例谈高考电学实验复习与备考

［摘 要］电学实验是每年高考的必考内容，文章对高考电学实验进行了归类分析，提出了高考电学实验复习中应注意的问题以及应对方法，对高考电学实验复习与备考具有一定的指导意义。

［关键词］电学实验；高考；复习方略

［中图分类号］    G633.7        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2022）23-0029-05

电学实验是高中物理实验教学的重要一环，每年高考都少不了针对电学实验的相关试题。它既能考查学生的实验设计能力和动手能力，又能考查学生的探究能力、创新能力等。物理课程标准明确要求学生“能选用实验器材进行实验，获取实验数据；会用图像处理实验数据，能根据图像获得结论；能分析实验中存在的误差，并提出减小误差的方法”。要求教师“引导学生进行科学探究，培养学生的实验设计、分析论证、反思评估等能力”。

电学实验考查涉及实验的目的、原理、器材、步骤及误差分析等方面，实验多、器材多、数据采集多，可考查范围广。有的实验线路挺复杂，单是接线都需要很长时间，常使学生觉得杂乱无序，一团乱麻，不知如何应对。针对高考电学实验的复习与备考，本文从以下几个方面予以归类剖析。

一、测电阻类实验

从历年高考物理试卷不难看出，测电阻类实验题的占比居高不下。鉴于此，我们须掌握此类实验的各种测量方法，如伏安法、半偏法、替代法、利用多用电表测电阻等方法，以及掌握电压表、电流表、电源、定值电阻、滑动变阻器、单刀与双刀开关等相关器材的选择与接入方法等。

以实验器材的选取为例，比如常用的电流表、电压表，往往会给你两到三个，让你选择一个最合适的。那么依据什么来选择呢？一般要考虑以下几个方面（如图1）。

其中仪表的量程，如最常见的电流表、电压表，要依据待测电流或电压的大小选取。一般说来，要使指针偏转程度超过所选量程的2/3，至少也要超过1/2。如果量程选择太大致使指针偏转角度过小，会使测量误差过大。反之，若量程选择太小，过大的电流或电压会造成电表损毁。

测电阻最常用的方法是伏安法，电路如图2所示。

设图中电流表内阻为[RA]，电压表内阻为[RV]，待测电阻为[Rx]，为使实验误差减小，借助串并联规律可推知：当[RV] <<  [Rx]时，宜选用电流表外接法，如图2（a）中虚线内所示，由于电压表的分流，此种情况下电阻的测量值偏小；当[Rx] >> [RA]时，宜选用电流表内接法，如图2（b）中虚线内所示，由于电流表的分压，此种情况下电阻的测量值偏大。

当然，有时会遇到待测电阻无法估测的情况，该怎么办？可用“试触法”，如图3所示，让电压表的连线[p]先后与触点[a]，[b]接触，看两表的读数变化情况。如果电压表的读数变化较大，而电流表的读数变化很小，说明电流表分压较多，则应接在[a]点；反之，如果电流表的读数变化较大，而电压表的读数变化很小，说明电压表分流较多，则应接在[b]点。

至于滑动变阻器该以何种方式接入电路，一般是按照如下要求连接。

以下几种情况宜采用滑动变阻器分压式接法：

①要求待测电阻[Rx]的电压或电流从零开始变化；

②若采用限流式接法，即便将滑动变阻器的阻值调至最大，仍会出现电压或电流的值超过量程的情况；

③当待测电阻值[Rx]远大于滑动变阻器的总电阻值时，若采用限流式接法，会出现调节范围过于狭窄的情况。

以下几种情况宜选用滑动变阻器限流式接法：

①测量时电路电流或电压没有要求必须从零开始连续调节，只是小范围内测量，且待测电阻值[Rx]接近或小于滑动变阻器电阻[R]；

②电源允许的放电电流或滑动变阻器的额定电流太小，不能满足分压式接法的要求；

③没有很高的要求，仅从安全性和精确性角度分析两者均可采用时，可考虑安装简便和节能因素，采用滑动变阻器限流式接法。

一般说来，在电流表、电压表都有且量程合适的情况下，测电阻都可以考虑伏安法；若没有提供电压表，但所提供的电流表内阻已知，则可以把电流表当作电压表来使用，此种方法称为“安安法”；若没有提供流电表，但所提供的电压表内阻已知，同样可以把电压表当作电流表来使用，此种方法称为“伏伏法”。

当然，测电阻最简单的方法还是利用多用电表（即万用表）来测量，其测量方法和步骤是：

①用小螺丝刀进行机械调零；

②选择好倍率后，用手转动欧姆调零旋钮进行欧姆调零；

③将待测电阻从电路中断开，手握表笔的绝缘部分进行测量，注意手不要触及表笔的金属杆部分；

④测量结束，拔出表笔，将选择开关置于OFF挡。

要注意的是，在使用欧姆挡时，利用的是多用电表内的内置电源，电流是从负接线柱（黑表笔）流出、从正接线柱（红表笔）流入的，这一点有不少学生会搞反。

［例1］（2022年全国高考甲卷理综） 某同学要测量微安表内阻，可利用的实验器材有：电源[E]（电动势[1.5 V]，内阻很小），电流表（量程[10 mA]，内阻约[10 Ω]），微安表（量程[100 μA]，内阻[Rg]待测，约[1 kΩ]），滑动变阻器[R]（最大阻值[10 Ω]），定值电阻[R0]（阻值[10 Ω]），开关S，导线若干。

（1）在答题卡上将图4中所示的器材符号连线，画出实验电路原理图              ；

（2）某次测量中，微安表的示数为[90.0 μA]，电流表的示数为[9.00 mA]，由此计算出微安表内阻[Rg=]          [Ω]。

解析：（1）为了准确测出微安表两端的电压，可以让微安表与定值电阻[R0]并联，再与电流表串联，通过电流表的电流与微安表的电流之差，可求出流过定值电阻[R0]的电流，从而求出微安表两端的电压，进而求出微安表的内阻。由于电源电压过大，并且为了测量多组数据，滑动变阻器采用分压式接法，实验电路原理图如图5所示。

（2）流过定值电阻[R0]的电流为：

[I=IA-IG=9.00 mA-0.09 mA=8.91 mA]

微安表两端的电压为：[U=IR0=8.91×10-2V]

微安表的内阻为：

[Rg=UIG=8.91×10-290.0×10-6Ω=990 Ω]

二、测量电源参数类实验

如图6所示，是测量电源的电动势和内阻的电路，利用闭合电路欧姆定律不难得出相关参数。利用图6（a）所示的电路，由于电压表的分流作用，使得电动势和内阻的测量值都偏小。简单地讲，我们可以把图6（a）中虚线框内的部分看作一个等效电源，容易看出：[E测=E真RV+r真RV]，[r测=r真RVRV+r真]，但由于电压表的内阻一般都很大，所以实验误差实际上还是很小的。

假如采用图6（b）电路，可将电流表和电源作为一个整体看作一个等效电源，如图6（b）中虚线框内部分所示，易知电动势的测量值是准确的，即[E测=E真]。而内阻的测量值[r测=r真+RA]，比真实值大出了一个电流表的内阻，而电流表的内阻与电源的内阻常常比较接近，故测得内阻的误差常常很大。因此，要求同时测量电源的电动势和内阻时，须采用图6（a）电路。如果只是要求测量电动势，不要求测内阻，则采用图6（b）电路。

如果所给器材没有电流表，仅有电压表和电阻箱等器材，可以采用图7（a）所示的电路，通过[E=U+URr]来求电动势和内阻。当然，若电压表的量程不够，我们可以给它串联一个定值电阻。

如果所给器材没有电压表，仅有电流表和电阻箱等器材，也可以进行相应的测量。譬如图7（b）所示的电路，就是之前新课标全国卷上一道实验考题的附图，其中电流表内阻[RA]已知，[R0]和[R1]为定值电阻，通过[E=IA+IARAR1R0+R+r+IARA]绘出[1IA-R]图像，借助图像来寻求电动势和内阻。当然，由于图中电流表的量程不够，因此给它并联了一个定值电阻[R1]，以扩大量程。

［例2］（2021年高考全国乙卷） 一实验小组利用图8（a）所示的电路测量一电池的电动势[E]（约[1.5 V]）和内阻[r]（小于[2 Ω]）。图中电压表量程为[1 V]，内阻[RV=380.0 Ω]，定值电阻[R0=20.0 Ω]；电阻箱[R]，最大阻值为[999.9 Ω]；S为开关。按电路图连接电路。完成下列填空：

（1）为保护电压表，闭合开关前，电阻箱接入电路的电阻值可以选             [Ω]（填“5.0”或“15.0”）；

（2）闭合开关，多次调节电阻箱，记录下阻值[R]和电压表的相应读数[U]；

（3）根据图8（a）所示电路，用[R]，[R0]，[RV]，[E]和[r]表示[1U]，得[1U=]                 ；

（4）利用测量数据，作[1U-R]图线，如图8（b）所示；

（5）通过图8（b）可得[E=]          V（保留2位小数），[r=]           [Ω]（保留1位小数）；

（6）若将图8（a）中的电压表当成理想电表，得到的电源电动势为[E]，由此产生的误差为[E-EE×100%=]              [%]。

解析：（1）设电压表量程为[Um]，为了避免电压表被烧坏，接通电路时电流不能超过[UmR0]，即[ER+R0+r<UmR0]，若取数据[E=1.5 V]，[r=2 Ω]代入解得[R>8 Ω]，因此选[15.0 Ω]。

（3）由闭合回路的欧姆定律可得[E=U+UR0RVR0+RVR+r]，化简可得：

[1U=R0+RVER0RV·R+1E+R0+RVrER0RV]

（5）由上面公式可得斜率[k=R0+RVER0RV=119E]，截距[b=1E+R0+RVrER0RV=1E+r19E]。

在[1U-R]图像上选取两点（[10 Ω]，[1.02 V-1]）、（[20 Ω]，[1.36 V-1]），计算可得斜率[k=1.36-1.0220-10V-1·Ω=0.034 V-1·Ω]，设直线过（[0 Ω，b V-1]）点，由等差关系有[1.36-1.02=1.02-b]，所以截距[b=0.68 V-1]，代入可得[E≈1.55 V]，[r≈1.0 Ω]。

（6）如果电压表为理想电压表，则[RV→∞]，有[1U=1E+rER0+1ER0·R]，此时电动势[E=120 k]，因此误差为[η=E-EE=120k-119k119k×100%=5%]。

三、电表改装类实验

改装类问题不难，依据就是欧姆定律。把表1中所蕴含的信息给学生交代清楚即可。高考中大多呈现的是将改装后的电表应用在测电阻或测电源参数的电路之中，常以综合考查的形式出现。