高考电学实验感悟——图线问题归析

高考电学实验感悟——图线问题归析

郭振勇

郭振勇

摘要：物理是一门实验科学，是需要通过物理实验获得结论和规律。那么，实验数据的获取及处理是非常重要的环节，数据与图线的结合是探究结论和规律的最有效的手段。几乎在每年的高考试卷中，都会出现图线的问题，考查的形式不断翻新，能力要求不断提高。本文结合具体实例，就这一热点问题进行分析归纳并总结出解决问题的方法，希望能给广大师生在实验复习的过程中提供帮助。

关键词：特征曲线；数据变更；图线转换；新信息

一、研究某一元件的特征曲线

特征曲线常见的有热敏电阻的“伏--安”特性曲线，光敏电阻的“电阻--照度”曲线，磁敏电阻的“电阻--磁感应强度”曲线，还有“电阻率--浓度”曲线等等。它们多为非线性函数。

1.给出数据，让考生自己绘出图线

绘图时要注意纵、横轴代表的物理量及其单位，标度、原点的选取，错误数据的排查。主要考查学生的绘图能力。

例1(09年山东卷)：光控开关可采用光敏电阻来控制，光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱，光越强照度越大，照度单位为Lx)。某光敏电阻Rp在不同照度下的阻值如下表：

①请在给定的坐标系(图1)中描绘出阻值随照度变化的曲线，并说明阻值随照度变化的特点。

②如图2所示，当1、2两端所加电压上升至2V时，控制开关自动启动照明系统，请利用下列器材设计一个简单电路。给1、2两端提供电压，要求当天色渐暗照度降低至1.0(1x)时启动照明系统，在虚线框内完成电路原理图。(不考虑控制开关对所设计电路的影响)提供的器材如下：

定值电阻：R1=10kΩ，R2=20kΩ，R3=40kΩ(限选其一，并在图中标出)；光敏电源E(电动势3V，内阻不计)；开关S及导线若干。

点评：此题是以“研究光敏电阻的阻值随光照强度变化的规律”为背景，结合数据，绘制图线，选择器材，并设计电路。本题坐标系已经建好，考生只需将数据点描绘出来即可，但描点和绘图时要求考生既要耐心，又要细心。

参考练习：2010年浙江卷第21题；2010年新课标卷第23题。

小结：如果坐标系既没有给出原点坐标，又没有给出标度值，均由考生自己选定，此时有一条总的原则：图线尽量分布在坐标纸的中央区域。

2.给出图线与数据，分析应用

要充分研究图线的数学特点，再结合物理含义，提炼出隐含的信息，才能更准确地作出判断。考查学生的理解能力，综合分析能力，获取新信息的能力。

例2(08年山东卷)：材料的电阻随磁场的增加而增大的现象称为磁阻效应，利用这种效应可以测量磁感应强度。若图3为某磁敏电阻在室温下的“电阻～磁感应强度”特性曲线，其中RB、RO分别表示有、无磁场时磁敏电阻的阻值。为了测量磁感应强度B，需先测量磁敏电阻处于磁场中的电阻值RB。请按要求完成下列实验。

(l)设计一个可以测量磁场中该磁敏电阻值的电路，在图5的虚线框内画出实验电路原理图(磁敏电阻及所处磁场已给出)，待测磁场磁感应强度大小约为0.6～1.0T，不考虑磁场对电路其他部分的影响，要求误差较小。提供的器材如下：

A．磁敏电阻，无磁场时阻值Ro=150ΩB．滑动变阻器R(约20Ω)

C．电流表A(2.5mA，约30Ω)D．电压表V(3v，约3kΩ)

E．直流电源E(电动势3v，内阻不计)F．开关S，导线若千

(2)正确接线后，将磁敏电阻置入待测磁场中，测量数据如下表：

点评：此题研究的是磁敏电阻的特性曲线。由给定的特性曲线和实验器材来设计电路，然后再由测量数据，求解阻值和对应的磁感应强度，最后再利用数据和图线解读出新图线的含义，并得出结论。此题难度较大，综合性较强，能力要求高。

参考练习：2010年安徽卷第21题；2010年浙江卷第21题；2010年重庆卷第22题；2012年重庆卷第22题。

二、不同图线间的转换

图线间的转换是指由一种函数关系转换成另一种函数关系。这就要求学生要对原有的图线全面深刻的理解，并结合实验原理、函数规律及电路图等知识，才能获取新的图线。此类问题主要考查学生的综合分析问题的能力。

例3(07年江苏卷)：要描绘某电学元件(最大电流不超过6mA，最大电压不超过7V)的伏安特性曲线，设计了如图6所示的电路。图中定值电阻R为1kΩ，用于限流；电流表A量程为10mA，内阻约5Ω；电压表(未画出)量程为10V，内阻约为10kΩ；电源电动势E为12V，内阻不计。

(1)实验时有两个滑动变阻器可供选择：

a．阻值0～200Ω，额定电流0.3A；b．阻值0～20Ω，额定电流0.5A

本实验应选用的滑动变阻器是(填“a”或“b”)。

(2)正确接线后，测得数据如下表：

点评：此题是以研究电学元件的伏安特性曲线为背景，来考查三方面的知识：选材、由给定的数据描绘特征曲线、由待测元件的“U～I”曲线转换成“UMO--UMN”曲线。此题综合性强，难度大，需要学生深层次理解。

参考练习：2004年江苏卷第11题；2006年北京卷第22题。

三、“纯函数”图线

纯函数图线是指所给图线的斜率没有明确的物理意义，仅体现的是数学上的一种函数关系。它将数学规律与物理意义紧密结合在一起，突出实验原理的重要性。既考查综合分析能力，又考查数学运算能力。

例4(09年广东卷)：某实验小组利用实验室提供器材探究某金属丝的电阻率，所用器材包括：输出3V的直流稳压电源、电流表、待测金属丝、螺旋测微器(千分尺)、米尺、电阻箱、开关和导线等。

(1)他们截取了一段金属丝，拉直后固定在绝缘的米尺上，并在金属丝上夹上一个小金属夹，金属夹可在金属丝上移动。请根据现有器材，设计实验电路，并连接电路实物图9。

(2)实验的主要步骤如下：

①正确连接电路，设定电阻箱的阻值，开启电源，合上开关；

②读出电流表的示数，记录金属夹的位置；

③断开开关，，合上开关，重复②的操作。

(3)该小组测得电流与金属丝接入长度关系的数据，并据此给出了图10的关系图线，其斜率为A-1m-1(保留三位有效数字)；图线纵轴截距与电源电动势的乘积代表了的电阻之和。

(4)图10中图线的斜率、电源电动势和金属丝横截面积的乘积代表的物理量是，其数值和单位为(保留三位有效数字)。

点评：此题以探究金属丝的电阻率为背景，考查实物连线、操作步骤、利用函数图线求解相应的物理量。

参考练习：2006年江苏卷第13题；2007年四川卷第22题；2009年海南卷第14题；2011年上海卷第29题；2012年福建卷第19题。

小结：解决此类问题，首先要写出实验原理(全电路或部分电路欧姆定律)，然后根据纵横坐标的要求，转化成相应的函数关系式，从而认清斜率的意义、斜率中包含的内容及截距的意义和特点。如果纵、横坐标没做要求，根据题目还需要及研究问题的方便，应将曲线转化为直线，因曲线不易反映出物理规律，而直线一目了然。

通过以上分析可以看出，图线问题在实验中的重要性。它综合性强、难度大、能力要求高，但只要遵循解决这类问题的规律，掌握解决问题的方法步骤，再适当训练巩固，相信考生们一定能战无不胜的。

作者单位：浙江省温州中学

邮政编码：325014