1、08高考疑难解析 电学实验中的“选择”问题北京 韦中燊摘要：电流表、电压表、滑动变阻器等电学器材的选择是电学实验的一个难点，尤其是滑动变阻器分压、限流两种接法的选择，更让学生感到困惑。但是，处理此类问题依然有一定的规律可循，即安全性、精确性以及一些特定的实验的特定要求，将是我们解决此类问题的主要依据。关键词：合理选择 分压电路 限流电路 0引言电学实验是高考实验试题中的热点问题，往往要涉及器材选择，实物连接、读数及数据处理、电路设计等方面的内容。而其中的器材选择和电路设计问题则是考查的重点和难点，也是学生在复习过程中的困惑比较多的地方。事实上，无论是器材的选择，还是电路设计，归根结底都是落在一
2、个合理“选择”的问题上。因为就目前考查的这些试题来看，所谓电路设计，主要的还是体现在对电流表内、外接法的选择和滑动变阻器分压、限流接法的选择上。而学生之所以感到困惑，就是不知道到底什么情况下应该做出什么样的选择，这固然与学生对知识掌握得不牢固有关，但这些问题之中有没有一定的规律存在呢？1实验器材的选择就目前的高考试题来看，电学实验的器材选择主要体现在电源、电流表、电压表和滑动变阻器的选择上。（1）安全性原则。所谓安全性原则，就是所选用的器材要保证电路中所有仪器的安全，以及自身的安全。比如电源，所选择的电源加在某个用电器上所产生的电流和电压，不能超过相应的电流表和电压表的量程；不能使电阻类元件的
3、实际电流和电压超过其最大允许通过的电流和电压。再比如，在所提供电源一定的情况下，所选用的电流表和电压表的量程就要注意不能比事实上提供的小，等等。（2）精确性原则。在安全第一的前提下，还必须要求读数的尽量精确，换句话说，不能为了安全，不管别的，哪个量程大用哪个。对于电流表和电压表来说，满足安全的前提下，读数因为量程的1/3到2/3之间为最好。（3）一些特定的实验有特定的要求。比如，“用半偏法测量电流表的内阻”这个实验中，如果电源可供选择，则尽量选大一点的，当然，还要有与之相配套的滑动变阻器；而放在赶路上的滑动变阻器也应该选择总电阻大一些的，以确保以这个滑动变阻器连入电路中的部分起到主要作用，这样
4、该实验的误差才能小一些。再有，“测量电源电动势和内阻”这个实验中所选用的滑动变阻器则希望总电阻相对较小一些，这样在改变它连入电路中的电阻是，路点电压的变化相对明显一些，也就是尽量让内电阻在该实验中体现作用（见例2）。2电流表的内、外接法的选择由于在实际实验中所用的电流表和电压表都是具有一定内阻的，这些内阻的存在必然会给实验带来系统误差，我们能做的就是根据不同的实验实际采用不同的接法，尽量减小误差。一般而言，测量相对较大的电阻的时候，用电流表的内接法；测量相对较小的电阻的时候，则选用电流表的外接法。那么，电阻是大还是小，依据又是什么？首先，如果已知电流表、电压表的内阻和待测电阻的大概值，那么待测
5、电阻比电流表内阻小或者差不多的，就为小电阻；比电压表内阻大或者差不多的，就为大电阻。其次，也可以借助下列关系。当时，一般采用内接法；当时，则采用外接法。第三，如果电流表和电压表的内电阻均不知道，还可以用试触的方法。通过试触看两个标的示数的变化情况，如果电压表的示数变化比较大，说明该实验中电压带来的误差比较大，故需要所测电压值尽量是真实的，宜选用外接法；如果电流表示数变化较大，则宜选用内接法。3滑动变阻器的分压、限流接法的选择滑动变阻器接法的选择是试题中一个比较难的点，比起上述的内、外接法，更让学生感到头疼。一般情况下，我们都说分压接法选择总电阻较小的滑动变阻器，限流接法选择总电阻较大的滑动变阻
6、器。但是，这并不是绝对的，比如分压接法，也不是滑动变阻器的总电阻越小越好。因为，要想很准确地做好这个问题，最好还是依据下列的一些原则。（1）安全性原则。也就是说所选用的滑动变阻器以及接法，首先保证电路的安全。如果把这个滑动变阻器的全部电阻都连入到电路中去，电路中的电流还是电流表不能承受的，这种情况下就必须选用分压接法了。从安全角度来说，分压接法的安全性要高得多。（2）遵循实际要求原则。很多时候，试题中是有明确的要求的，这个时候滑动变阻器及其接法就必须按要求选择了。若题目中有“电压从0开始调节”、“要求较大的电压变化范围”等要求时，则需要选用分压接法，所需用的滑动变阻器的总阻值要相对小一些（但绝
7、不是越小越好，还要确保自身的承受安全）；若题目中出现“调节滑动变阻器是电路中电流变化比较明显”等要求，则选用限流电路，滑动变阻器的总阻值应比电路其他的所有电阻的总阻值大。（3）科学性原则。就是根据滑动变阻器与待测电阻的关系，选择相应的接法。如果滑动变阻器的总阻值比待测的电阻要小，适合用分压接法；反之，滑动变阻器的总电阻比待测电阻阻值大，则适合用限流接法，此时如果所提供的滑动变阻器有两个，且均满足上述条件，则选择总电阻相对较小的，调节灵敏度高（见例4）。4例题解析4.1 已知电路情况下的选择部分问题中的实验电路是已知的，我们只需要根据电路的要求进行选择。一般来说，这种情况下的选择的难度要低一些，
8、尤其是在滑动变阻器的选择方面。例1 （2006 北京21（2） 某同学用图1所示电路，测绘标有“3.8V，0.3A”的小灯泡的灯丝电阻R随电压U变化的图像。除了导线和开关外，有以下一些器材可供选择：电流表：A（量程100mA，内阻约2）； A（量程0.6A，内阻约0.3）；电压表：V（量程5V，内阻约5k）； V（量程15V，内阻约15k）；滑动变阻器：R（阻值范围010）； R（阻值范围02k）；电源：E（电动势为1.5V，内阻约为0.2）； 图 1 E（电动势为4V，内阻约为0.04）；为了调节方便，测量准确，试验中应选用电流表 ，电压表 。滑动变阻器 ，电源 ；（填器材的符号）解析：本题
9、由于实验电路已知，所以在器材选择上就相对容易很多。小灯泡的额定电压是3.8V，又由于是分压电路，安全没有问题，故电源就应该选择E，与之相匹配的电压表、电流表也就很明显的应该是V和A。然后，由所提供的数据，就可以得到灯泡正常工作时的电阻约为12.7，再考虑到是分压电路，所以滑动变阻器就只有选择R了。对于实验电路已知，除了题目明确告知这一类，还有一类是隐含的已知。这是指一些特定实验的特定电路，比如“测电源的电动势和内阻”、“将电流表改装成电压表”。例2 （2007 北京市东城一模）实验室中准备了下列器材：待测干电池（电动势约1.5V，内阻约1.0）电流表G（满偏电流1.5mA，内阻10）电流表A（
10、量程00.60A，内阻约0.10）滑动变阻器R1（020，2A）滑动变阻器R2（0100，1A）定值电阻R3=990，开关S和导线若干小明同学选用上述器材（滑动变阻器只选用了一个）测定一节干电池的电动势和内阻。为了能较为准确地进行测量和操作方便，实验中选用的滑动变阻器，应是_。（填代号）请在方框中画出他的实验电路图。右下图为小明根据实验数据作出的I1-I2图线（I1为电流表G的示数，I2为电流表A的示数），由该图线可得：被测干电池的电动势E=_V，内阻r=_。00.10.20.30.40.50.6I2/AI1/mA1.01.11.21.31.41.5R3AR1GSE解析：本实验是测定电源电动势
11、和内阻。这个实验的电路是特定的，所需器材有特定的要求，因此，滑动变阻器应该尽量选择总电阻较小的，以体现内电阻对路端电压的影响。由于本题没有提供电压表，所以就由所提供的电流表G串联一个定值电阻改装而成。故实验电路如图2所示。 图 2 42 需要根据实验要求设计电路的情况下的选择MN图3（甲）例3 （2008 北京市海淀零模） 有一根长陶瓷管，其表面均匀地镀有一层很薄的电阻膜，管的两端有导电箍M和N，如图3(甲)所示。用多用表电阻档测得MN间的电阻膜的电阻约为1k，陶瓷管的直径远大于电阻膜的厚度。某同学利用下列器材设计了一个测量该电阻膜厚度d的实验。 A米尺(最小分度为mm)；B游标卡尺(游标为2
12、0分度)；C电流表A1(量程05mA，内阻约10 W)；D电流表A2 (量程0100mA，内阻约0.6W);E电压表V1 (量程5V，内阻约5kW)；F电压表V2 (量程15V，内阻约15kW)；G滑动变阻器R1 (阻值范围010 W，额定电流1.5A)；H滑动变阻器R2 (阻值范围01.5KW，额定电流1A)；I电源E (电动势6V，内阻可不计)；J开关一个，导线若干。（略）为了比较准确地测量电阻膜的电阻，且调节方便，实验中应选用电流表 ，电压表 ，滑动变阻器 。（填写器材前面的字母代号）在方框内画出测量电阻膜的电阻R的实验电路图。图 4R1ARVES解析：由题设条件已知待测电阻约为1k，又
13、要求“比较准确地测量电阻膜的电阻，且调节方便”，因此，滑动变阻器应采用分压电路的接法，因为这样的接法可以得到的数据范围大，准确性较高，故可确定应该选择滑动变阻器R1。因为已经确定了用分压电路，安全问题已经不用担心，而实际电源的电动势只有6V，在考虑精确性的情况下，选用电压表V1时合适的。有了这样的选择，只要简单计算一下，也就是假设将所允许的5V电压全部加在该电阻上，由得到通过该电阻的最大电流为5mA，所以，不难确定电流表只能选择A1。根据以上选择，不难画出实验的电路图（图4）。例4 （2007 北京市西城二模）某同学做“测定金属电阻率”的实验。这位同学采用伏安法测定一段阻值约为5W的金属丝的电
14、阻。有以下器材可供选择：（要求结果尽量准确）A 电池组（3 V，内阻约1W）；B 电流表（03 A，内阻约0.025W）C 电流表（00.6 A，内阻约0.125W）D 电压表（03 V，内阻约3 kW）E 电压表（015 V，内阻约15 kW）F 滑动变阻器（020W，额定电流1A）G 滑动变阻器（01000W，额定电流0.6A）H 开关、导线。实验时应选用的器材是 （填写个器材的字母代号）。请在下面的虚框中划出实验电路图。解析：本题中的电源已经给定，在安全性和精确性的双重考虑下，电压表和电流表很容易选出。对于滑动变阻器，由于所提供的两个滑动变阻器的总电阻都比待测电阻要大，这就决定必须采用限流电路的接法，在此前提下，则选择总电阻相对较小的，调节灵敏度高一些。同时，由于待测的电阻与电流表和电压表的内阻比起来，应该算是小电阻，因此在电路上应该采用电流表外接法。所以所选器材是A.C.D.F.H，电路图如图5所示。 图55小结电学实验中器材的选择是一个很复杂的问题，所以，我们首先要熟悉的就是最基本的原则。此外，对于课本上的几个基本实验的相关内容一定要非常熟悉，比如“描绘小灯泡的伏安特性曲线”、“测定电阻丝的电阻率”、“测电源的电动势和内阻”、“将电流表改装成电压表”等。总之，在熟练基本原则的前提下，注意积累自己在解体过程中获得的经验，一定能够准确地解决问题。
