量中有效地减少这种由于电表测量所引起的系统误差，必须依照以下原则：

（1）若 > ，一般选电流表的内接法。如图（a）所示。由于该电路中，电压表的读数U表示被测电阻Rx与电流表A串联后的总电压，电流表的读数I表示通过本身和Rx的电流，所以使用该电路所测电阻R测= =Rx+RA，比真实值Rx大了RA，相对误差a=

（2）若 < ，一般选电流表外接法。如图（b）所示。由于该电路中电压表的读数U表示Rx两端电压，电流表的读数I表示通过Rx与RV并联电路的总电流，所以使用该电流所测电阻

R测= 也比真实值Rx略小些，相对误差a= .

基本辅助知识二：滑动变阻器分压与限流接法的选择

在没有特殊指明的情况下，从减小电能损耗和接线方便的角度考虑，变阻器通常选用限流接法，但在出现下述情况时，则必须选择分压接法。

（1）若采用限流电路时，如果电路中的最小电流大于等于被测电阻Rx的额定电流或所给电表的量程时，必须选用分压电路；

（2）滑动变阻器全阻值R远小于或者远大于被测电阻Rx或电路中串联的其他电阻的阻值，而实验要求电压变化范围较大（或要求测量多组数据）时，必须采用分压电路；

（3）实验中要求电压从零开始并连续变化时须采用分压电路；

综上所述，对于理综电学实验综合设计，首先要把握好主线，选择好控制电路滑动变阻器的接法：主线一测电源电动势和内阻采用限流接法，主线二描绘伏安特性曲线测电阻或电阻率，大多采用分压接法，具体选择参考本文的辅线二。

【参考文献】

[1]高中物理选修3-1教科书。