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近年来高考物理实验题,大多是以电学实验为背景的电路设计题,并且试题灵活度大,对学生能力考查要求较高,成为许多学生的难点题。以下笔者以两道高考题为例,分析并探讨关于实验电路设计的教学。
例1:【2008年全国高考理综Ⅰ第27题(Ⅱ)(12分)】一直流电压表,量程为1V,内阻为1000Ω,现将一阻值为5000～7000Ω之间的固定电阻R1与此电压表串联,以扩大电压表的量程.为求得扩大后量程的准确值,再给定一直流电源(电动势ε为6～7V,内阻可忽略不计),一阻值R2=2000Ω的固定电阻,两个单刀开关S1、S2及若干线。
(1)为达到上述目的,将答题卡上对应的图连成一个完整的实验电路图。
(2)连线完成以后,当S1与S2均闭合时,电压表的示数为0.90V;当S1闭合,S2断开时,电压表的示数为0.70V,由此可以计算出改装后电压表的量程为〖CD#2〗V,电源电动势为V.
分析:
(1)确定解题思路:为求得扩大后的量程Ug=Ig(Rv+R1),因Ig=Ug/Rv=1V/1000=1mA,所以要求出Ug,只要求出R1即可。由闭合电路欧姆定律,电动势ε=I(Rv+R1+Rp),式中,ε、I、R1都未知,而由于电压表内阻已知,所以此电压表可当作电流表来使用,I=U/Rv,(即I可当作已知量),所以只需改变Rp两次,测得两组数据列方程求解即可。但题目中,并没有提供滑动变阻器或变阻箱,只给了一个和开关并联的定值电阻。而开关的闭合与断开,可以改变电路中的总电阻,从而改变电路中的电流和电压。所以此题可将电压表、R1、R2串联,再将开关S2与R2并联即可解决问题。设计电路图如图2。
(2)S1、S2都闭合时,R2短路,I1=U1/Rv=0.90V/1000=0.9mA,ε=I1(Rv+R1)=0.9×10-3×(1000+R1),S1闭合,S2断开时,I2=U2/Rv=0.70V/1000=0.7mA,则ε=I2(Rv+R1+R2)=0.7×10-3×(1000+R1+2000)联立两方程求解,可求得R1=6000 ,ε=0.9×10-3×(1000+6000)=6.3V,而Ug=Ig(Rv+R1)=7V.
点评:电路的设计中用到了闭合电路欧姆定律和等效替代的思想。
例2:【2009年高考理综福建卷19(Ⅱ)(12分)】某研究性学习小组为了制作一种传感器,需要选用一电器元件。图为该电器元件的伏安特性曲线,有同学对其提出质疑,先需进一步验证该伏安特性曲线,实验室备有下列器材:①为提高实验结果的准确程度,电流表应选用;电压表应选用;滑动变阻器应选用。(以上均填器材代号)。②为达到上述目的,请在虚线框内画出正确的实验电路原理图,并标明所用器材的代号。③若发现实验测得的伏安特性曲线与图中曲线基本吻合,请说明该伏安特性曲线与小电珠的伏安特性曲线有何异同点?相同点:,不同点:
A、电流表(A1)量程0～50mA,内阻约为50k
B、电流表(A2)量程0～200mA,内阻约为10k
C、电压表(V1)量程0～3V,内阻约为10k
D、电压表(V2)量程0～15V,内阻约为25k
E、滑动变阻器(R1)阻值范围0～15k,允许最大电流1A
F、滑动变阻器(R2)阻值范围0～1k,允许最大电流100mA
G、直流电源(E)输出电压6V,内阻不计
H、开关(S)导线若干
分析:
(1)确定电流表、电压表:由I-U图线可知,该元件I与U成非线性关系,其阻值在20～100之间,实验中通过元件的电流最大约0.12A,即120mA,超出A1的量程,故电流表应选A2,而元件两端电压最高为2.5V,若选电压表V2,其量程为15V,对0～2.5V的电压来说,其指针只是偏转了一点点位置,这样测得的电压值误差较大,故应选电压表V1,可以使其指针在读数时有较大偏转,可减小实验误差。
(2)选择滑动变阻器:为了便于调节用电器两端电压,滑动变阻器阻值不宜过大,否则滑片稍有移动,电流电压便有很大变动,不便于调节用电器两端电压。根据可操作性原则,应选R1。
(3)确定测量电路:由于RA=10,RV=10KΩ,所以临界电阻R=RARV=300Ω,而待测元件阻值Rx在20～100之间,Rx (4)确定控制电路:由于变阻器R1的全值小于被测元件的阻值,应将它连成分压电路。根据以上分析,可设计出电路原理图如下:
(5)相同点与不同点:(略)
点评:这是一道典型的伏安法测电阻的实验题,灵活地考查了各电表的选择,电流表的内外接法及滑动变阻器的接法。
另外,对近几年高考题分析可知,高考中物理电路设计题型中用到的知识点基本上都是闭合电路欧姆定律、串并联电路的特点等,无论是电流表的内外接法还是滑动变阻器的限流式还是分压式接法或是误差分析,用到的知识点大致都是这两个知识点。而电路设计题中,按常规方法测缺少某些器材时,用到的基本思想是等效替代方法,只是具体题型物理背景不同,考的形式不同。那么对形式万变的电路设计题,在平时的复习教学中,教师应从哪些方面去训练学生,才能使学生有较强的实验电路设计能力呢?笔者认为应从以下几个方面着手:
1.应重视基础,将基本知识点讲清、讲透
面对千变万化的高考题,应立足于扎实的基础知识,以不变应万变。创新归于基础,没有扎实的基础,就不可能有创新。教师在平时教学中,首先要认认真真将大纲规定的每个电学实验的原理、步骤讲清、讲透,包括每个实验器材的内部构造、测量原理都要给学生讲清,使学生能深刻理解实验仪器的原理,掌握实验仪器的特点和使用方法,掌握电学实验中的实验原理,如部分电路欧姆定律、闭合电路欧姆定律和串并联电路的特点等等,这是实验设计的基础。并且平时的实验教学一定要强调学生的动手操作能力的训练,这样才能使学生真正地理解、掌握这些实验原理,为灵活运用这些原理打下扎实的基础。如伏安法测电阻这个实验,按课本上的做法需要哪些器材,要测哪些物理量,如何测,怎样利用测得的数据计算出待测电阻,并分析测量误差是如何产生的,如何减少误差等。只有把这些基础的东西分析透彻了,搞懂了,才能在实验情境、条件变化时,能正确地选择平时已学过的实验原理,将课本实验中学到的实验原理和方法转变为自己的设计能力,进行创新解题。
2.教给学生常规的解题方法
拿到一道电路设计题,先从题目中给定的唯一或确定的器材入手,分析电路中可能的最大电流和最小电流,并从仪器的安全性、精确性、可操作性方面去考虑,以此选择电流表、电压表,并根据题设条件,确定电流表是内接还是外接:通常情况下,若待测电阻远大于电流表的内阻,或Rx>时,采用内接法;当待测电阻与电流表的内阻相近时或Rx<时应采用外接法。再确定变阻器的接法是限流式还是分压式:通常,如果用电器两端电压要求变化范围较大,或要求从零开始连读可调,应选分压电路;若滑动变阻器的全电阻和用电器电阻差不多或大几倍时,可考虑用限流电路;当滑动变阻器的全电阻比用电器的电阻小得多时,应选用分压电路。最后,要能正确分析实验误差。对常用的半偏法测电流表、电压表的内阻,要讲清其测量原理。教学中,教师要精选常规题型,讲清、讲透实验设计原理,让学生反复训练,使其熟能生巧,牢固掌控电路设计的常规解法。对于题型训练,不能对学生进行题海战术的训练,而应该是教师深入题海,根据教学目标和学生实际情况,精选出一部分典型的习题或对一些习题进行改编,创设出一系列环环相扣的习题,对学生进行精练,使学生对解题技能有很好的掌握,最终能灵活运用。
3.对常规解题进行创新,训练学生等效替代的解题思路和方法
电路设计题型中,对如果缺少常规器材的,一定要训练学生从等效替代方面去思考。如已知内阻的电流表,可把它视为电压表来利用;已知内阻的电压表,可把它视为电流表来利用;题目中,若没有给电压表,但有一个电阻箱和电流表,则可考虑将电阻箱和电流表串联后将它视为电压表来利用;电阻箱和电压表的并联,可把它视为电流表来利用。又如在例1中,定值电阻和开关的并联,可起到改变电路电阻的作用,从而可调节电流和电压,等等。在平时教学中,教师要精选题型,采用启发式、探究式教学,对这些解题方法与技能进行经常性的训练,并对各种电学实验设计方法进行归纳总结,找出可供操作的要领和方法,让学生了解、熟识、掌握并运用这些方法与技巧,就能大大开阔电路设计的思维和视野,从而提高学生灵活设计电学实验的能力。
现在,高考实验题命题趋向于考察学生对已有知识的整理和改组能力,这需要学生在平时解决问题的研究性学习过程发展这种能力,学生只会做课本上的实验是远远不够的,因此,教师在平时的实验教学中应由传统的验证性、测量性实验向探究性实验转变,采用探究式教学,要使学生习惯于主动探究发现的学习,习惯于多方提出假设和解决问题的能力,从而发展起正确处理信息并对之进行整理和改组的能力,这样才能让学生面对千变万化的新题型时以不变应万变,用扎实的基础知识,通过对实验条件的分析,灵活选用实验设计的原理和方法,使学生在高考时不再将电路设计题视为难题,而在平时的教学训练中不再感到枯燥,能体味到物理思维训练带来的成功与快乐。
例1:【2008年全国高考理综Ⅰ第27题(Ⅱ)(12分)】一直流电压表,量程为1V,内阻为1000Ω,现将一阻值为5000～7000Ω之间的固定电阻R1与此电压表串联,以扩大电压表的量程.为求得扩大后量程的准确值,再给定一直流电源(电动势ε为6～7V,内阻可忽略不计),一阻值R2=2000Ω的固定电阻,两个单刀开关S1、S2及若干线。
(1)为达到上述目的,将答题卡上对应的图连成一个完整的实验电路图。
(2)连线完成以后,当S1与S2均闭合时,电压表的示数为0.90V;当S1闭合,S2断开时,电压表的示数为0.70V,由此可以计算出改装后电压表的量程为〖CD#2〗V,电源电动势为V.
分析:
(1)确定解题思路:为求得扩大后的量程Ug=Ig(Rv+R1),因Ig=Ug/Rv=1V/1000=1mA,所以要求出Ug,只要求出R1即可。由闭合电路欧姆定律,电动势ε=I(Rv+R1+Rp),式中,ε、I、R1都未知,而由于电压表内阻已知,所以此电压表可当作电流表来使用,I=U/Rv,(即I可当作已知量),所以只需改变Rp两次,测得两组数据列方程求解即可。但题目中,并没有提供滑动变阻器或变阻箱,只给了一个和开关并联的定值电阻。而开关的闭合与断开,可以改变电路中的总电阻,从而改变电路中的电流和电压。所以此题可将电压表、R1、R2串联,再将开关S2与R2并联即可解决问题。设计电路图如图2。
(2)S1、S2都闭合时,R2短路,I1=U1/Rv=0.90V/1000=0.9mA,ε=I1(Rv+R1)=0.9×10-3×(1000+R1),S1闭合,S2断开时,I2=U2/Rv=0.70V/1000=0.7mA,则ε=I2(Rv+R1+R2)=0.7×10-3×(1000+R1+2000)联立两方程求解,可求得R1=6000 ,ε=0.9×10-3×(1000+6000)=6.3V,而Ug=Ig(Rv+R1)=7V.
点评:电路的设计中用到了闭合电路欧姆定律和等效替代的思想。
例2:【2009年高考理综福建卷19(Ⅱ)(12分)】某研究性学习小组为了制作一种传感器,需要选用一电器元件。图为该电器元件的伏安特性曲线,有同学对其提出质疑,先需进一步验证该伏安特性曲线,实验室备有下列器材:①为提高实验结果的准确程度,电流表应选用;电压表应选用;滑动变阻器应选用。(以上均填器材代号)。②为达到上述目的,请在虚线框内画出正确的实验电路原理图,并标明所用器材的代号。③若发现实验测得的伏安特性曲线与图中曲线基本吻合,请说明该伏安特性曲线与小电珠的伏安特性曲线有何异同点?相同点:,不同点:
A、电流表(A1)量程0～50mA,内阻约为50k
B、电流表(A2)量程0～200mA,内阻约为10k
C、电压表(V1)量程0～3V,内阻约为10k
D、电压表(V2)量程0～15V,内阻约为25k
E、滑动变阻器(R1)阻值范围0～15k,允许最大电流1A
F、滑动变阻器(R2)阻值范围0～1k,允许最大电流100mA
G、直流电源(E)输出电压6V,内阻不计
H、开关(S)导线若干
分析:
(1)确定电流表、电压表:由I-U图线可知,该元件I与U成非线性关系,其阻值在20～100之间,实验中通过元件的电流最大约0.12A,即120mA,超出A1的量程,故电流表应选A2,而元件两端电压最高为2.5V,若选电压表V2,其量程为15V,对0～2.5V的电压来说,其指针只是偏转了一点点位置,这样测得的电压值误差较大,故应选电压表V1,可以使其指针在读数时有较大偏转,可减小实验误差。
(2)选择滑动变阻器:为了便于调节用电器两端电压,滑动变阻器阻值不宜过大,否则滑片稍有移动,电流电压便有很大变动,不便于调节用电器两端电压。根据可操作性原则,应选R1。
(3)确定测量电路:由于RA=10,RV=10KΩ,所以临界电阻R=RARV=300Ω,而待测元件阻值Rx在20～100之间,Rx
(5)相同点与不同点:(略)
点评:这是一道典型的伏安法测电阻的实验题,灵活地考查了各电表的选择,电流表的内外接法及滑动变阻器的接法。
另外,对近几年高考题分析可知,高考中物理电路设计题型中用到的知识点基本上都是闭合电路欧姆定律、串并联电路的特点等,无论是电流表的内外接法还是滑动变阻器的限流式还是分压式接法或是误差分析,用到的知识点大致都是这两个知识点。而电路设计题中,按常规方法测缺少某些器材时,用到的基本思想是等效替代方法,只是具体题型物理背景不同,考的形式不同。那么对形式万变的电路设计题,在平时的复习教学中,教师应从哪些方面去训练学生,才能使学生有较强的实验电路设计能力呢?笔者认为应从以下几个方面着手:
1.应重视基础,将基本知识点讲清、讲透
面对千变万化的高考题,应立足于扎实的基础知识,以不变应万变。创新归于基础,没有扎实的基础,就不可能有创新。教师在平时教学中,首先要认认真真将大纲规定的每个电学实验的原理、步骤讲清、讲透,包括每个实验器材的内部构造、测量原理都要给学生讲清,使学生能深刻理解实验仪器的原理,掌握实验仪器的特点和使用方法,掌握电学实验中的实验原理,如部分电路欧姆定律、闭合电路欧姆定律和串并联电路的特点等等,这是实验设计的基础。并且平时的实验教学一定要强调学生的动手操作能力的训练,这样才能使学生真正地理解、掌握这些实验原理,为灵活运用这些原理打下扎实的基础。如伏安法测电阻这个实验,按课本上的做法需要哪些器材,要测哪些物理量,如何测,怎样利用测得的数据计算出待测电阻,并分析测量误差是如何产生的,如何减少误差等。只有把这些基础的东西分析透彻了,搞懂了,才能在实验情境、条件变化时,能正确地选择平时已学过的实验原理,将课本实验中学到的实验原理和方法转变为自己的设计能力,进行创新解题。
2.教给学生常规的解题方法
拿到一道电路设计题,先从题目中给定的唯一或确定的器材入手,分析电路中可能的最大电流和最小电流,并从仪器的安全性、精确性、可操作性方面去考虑,以此选择电流表、电压表,并根据题设条件,确定电流表是内接还是外接:通常情况下,若待测电阻远大于电流表的内阻,或Rx>时,采用内接法;当待测电阻与电流表的内阻相近时或Rx<时应采用外接法。再确定变阻器的接法是限流式还是分压式:通常,如果用电器两端电压要求变化范围较大,或要求从零开始连读可调,应选分压电路;若滑动变阻器的全电阻和用电器电阻差不多或大几倍时,可考虑用限流电路;当滑动变阻器的全电阻比用电器的电阻小得多时,应选用分压电路。最后,要能正确分析实验误差。对常用的半偏法测电流表、电压表的内阻,要讲清其测量原理。教学中,教师要精选常规题型,讲清、讲透实验设计原理,让学生反复训练,使其熟能生巧,牢固掌控电路设计的常规解法。对于题型训练,不能对学生进行题海战术的训练,而应该是教师深入题海,根据教学目标和学生实际情况,精选出一部分典型的习题或对一些习题进行改编,创设出一系列环环相扣的习题,对学生进行精练,使学生对解题技能有很好的掌握,最终能灵活运用。
3.对常规解题进行创新,训练学生等效替代的解题思路和方法
电路设计题型中,对如果缺少常规器材的,一定要训练学生从等效替代方面去思考。如已知内阻的电流表,可把它视为电压表来利用;已知内阻的电压表,可把它视为电流表来利用;题目中,若没有给电压表,但有一个电阻箱和电流表,则可考虑将电阻箱和电流表串联后将它视为电压表来利用;电阻箱和电压表的并联,可把它视为电流表来利用。又如在例1中,定值电阻和开关的并联,可起到改变电路电阻的作用,从而可调节电流和电压,等等。在平时教学中,教师要精选题型,采用启发式、探究式教学,对这些解题方法与技能进行经常性的训练,并对各种电学实验设计方法进行归纳总结,找出可供操作的要领和方法,让学生了解、熟识、掌握并运用这些方法与技巧,就能大大开阔电路设计的思维和视野,从而提高学生灵活设计电学实验的能力。
现在,高考实验题命题趋向于考察学生对已有知识的整理和改组能力,这需要学生在平时解决问题的研究性学习过程发展这种能力,学生只会做课本上的实验是远远不够的,因此,教师在平时的实验教学中应由传统的验证性、测量性实验向探究性实验转变,采用探究式教学,要使学生习惯于主动探究发现的学习,习惯于多方提出假设和解决问题的能力,从而发展起正确处理信息并对之进行整理和改组的能力,这样才能让学生面对千变万化的新题型时以不变应万变,用扎实的基础知识,通过对实验条件的分析,灵活选用实验设计的原理和方法,使学生在高考时不再将电路设计题视为难题,而在平时的教学训练中不再感到枯燥,能体味到物理思维训练带来的成功与快乐。