一、千變?nèi)f變,原理不變
縱觀近幾年高考中的電阻測(cè)量設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題目,立意新穎、靈活多變。為了應(yīng)對(duì)這種實(shí)驗(yàn),總結(jié)了不少方法,如“伏伏法”、“安安法”,名目繁多,不一而足。其實(shí)不論題目多么新穎,不論怎么變化,須知萬(wàn)變不離其宗,這個(gè)“宗”就是實(shí)驗(yàn)原理。原理是實(shí)驗(yàn)的總綱、靈魂,設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)也概莫能外。高考理科綜合能力測(cè)試《考試大綱》對(duì)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題目的考查有具體明確的要求:“能靈活地運(yùn)用已學(xué)過(guò)的物理理論、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)儀器去處理問(wèn)題”。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)考題都是根據(jù)現(xiàn)行教學(xué)大綱和考試大綱,立足于課本,在已學(xué)實(shí)驗(yàn)(包括學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)、演示實(shí)驗(yàn)及課后小實(shí)驗(yàn))的基礎(chǔ)上演變而來(lái)的,是建立在對(duì)所學(xué)實(shí)驗(yàn)原理的深入理解的基礎(chǔ)上的。具體到電阻的測(cè)量,其實(shí)驗(yàn)原理最主要的應(yīng)是兩個(gè),一是部分電路歐姆定律(即所謂伏安法),二是閉合電路歐姆定律,茲分述于后:
、欧卜āTO(shè)待測(cè)電阻阻值為Rx.若測(cè)得Rx兩端的電壓為U,通過(guò)Rx的電流為I,則由其定義可得Rx=U/I。此處應(yīng)注意“測(cè)”的含義,例如,電壓U既可用電壓表直接測(cè)得,也可由其他方式算出即間接測(cè)得。電流亦然。
、崎]合電路歐姆定律。將待測(cè)電阻Rx做為某一電源的外電路或外電路的一部分,利用閉合電路歐姆定律測(cè)量,這當(dāng)然也是間接測(cè)得的。
二、方案選擇,應(yīng)看條件
電阻測(cè)量設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)之所以難,對(duì)很多學(xué)生來(lái)說(shuō),不是不知道有哪些實(shí)驗(yàn)原理,而是不清楚對(duì)一個(gè)具體的實(shí)驗(yàn)應(yīng)該用哪個(gè)原理。實(shí)際上,在一道具體的實(shí)驗(yàn)題目中實(shí)驗(yàn)原理的選擇受實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)精度的要求等多種因素的制約。如考慮用伏安法測(cè)電阻時(shí),一般而言應(yīng)有電壓表、電流表。若只有兩個(gè)電流表,沒(méi)有電壓表,并不意味著無(wú)法用伏安法。只要滿足一定條件,實(shí)驗(yàn)仍然能夠完成。前面說(shuō)過(guò),只要能算出待測(cè)電阻兩端的電壓即可。在什么情況下可以“算出”?這就需要注意電壓表、電流表的一些指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō),電壓(流)表應(yīng)看三個(gè)指標(biāo)即滿偏電壓、滿偏電流和內(nèi)阻,由于電表此時(shí)滿足部分電路歐姆定律,故三個(gè)指標(biāo)中只有兩個(gè)是獨(dú)立的,利用任意兩個(gè)指標(biāo)可由歐姆定律求出第三個(gè)指標(biāo)。這也說(shuō)明電表可扮演三種角色,例如一個(gè)電壓表,既是一個(gè)電壓表(測(cè)內(nèi)阻RV兩端的電壓),又是一個(gè)定值電阻(阻值為內(nèi)阻RV),同時(shí)還能反串電流表(“測(cè)”通過(guò)RV的電流).能否“測(cè)出”通過(guò)RV的電流,就取決于其內(nèi)阻是否已知。故若題目明確說(shuō)明其電表的內(nèi)阻是多少,則可考慮讓此電表反串另一種電表的角色(當(dāng)然,可能還須考慮其偏轉(zhuǎn)角度是否滿足精確的要求或是否會(huì)超出其量程)。但若題目只是說(shuō)此電表的內(nèi)阻約為多少,則不能反串。題目給出這個(gè)條件通常是用來(lái)考慮用外接法還是內(nèi)接法的,此時(shí)應(yīng)另尋他法。若考慮用閉合電路歐姆定律測(cè)電阻時(shí),則應(yīng)注意電源的兩個(gè)指標(biāo)即電源的電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)阻r。如果電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)阻r未知,則應(yīng)做待測(cè)量加以考慮。
三、體會(huì)例題,學(xué)會(huì)應(yīng)變
例1:2004年高考理綜(全國(guó)卷二)22題:用以下器材測(cè)量一待測(cè)電阻Rx的阻值(900~1000Ω):電源E,具有一定內(nèi)阻,電動(dòng)勢(shì)約為9.0V;電壓表V1,量程為1.5V,內(nèi)阻r1=750Ω;電壓表V2,量程為5V,內(nèi)阻r2=2500Ω;滑線變阻器R,最大阻值約為100Ω;單刀單擲開(kāi)關(guān)K,導(dǎo)線若干。
(1)測(cè)量中要求電壓表的讀數(shù)不小于其量程的1/3,試畫出測(cè)量電阻Rx的一種實(shí)驗(yàn)電路原理圖(原理圖中的元件要用題圖中相應(yīng)的英文字母標(biāo)注。
(2)根據(jù)你所畫的電路原理圖在題給的實(shí)物圖上畫出連線。
(3)若電壓表V1的讀數(shù)用U1表示,電壓表V2的讀數(shù)用U2表示,則由已知量和測(cè)得量表示Rx的公式為Rx=__________。
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