近几年高考物理电路实验题中的一个热点

◇　福建　郑永琪



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近几年高考物理电路实验题中的一个热点

◇福建郑永琪

电路实验是高考试卷的必考题,分值较大．实验题往往源于教材上的基本知识,但是又高于教材大纲的实验要求.实验题目灵活多变,只要有一个实验条件或要求发生变化,就能引起实验中的实验原理、器材、电路、数据处理的方法等发生变化,既能很好考查考生的实验动手能力,还能考查考生应用所学知识解决实际问题的能力,选拔功能极强．在近几年高考物理电路实验题中屡现一种题型,那就是每道电路实验题总有一个属于方法创新类的问题,它特别突出考查闭合电路知识和处理方法,使电路核心知识在高考中体现出了它应有的地位．同时这类问题还具有很强的开放性和创新性,可以很好地考查考生的综合分析能力．本文就此进行例说,希望能引起大家足够的重视．

电池组(电动势为4.5V,内阻约1Ω)；

电流表(量程为0～250mA，内阻约5Ω)；

电压表(量程为0～3V，内阻约3kΩ)；

开关1个、导线若干.

(1) 实验中所用的滑动变阻器应选下列中的____．

A滑动变阻器(最大阻值20Ω,额定电流1A)

B滑动变阻器(最大阻值1750Ω,额定电流0.3A)

(2) 实验的电路图应选用下列的________图．

(3) 实验得到小灯泡的伏安特性曲线如图1．如果将这个小灯泡接到电动势为1.5V,内阻为5Ω的电源两端,小灯泡消耗的功率是________W．

图1

分析问题(3)是一个非线性问题,按常规方法无法准确解答．其实这个问题和问题的解答与本实验几乎没有关系,它实际上是一个纯闭合电路的问题．解答困难在于没有给出U、I的数学函数关系,虽然给出了图象,也得不到图线所对应的具体函数关系．要想解决这个问题,必须充分考虑到小灯泡与一个已知电动势和内电阻的电源构成闭合电路这个重要信息,由此可知路端电压与小灯泡的电压相同、电源电流与小灯泡的电流都相同．如果根据闭合电路欧姆定律U=E-Ir画出U-I函数图线(如图2中的斜线所示),读取它与小灯泡的伏安特性曲线交点的U、I值,此U、I值显然就是此时小灯泡的工作电压、电流,从而得小灯泡的实际功率．

图2

(1) 实验要求滑动变阻器的滑片从左到右移动过程中,电流表的示数从0开始逐渐增大．按此要求用笔画线代替导线在图3-甲实物图中完成余下导线的连接;

图3

(2) 某次测量,电流表指针偏转如图3-乙,电流表的示数为________A;

(3) 该小组描绘的伏安特性曲线如图4所示,据图线判断,将________只相同的小电珠并联后,直接与电动势为3V、内阻为1Ω的电源组成闭合回路,可使小电珠的总功率最大,其总功率的值约为________W(保留2位小数)．

图4

图5

分析问题(3)属于典型的非线性问题,用常规的思维方法处理是行不通的．如果用例1中采用的方法,显然由于小电珠是并联的,通过每只小电珠的电流与通过电源的电流不一样,得到的2条图线的交点U、I并没有实际意义,因而无法得出结论．此问题巧妙之处就是在于利用了闭合电路中一个重要的结论:在纯电阻电路的情况下,当外电路电阻等于内电路电阻时,电源的输出电功率最大．具体就是:电源内阻为1Ω,所以当外电路总电阻等于1Ω时,电源输出电功率最大,也就是小电珠的总功率最大．此时外电压、内电压均为1.5V,由U-I图可知，当小电珠电压等于1.5V时电流约为0.38A,再由内电路可知总电流约为1.5A,所以需要4个小电珠,小电珠的总功率最大且为P=UI≈2.25W．

图6

回答下列问题:

(1) 滑片向下滑动时,电压表示数将________(填“增大”或“减小”)．

(2)I0=________A．

(3)RL消耗的最大功率为________W(保留1位有效数字)．

分析问题(3)主要考查闭合电路原理和U-I图象的灵活应用．由于变阻器RL的电压、电流和电阻同时改变,无法直接讨论确定电功率的最大值,这是问题的关键点．本问题的处理有以下2种思路:

2) 由于U-I图象中的U、I就是RL的电压、电流,易得RL的U、I函数关系为U=20 V-20 Ω·I,RL消耗的功率为

P=IU=20 V·I-20 Ω·I2=

-20 V(I-0.5 A)2+5 W,

则当I=0.5 A时,功率最大值为5 W．

实验以其灵活多变,思维层次多而深受高考命题人的青睐,其中高考电路实验题因灵活多变成为考生在高考中得分的一个难点,它既考查电路部分的知识点,又全面考查考生是否理解实验原理,是否理解仪表工作原理,是否具有将知识进行迁移的能力.类试题在高考中屡屡出现,且面孔常新,是高考试题中的一大亮点．

(作者单位：福建省永春第一中学)