设计性电学实验复习策略

■山东省日照海曲高级中学 石红彬

设计性电学实验复习策略

■山东省日照海曲高级中学 石红彬

近几年高考物理试题中的电学设计性实验题充分体现了探究性和应用性,源于教材却又高于教材,侧重考查同学们的综合实验素质和利用基本原理、方法进行创新的能力,力求达到“只有亲自动手做过实验并能进行再思考的考生才能得高分”的命题思想。因此同学们在复习备考过程中,一定要切实训练和培养自身的设计能力、探究能力等实验综合能力。

1.理解设计性电学实验的原理。

设计性电学实验要求同学们根据题目给出的实验目的和器材,灵活运用所学的基本实验方法、原理、技能,进行创造性思维,设计出切实可行的实验方案、测量方法、实验步骤,并处理实验数据、得出结论。因此同学们必须在深刻理解和熟练掌握实验原理的基础上,着重思考如何将其变成实际可行的操作过程。

2.掌握求解设计性电学实验问题的思维方法。

求解设计性电学实验问题常用的思维方法有：等效替代法、控制变量法、转换法、平衡法、补偿法等。

3.领会处理实验数据的方法。

设计性电学实验题往往会考查处理实验数据的方法,包括数据采集、信息获取、信息加工等。图像和图表是给予信息的常用途径,因此同学们在复习备考过程中需要通过对课本中有关数据分析和数据处理的典型题目的剖析,领会应对这类试题的基本方法。

注意：用作图法处理实验数据是电学设计性实验中最常用的方法之一。作图时要标明坐标轴名称、单位;图中连线要是光滑的曲线或直线,连线时要使数据点合理地分布在连线的两侧;在图中求直线的斜率时,要选取线上相距较远的两点。用作图法处理实验数据的优点是直观、简便,利用图像的斜率、截距、所包围面积和图像的交点等可以研究物理量的变化情况和各物理量间的关系。

理解实验基本原理和方法需要明确的五个方面：(1)实验要达到什么目的,要达到这个目的,依据什么物理规律等;(2)根据实验原理,需要获得哪些数据,要得到这些数据要用什么方法,选择哪些实验仪器和装置,进行哪些测量;(3)根据实验仪器和装置的使用规则或实验要求,怎样完成实验,在操作过程中需要注意哪些事项;(4)掌握实验数据的处理方法——平均值法和图像法等;(5)依据实验原理和方法得出实验结论并进行误差分析。

图1

例题 (2017年高考江苏卷)某同学通过实验制作一个简易的温控装置,实验原理电路如图1所示,继电器与热敏电阻Rt、滑动变阻器R串联接在电源E两端,当继电器的电流超过15mA时,衔铁被吸合,加热器停止加热,实现温控。继电器的电阻约为20Ω,热敏电阻的阻值Rt与温度t的关系如表1所示。

表1

(1)提供的实验器材有：电源E1(3V,内阻不计)、电源E2(6V,内阻不计)、滑动变阻器R1(0～200 Ω)、滑动变阻器R2(0～500Ω)、热敏电阻Rt、继电器、电阻箱(0～999.9Ω)、开关S、导线若干。

为使该装置实现对30℃～80℃之间任一温度的控制,电源E应选用________(选填“E1”或“E2”),滑动变阻器R应选用_______(选填“R1”或“R2”)。

(2)实验发现电路不工作,某同学为排查电路故障,用多用电表测量各接点间的电压,则应将如图2所示的选择开关旋至____(选填“A”“B”“C”或“D”)。

(3)合上开关S,用调节好的多用电表进行排查,在图1中,若只有b、c间断路,则应发现表笔接入a、b时指针____(选填“偏转”或“不偏转”),表笔接入a、c时指针____(选填“偏转”或“不偏转”)。

(4)排除故障后,欲使衔铁在热敏电阻为50℃时被吸合,下列操作步骤的正确顺序是____。

图2

①将热敏电阻接入电路

②观察到继电器的衔铁被吸合

③断开开关,将电阻箱从电路中移除

④合上开关,调节滑动变阻器的阻值

⑤断开开关,用电阻箱替换热敏电阻,将阻值调至108.1Ω

解析：(1)由表中数据可知,当温度为30℃时,热敏电阻的阻值为199.5Ω,继电器的阻值R0=20Ω,当电流I=15mA时,E=I(Rt+R0)=3.3V,所以电源应选E2。当温度为80℃时,热敏电阻的阻值为49.1Ω,则E2=I(Rt+R0+R),此时滑动变阻器的阻值为330.9Ω,所以滑动变阻器应选R2。

(2)测量电路为直流电路,多用电表作为电压表测量电压,因此旋钮应旋至直流电压挡C处。

(3)若只有b、c间断路,则当表笔接入a、b时,整个回路断路,电表指针不偏转;当表笔接入a、c时,电表中有电流通过,电表指针偏转。

(4)当温度为50℃时,热敏电阻的阻值为108.1 Ω,所以应将电阻箱的阻值调至108.1Ω,并调节滑动变阻器使衔铁吸合,再将电阻箱换成热敏电阻,故正确的操作顺序为⑤④②③①。

点评：本题(1)问,要求考生选择合适的器材(电源,滑动变阻器等),完成实验设计。选择电源,应计算实验中需要的电动势E的最小值,然后取电动势稍大的电源。选择滑动变阻器,应考虑实验中的极端情况,求出滑动变阻器的最大值,然后取阻值稍大的滑动变阻器。(2)(3)问,考生可以根据平时所学的实验知识做出判断。(4)问考查实验的操作步骤,如果考生的实际操作经验不足,就容易出错,因此同学们在复习备考过程中一定要亲自操作,认真训练。

跟踪训练

有一个额定电压为2.8 V、功率约为0.8W的小灯泡,现要用伏安法测绘这个小灯泡的I-U图像,有下列器材供选用：

A.电压表(0～3V,内阻6k Ω)

B.电压表(0～15V,内阻30k Ω)

C.电流表(0～3A,内阻0.1Ω)

D.电流表(0～0.6A,内阻0.5Ω)

E.滑动变阻器(10Ω,5A)

F.滑动变阻器(200Ω,0.5A)

G.蓄电池(电动势6V,内阻不计)

图3

(1)用如图3所示的电路进行测量,电压表应选用____,电流表应选用____,滑动变阻器应选用____。(用序号字母表示)

(2)通过实验测得这个小灯泡的伏安特性曲线如图4所示。由图像可求得此小灯泡在正常工作时的电阻为_______Ω。

图4

(3)若将此小灯泡与电动势为6V、内阻不计的蓄电池相连,则要使此小灯泡正常发光,需串联一个阻值为____Ω的电阻。

(责任编辑 张 巧)