高考物理试验新考点-定值电阻的应用

1、物理实验备考新考点一定值电阻的应用高考物理试题中一直重视实验题的考查，但由于高考物理只有笔试，许多重要的实验能力与素 养很难有效地进行考查，但近年高考试题表明，命题者一直在努力地使对实验能力和素养的考核渗 透到有关试题之中， 一直在努力提高实验考核的有效程度。综观近年特别是05和06年的高考试题，电学实验考查的仍然是设计性实验这一基本情景，而电学实验的重点无非是电阻测量、电表改装、 测量电源电动势和内阻等三大基本实验。在可考查的实验内容基本确定的情况下，命题者在对实验 能力的考查中如何实现创新呢？统计表明，05年之前的电学实验高考题主要是通过电表的创新应用考查考生的创新设计能力，很少涉及定值电

2、阻的应用，即使涉及，定值电阻的应用也不是电路设计 的核心；本文将要讨论的 05、06年的两道高考题，通过定值电阻的应用深入考查了学生对实验原理 与实验方法的创新能力以及对电路的评价能力，很好地体现了实验题的考查功能。本文的分析将表 明，定值电阻的应用是值得备考师生注意一个重要的新考点。例题一：（05全国卷I）测量电源 B的电动势E及内阻r （E约为4.5V, r约为1.5 Q）。器材: 量程3V的理想电压表（V）,量程0.5A的电流表 （具有一定内阻），固定电阻R=4Q ,滑线变阻器R,电键K,导线若干。画出实验电路原理图。图中各元件需用题目中给出的符号或字母标出。实验中，当电流表读数为Il时

3、，电压表读数为 U；当电流表读数为I2时，电压表读数为 U。贝U可以求出 E=, r =。（用Ii, I2, U, U及R表示）答案：实验电路原理图如图。历 IiU2UiU2 -Ui _ RI 1 - I2I 1 - I2分析：思路1：题给电压表的量程小于电源的电动势，因此，虽然 题给电压表为理想电压表， 但却不能将电压表直接连接在电源的 正、负极间去测量电源的电动势。思路2:考生都做过测量电源电动势与内电阻的学生实验，其原理如图1 1所示，为保护题给电流表，电路的总电阻应该大于R总mn = EIg=9Q ,如不接固定电阻 R,则滑线变阻器 R的最小接入阻值应为7.5 Q （不考虑电流表内阻，

4、以题给阻值估算，下同），则电压表的最小示数应为7,5，一 ，一 一一Umin1 =M4.5V =3.75V ,已经超过电压表量程。可见，为了保护电压表，必须将固定电7.5 1.5阻R串联接入电路。图1 1KEKE图1 2图1-3思路3:如将固定电阻 R串联接入后，电路如图1 2所示，则此时滑线变阻器 R的最小接入3 5 +4阻值应为3.5 Q，但电压表的最小本数仍为 U min 2 = 一35二一x 45V = 3 75V ,超过电压表量 3.5 41.5程。实际上，由于滑线变阻器R阻值未知，图1 1和图12电路，从保护电压表的角度来讲，并没有差别。思路4：将固定电阻 R串联接入干路，如图13

5、所示，则此时滑线变阻器 R的最小接入阻值35仍为3.5 Q ,电压表的最小本数为 U min 3 =.X 4.5V = 1.75V，小于电压表量程。增大3.5 41.5滑线变阻器R的接入阻值，可以较大范围地实现电压表示数的变化。但在图1-3所示电路中，如 R的接入阻值过大，将有可能使电压表示数超过量程。设其最大为R,则有Ug =Rmm4 5V，可得R- 11a。可见，在图1 3所示电路中，滑动变阻器 Rm 4 15接入电阻取值范围应为 3.511 。由以上分析可知，答案应为图1 3所示电路。正如教育部考试中心在试题分析中所说：“滑动变阻器存在一定的变化范围，实验是可以进行的”。讨论：本题是课本

6、实验“测量电源的电动势与内电阻”的变形，电路设计中涉及电压表、电流表的保护以及误差分析（由于电流表存在一定的未知数值的内阻，如将电流表接在图13的干路中，会造成内阻测量的系统误差，该种电路也是典型错误之一），求解的关键在于定值电阻的作用与接入位置。该题情景创新，思路灵活，全国抽样难度为0.288 ,具有相当的难度，真正体现了 “源于课本，高于课本”的命题原则。值得指出的是，有考生根据题干最后“用 R表示”的提示判定一定要用到定值电阻，然 后认为将定值电阻与内阻合并为“等效内阻”测量，也可以得到正确电路，这当然是违背出题意图 的“歪打正着”。有省份阅卷组发布的试卷分析中，评价此题“没有新意，无法

7、考查学生设计实验的 能力”，大概也缘由于此。例题二：（06全国卷I）现要测量某一电压表（V）的内阻。给定的器材有：待测电压表（V）（量程2V,内阻约4kQ）;电流表mA（量程1.2mA,内阻约500Q）;直流电源E （电动势约2.4V,内阻 不计）；固定电阻3个：R=4000Q, Rz=10000Q , R=15000Q ;电键S及导线若干要求测量时两电表指针偏转均超过其量程的一半。i.试从3个固定电阻中选用 1个，与其它器材一起组成测量电路，并画出测量电路的原理图。（要求电路中各器材用题中给定的符号标出。）答案：i.ii.电路接通后，若电压表读数为U,电流表读数为I ,则电压表内阻 R=ii

8、. 4R1I-U分析：思路1:根据欧姆定律，可将电压表与电流表直接串联测量电压表的内阻，如图 21所E 24不。此时电路中的电流约为I =mA = 0.53mA （以题给阻值估算，下同），此电Rv Ra 4 0.50.5mA）。此电路不符合题流值不足电流表量程的一半，而且超过电压表能承受的最大电流值（约为 目要求。思路2:注意到题干中强调“从3个固定电阻中选用1个”，如将固定电阻串入干路中，如图2所示。此电路虽然可能保证电压表的安全，但电路中电流将会更小，不合题意。思路3:将固定电阻与电压表并联，如图23所示。与电路21相比，电路的总电阻将减小，干路电流将增大，电压表的示数将减小，在两个方面都

9、可能符合题目要求。对比不同阻值的固定电 阻，对电压表来说，阻值越小，示数越小，电压表越安全，但可能使电压表示数小于量程的一半； 对电流表来说，阻值越小，示数越大，越可能超过量程的一半，但也可能超过量程。因而，选择哪 个固定电阻，需要综合考虑上述相互矛盾的多个因素。先考虑R=4000 Q ,此时电路总电阻为 R总i=2.5kQ （以题给阻值估算，下同），电压表示数为R12 0U1 = E =20*2 4V =1 92V ,可知电压表安全，且示数超过量程的一半；电流表示数为R总 i2.5E 2.4Ii =mA = 0.96mA ,可知电流表安全，且示数超过量程的一半；综合考虑，接入固定R 总.2.

10、5电阻R符合题目要求。此时即可确定正确答案，但不妨再充分考虑接入另外两个固定电阻的情况。再考虑 R=i0000a , 此时电路总电阻为 区9 = R2Rv+Ra = 3.357k。，电压表示数为r2 rv TOC o 1-5 h z R并 22 857U2 =2 E = 2.857 M 2 4V =2 04V ,可知电压表是不安全的；电流表本数为 HYPERLINK l bookmark29 o Current Document R总 23.357E 2.4I2 = =mA = 0.71mA ,可知电流表安全，且示数超过量程的一半。接入固定电阻 RR总 23.357不能符合题目要求。对R=15

11、000a来说，由上述分析可知，仅在电压表的安全方面已经不可能符合题目要求。计算可得此时电路总电阻为 R总= 3.658kC ,电压表示数为U 3 = 2.07V ,电流表示数为13 = 0.66mA 。 3讨论：本题是常见实验“测量电表内阻”的变形，电路设计涉及电压表、电流表的保护以及题 目对指针偏转的要求，求解的关键在于搞清不同固定电阻接入后的不同影响。本题通过对定值电阻的选用，将陈题翻新，具有一定的难度。但从数据上看，出题者精心设计 数据关系，降低了题目难度。根据笔者以上的分析可以看出，如果综合调整题目中电源、电表的有 关数据，完全可能让小阻值电阻接入后，电压表示数小于量程的一半或让电流表

12、示数超过量程；也 可能让大阻值电阻接入后，电压表示数超过量程或让电流表示数小于量程的一半。当然，这样题目 的难度就太大了。但不可否认，由于定值电阻的应用，结合电学实验的常规考点（如测量原理的变化、电表的保护等），出题者可以创设足够新颖的考查情景，深入地考查考生的实验能力。而且，从 实践上看，对于难度的调控，出题者也可以通过多种手段（如例1中不给出滑动变阻器的最大阻值,例2中设计恰当的数据关系、放弃滑动变阻器的应用等）做到收放自如。另外，由于本题定值电阻 R是正确选择，而 R的相关电路运算又比较简单，许多从思路上无从 下手的考生可能直接选用 R尝试，在对题意缺乏深入理解的情况下，将题目解对，这必将在一定程 度上影响此题的区分度。对比上述05、06年的两道高考试验题，虽然基本情景差异较大，但相似之处甚多。对比两题的 题干，不难发现它们基本相同的考查方式；特别是出题者的立意，都是充分借助定值电阻这一创新 考点，半定量地考查考生对基本实验原理与实验方法的迁移能力，考查考生对所设计方案的评价能 力，考查考生独立设