把握六个关键要点，有效解答电学实验

浙江

近几年高考电学实验题有两个显著的特点：其一，常规性考查，即基于教材中的电学实验，着重考查实验原理、实验步骤、器材使用和误差分析等；其二，创新性考查，即重视教材中的实验原理和实验方法的迁移和应用。因此，理解实验原理，掌握实验方法，把握实验细节，提高实验能力是解决电学实验的关键。基于以上两点，在电学实验复习中，必须重视以下六个方面。

一、突破核心知识

伏安法是电学实验的核心知识，其中“探究导体电阻与其影响因素的定量关系”“测定小灯泡的伏安特性曲线”和“测定电池的电动势和内阻”等实验都使用了伏安法。

1.测量电阻

伏安法测电阻时，用电压表测出被测电阻两端的电压U，用电流表测出通过被测电阻的电流I，由欧姆定律求出被测电阻的阻值Rx：

2.四项选择

图1

图2

(2)控制电路的选择。选择滑动变阻器时，既要注意实际通过的电流不得超过它的额定电流，也要注意当滑动变阻器的滑片稍有移动时电路中的电流、电压的变化不能太大。滑动变阻器的两种连接方式具体要求如下。

Ⅰ.分压式接法，如图3所示。

①若被测电阻的电压变化范围要求较大，且从零开始连续可调，则应选分压式接法。

②若被测电阻的阻值Rx远大于滑动变阻器总阻值R，则应选分压式接法。

Ⅱ.限流式接法，如图4所示。

①若被测电阻的阻值Rx小于滑动变阻器总阻值R或相差不多，且没有要求电压从零开始调节，则应选限流式接法。

②若两种接法均可选用时，则优先选用限流式接法，因为限流式接法电路消耗的总功率小。

图3

图4

(3)电源选择。根据待测电路的额定电流或额定电压选择符合需要的直流电源。

【例1】(2018年天津卷)某同学用伏安法测定待测电阻Rx的阻值(约为10 kΩ)，除了Rx、开关S、导线外，还有下列器材供选用：

A.电压表(量程0～1 V，内阻约为10 kΩ)

B.电压表(量程0～10 V，内阻约为100 kΩ)

C.电流表(0～1 mA，内阻约为30 Ω)

D.电流表(0～0.6 A，内阻约为0.05 Ω)

E.电源(电动势1.5 V，额定电流0.5 A，内阻不计)

F.电源(电动势12 V，额定电流2 A，内阻不计)

G.滑动变阻器R0(阻值范围0～10 Ω，额定电流2 A)

(1)为使测量尽量准确，电压表选用________，电流表选用________，电源选用________。(均填器材的字母代号)

(2)画出测量Rx阻值的实验电路图________。

(3)该同学选择器材、连接电路和操作均正确，从实验原理上看，待测电阻测量值会________其真实值(填“大于”“小于”或“等于”)，原因是_________________________。

图5

二、理解实验原理

实验原理是实验的灵魂，一切与实验有关的问题都是从实验原理中派生出来的，只有正确理解和熟练掌握课本上每一个学生实验的实验原理和相关的操作要领，与之相应的实验问题才能迎刃而解。因此，我们必须弄清课本上每一个学生实验的原理，注意从这些原型实验的原理中有意识地、积极地提取和积累一些有价值的思想和方法，熟练运用相关的电学规律及学过的实验原理设计新实验、解决新问题。

【例2】(2018年江苏卷)一同学测量某干电池的电动势和内阻。

(1)如图6所示是该同学正准备接入最后一根导线(图中虚线所示)时的实验电路。请指出图中在器材操作上存在的两个不妥之处______________；______________。

图6

R/Ω8.07.06.05.04.0I/A0.150.170.190.220.261I/A-16.76.05.34.53.8

(3)为了得到更准确的测量结果，在测出上述数据后，该同学将一只量程为100 mV的电压表并联在电流表的两端。调节电阻箱，当电流表的示数为0.33 A时，电压表的指针位置如图8所示，则该干电池的电动势应为________V；内阻应为________Ω。

图7

图8

【分析】本题变电压表测电压为通过电阻箱间接测电压。虽然在实验的方法上有所改变，但实验的原理没有变化。

(1)连接电路时电源应与电路断开，开关应处于断开状态；在连接电路时，电阻箱的有效电阻应处于最大状态。

(2)利用数据在坐标系内描点，并作出一条让这些数据点尽可能通过或者靠近的倾斜直线，如图9所示。

图9

三、会用实验仪器

实验要求知道仪器性能、使用规则、操作要领和读数方法，这类问题几乎在每年的高考中都会出现。电学中主要仪器是“三表”。

3.欧姆表。测量时使指针尽可能停在表盘的中间位置附近，读数时取两位有效数字再乘以相应的倍率。使用多用电表测电阻时做到“四注意”。

(1)极性。从电表外部看，电流应从红表笔(“+”极)流入电表，从黑表笔(“-”极)流出电表。

(2)功能。利用多用电表测电压和电流时，选择开关对应的是电表的量程；而测电阻时，选择开关对应的是倍率。

(3)调零。测量电阻时，要进行两次调零，即机械调零和欧姆调零。

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“机械零点”在表盘刻度左侧“0”位置，调整的是表盘下边中间的定位螺丝；“欧姆零点”在表盘刻度的右侧电阻刻度“0”位置，调整的是欧姆调零旋钮。

(4)保护。测电阻时，应把被测电阻从电路中拆下测量；多用电表长期不用时，必须取出表内的电池。

【例3】(2017年全国卷Ⅲ)如图10为某同学组装完成的简易多用电表的电路图。图10中E是电池；R1、R2、R3、R4和R5是固定电阻，R6是可变电阻；表头的满偏电流为250 μA，内阻为480 Ω。虚线方框内为换挡开关，A端和B端分别与两表笔相连。该多用电表有5个挡位，5个挡位为：直流电压1 V挡和5 V挡，直流电流1 mA挡和2.5 mA挡，欧姆×100 Ω挡。

图10

(1)图10中的A端与________(填“红”或“黑”)色表笔相连接。

(2)关于R6的使用，下列说法正确的是________(填正确答案标号)。

A.在使用多用电表之前，调整R6使电表指针指在表盘左端电流“0”位置

B.使用欧姆挡时，先将两表笔短接，调整R6使电表指针指在表盘右端电阻“0”位置

C.使用电流挡时，调整R6使电表指针尽可能指在表盘右端电流最大位置

(4)某次测量时该多用电表指针位置如图11所示。若此时B端是与“1”相连的，则多用电表读数为________；若此时B端是与“3”相连的，则读数为________；若此时B端是与“5”相连的，则读数为________。(结果均保留3位有效数字)

图11

【分析】这是一个有关如何使用多用表的问题，只有掌握了多用表的结构、原理，才能熟练解答。

(1)由使用多用表的规则可知，与多用表内电源正极相连的是黑表笔。

(2)R6是可变电阻，它的作用是欧姆表调零。使用欧姆挡时，先将两表笔短接，调整R6使电表指针指在表盘右端电阻“0”位置，选项B正确。

(4)若此时B端与“1”相连，多用电表是量程为2.5 mA的电流表，则读数为1.47 mA；若此时B端与“3”相连，多用电表是欧姆×100 Ω挡，则读数为1 100 Ω；若此时B端与“5”相连，多用电表是量程为5 V的电压表，则读数为2.95 V。

四、理顺设计思路

设计型实验是指根据考查的实验目的、要求和给出的器材，设计出实验方案。设计型实验注重考查学生的实验思想、实验方法及应用能力，考查凸现实验原理在课本，实验方法在课外的特点。设计型实验多以伏安法为基点，以伏安法测电阻和伏安法测电源电动势为落点展开。解答设计型实验题时要注重以下两点：

1.设计原则

(1)精确性。选择实验方案、仪器、仪表量程时，应尽可能减小实验误差。

(2)安全性。实验要安全可靠，要注意电表不超量程、电阻不超最大允许电流和最大功率，电源不超最大允许电流。

(3)方便性。实验应当便于操作，便于读数，便于进行数据处理。

(4)节能性。实验尽可能节约能源，节约经费。

2.设计思路

解决设计型实验问题的关键是确定实验原理，它是进行实验设计的依据和起点，它决定应当测量哪些物理量、选择哪些实验仪器、如何安排实验步骤、如何处理实验数据等。实验原理的确定，必须根据问题的要求和给出的条件，结合学过的物理实验和有关的物理规律，设法创设相关的物理情景，从而确定实验原理和相关的操作方法。

【例4】(2016年天津卷)某同学想要描绘标有“3.8 V，0.3 A”字样小灯泡L的伏安特性曲线，要求测量数据尽量精确，绘制曲线完整，可供该同学选用的器材除了开关，导线外，还有：

电压表V1(量程0～3 V，内阻等于3 kΩ)

电压表V2(量程0～15 V，内阻等于15 kΩ)

电流表A1(量程0～200 mA，内阻等于10 Ω)

电流表A2(量程0～3 A，内阻等于0.1 Ω)

滑动变阻器R1(0～10 Ω，额定电流2 A)

滑动变阻器R2(0～1 kΩ，额定电流0.5 A)

定值电阻R3(阻值等于1 Ω)

定值电阻R4(阻值等于10 Ω)

定值电阻R5(阻值等于1 kΩ)

电源E(E=6 V，内阻不计)

(1)请画出实验电路图，并将各元件字母代码标在该元件的符号旁。

(2)该同学描绘出的I-U图象应是下图中的________。

A

B

C

D

【分析】(1)由于伏特表V1和V2的量程均不符合要求，因此需对V1进行改装。用量程3 V的电压表V1和R5串联，改装后量程为

通过小灯泡的最大电流为0.3 A，显然，两个电流表均不符合减小误差的要求，需要进行改装。取量程为200 mA的A1与定值电阻R4并联，改装后的量程为

由于要描绘小灯泡的伏安特性曲线，加在小灯泡两端的电压需从零开始，因此，滑动变阻器应接成分压式接法，滑动变阻器的阻值应比较小，可选择R1；由于待测小灯泡的阻值较小，因此采用电流表外接电路。这样可以设计出如图12所示的电路。

图12

(2)由于小灯泡的电阻随温度升高而变大，故该同学描绘出的I-U图线应该是B。

五、熟悉操作细节

在电学实验中，实际操作的主要内容包括实物电路连线、电路元件的正确使用和实验数据的处理等几个方面。

1.实物电路连线

(1)整合。根据要求设计出的电路图，尽可能让各电路元件的相对位置与实物图相吻合，这样有利于连线。

(2)连线。在电路图上对接线进行编号，并弄清各条导线两端应接到哪个接线柱，而后，从电源出发沿着电流的流向对逐条导线进行连接。

(3)检查。对照电路图逐条检查连线情况，检查各元件的连接关系是否正确、电表的量程和正负极连接是否准确、变阻器的滑动触头是否处于恰当位置等。要注意两根连线不能交叉、实验连线时开关一定处于断开状态、连线应接到元件的接线柱上、直流电流表和电压表应保证电流从“+”接线柱流入,从“-”接线柱流出等。

2.实验数据处理

在电学实验中，数据处理多用图象法，处理时要特别注意以下几点：

(1)标度合适。选择合适的坐标标度值，使画出的数据点尽可能散开，以利于作图、分析和研究；

(2)连线科学。连线时尽量使数据点合理地分布在连线的两侧，画线要细；

(3)明确含义。弄清图线的点、斜率、截距和面积等的物理含义，以便研究横坐标和纵坐标所代表的物理量之间的关系。

【例5】(2018年全国卷Ⅲ)一课外实验小组用如图14所示的电路测量某待测电阻Rx的阻值，图中R0为标准定值电阻(R0=20.0 Ω)；可视为理想电压表。S1为单刀开关，S2为单刀双掷开关，E为电源，R为滑动变阻器。采用如下步骤完成实验：

(1)按照实验原理线路图13，将图14中实物连线；

图13

图14

(2)将滑动变阻器滑动端置于适当位置，闭合S1；

(3)将开关S2掷于1端，改变滑动变阻器动端的位置，记下此时电压表的示数U1；然后将S2掷于2端，记下此时电压表的示数U2；

(4)待测电阻阻值的表达式Rx=________(用R0、U1、U2表示)；

(5)重复步骤(3)，得到如下数据：

12345U1/V0.250.300.360.400.44U2/V0.861.031.221.361.49U2U13.443.433.393.403.39

【分析】实物连线如图15所示。

图15

六、把握创新脉搏

电学创新实验题往往以电路的设计或者新增某种新电路元件等形式出现，它的主要特点是源于教材但又高于教材，虽然考试的形式有所创新，但是考核的实验原理和实验方法是中学教学中所要求的。解答创新实验题时，要善于审清题意，明确实验目的，有效捕获题给的文字、图表和器材中的信息，快速搭建与新实验相对应的中学物理实验的桥梁，有效地实现将教材中的学生实验的实验原理、方法进行迁移和应用。

【例6】(2015年重庆卷)同学们测量某电阻丝的电阻Rx，所用电流表的内阻与Rx相当，电压表可视为理想电压表。

图16

(1)若使用图16所示电路图进行实验，要使得Rx的测量值更接近真实值，电压表的a端应连接到电路的________点(填“b”或“c”)。

(2)测得电阻丝的U-I图如图17所示，则Rx为________Ω(保留两位有效数字)。

图17

(3)实验中，随电压进一步增加电阻丝逐渐进入炽热状态。某同学发现对炽热电阻丝吹气，其阻值会变化。他们对此现象进行探究，在控制电阻丝两端的电压为10 V的条件下，得到电阻丝的电阻Rx随风速v(用风速计测)的变化关系如图18所示。由图可知当风速增加时，Rx会________(填“增大”或“减小”)。当风速增加过程中，为保持电阻丝两端电压为10 V，需要将滑动变阻器RW的滑片向________端调节(填“M”或“N”)。

图18

(4)为了通过电压表的示数来显示风速，同学们设计了如图19所示的电路。其中R为两只阻值相同的电阻，Rx为两根相同的电阻丝，一根置于气流中，另一根不受气流影响，为待接入的理想电压表。如果要求在测量中，风速从零开始增加，电压表的示数也从零开始增加，则电压表的“+”端和“-”端应分别连接到电路中的________点和________点(均填“a”“b”“c”或“d”)。

图19

【分析】本题将欧姆定律和伏安法测电阻原理应用到一个阻值随风速变化的电阻上，虽然应用的原理和知识是大家所熟悉的，但它不失为一个创新型的实验题。

(1)由于电流表有较大内阻，而电压表是理想电压表，故选择电流表外接法可以减小测量误差，所以电压表的a端应连接到电路的c点。

(3)由图18可知，风速增大后，Rx减小。当Rx减小，使电路总电阻减小，导致总电流增大，最后使得并联部分的电压减小，因此，滑动变阻器的滑片应向M端滑动才能使并联部分的电压重新增大到10 V。

(4)当风速为零时，电压表的示数也为零，满足Ucd=Ucb；当下端的Rx减小后，dc间的电压减小，即d点电势减小，有φd<φb，故电压表的正接线柱接在b点，负接线柱接在d点。