浅析高考物理实验给定器件结构类设计电路问题

浅析高考物理实验给定器件结构类设计电路问题

吉林松花江中学　朱振栋　刘洋　孙云明

　　高考物理中给定器件结构设计电路类的实验题，一般属于实际应用型，在生产、生活和现代科技中，以解决某一实际问题为背景材料，常常给出部分电路原理框图或器件模型结构等，依给定的条件设计出相应的电路原理图。要求考生能结合给定的设计目的，依给定的器材设计出相应的电路。现以2009年高考物理实验试题为例浅析如下。

 

　　一、2009年山东省高考物理23题第2小题

 

　　为了节能和环保，一些公共场所使用光控开关控制照明系统。光控开头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：

 

照度（lx）	0．2	0．4	0．6	0．8	1．0	1．2
电阻（k）	75	40	28	23	20	18

 

 

　　①根据表中数据，请在给定的坐标系（见图2）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1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：

 

　　光敏电源E（电动势3V，内阻不计）；定值电阻：R₁=10k，R₂=20k，R₃=40k（限选其中之一并在图中标出），开关S及导线若干。

 

 

　　解析：

 

　　①根据给定的光敏电阻随温度变化数据表，将各点标在所给的坐标系中，最后用光滑曲线将各点连接起来，即得到光敏电阻的阻值随光照变化的曲线（图3）。由所描绘的曲线可以看出阻值随照度变化特点：光敏电阻的阻值随光照强度的增大非线性减小。

 

　　②因题目中给出光敏电源E（电动势3V，内阻不计）和三个供选择的定值电阻。条件是①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。②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。所以电路中应该串联上一个分压电阻。由给定的光敏电阻随温度变化数据表可知，此时光敏电阻阻值为20k_{。根据分压电路特点可求得分压电阻为R=10} k_{。所以选择}R₁ 作为分压电阻。依给定的方框图可设计其电路原理图如图4所示。

 

　　说明：这是给定原理框图补充完成电路原理图类问题，主要考查学生在一定的情景条件下，依给定的器材设计电路的基本能力。

 

　　二、2009年四川省高考物理第22题第1小题

 

　　在弹性限度内，弹簧弹力的大小与弹簧伸长（或缩短）的长度的比值，叫做弹簧的劲度系数。为了测量一轻弹簧的劲度系数，某同学进行了如下实验设计：如图5所示，将两平行金属导轨水平固定在竖直向下的匀强磁场中，金属杆ab与导轨接触良好，水平放置的轻弹簧一端固定于O点，另一端与金属杆连接并保持绝缘。在金属杆滑动的过程中，弹簧与金属杆、金属杆与导轨均保持垂直，弹簧的形变始终在弹性限度内，通过减小金属杆与导轨之间的摩擦和在弹簧的形变较大时读数等方法，使摩擦对实验结果的影响可忽略不计。

 

 

　　请你按要求帮助该同学解决实验所涉及的两个问题。

 

　　①帮助该同学完成实验设计。请你用低压直流电源（）、滑动变阻器（）、电流表（）、开关（）设计一电路图，画在图中虚线框内，并正确连在导轨的C、D两端。

 

　　②若已知导轨间的距离为d，匀强磁场的磁感应强度为B，正确连接电路后，闭合开关，使金属杆随挡板缓慢移动，当移开挡板且金属杆静止时，测出通过金属杆的电流为I₁，记下金属杆的位置，断开开关，测出弹簧对应的长度为x₁；改变滑动变阻器的阻值，再次让金属杆静止时，测出通过金属杆的电流为I₂，弹簧对应的长度为x₂，则弹簧的劲度系数k=__________。

 

　　解析：

 

　　①题中只给出了器材（低压直流电源E、滑动变阻器R、电流表、开关S），没有限定条件。原则上只要电路能正常工作且电流表测量的是通过ab的电流，电路设计就算正确。依题意只要将器材串接在CD两点之间即可，如图6所示。

　　②方法一：设弹簧原长为L₀，由胡克定律有K（X₁－L₀）＝BI₁d、K（X₂－L₀）＝BI₂d，解得K＝。

 

　　方法二：根据胡克定律F＝KX，可得ΔF＝KΔX，则K＝＝。

 

　　说明：这是给定物理模型，并将它应用到科学探究实验中的一个实例。要求用给定器材，联系实际设计实验电路图。

 

　　三、2009年宁夏高考物理试题第23题

 

　　青岛奥运会帆船赛场采用风力发电给蓄电池充电，为路灯提供电能。用光敏电阻作为传感器控制路灯电路的开关，实现自动控制。

 

 

　　光敏电阻的阻值随照射光的强弱而变化，作为简化模型，可以近似认为，照射光较强（如白天）时电阻几乎为0：照射光较弱（如黑天）时电阻接近于无穷大。利用光敏电阻作为传感器，借助电磁开关，可以实现路灯自动在白天关闭，黑天打开。电磁开关的内部结构如图7所示。1、2两接线柱之间是励磁线圈，3、4两接线柱分别与弹簧片和触点连接。当励磁线圈中电流大于50mA时，电磁铁吸合铁片，弹簧片和触点分离，3、4断开；电流小于50mA时，3、4接通。励磁线圈中允许通过的最大电流为100mA。

 

　　用以下器材设计一个自动控制路灯的电路，画出电路原理图。

 

　　光敏电阻，符号 ；灯泡L，额定功率40W，额定电压36V，符号；

 

　　保护电阻，符号；电磁开关符号；蓄电池E，电压36V，内阻很小；开关S，导线若干。

 

　　回答下列问题：

 

　　①如果励磁线圈的电阻为200，励磁线圈允许加的最大电压为      V，保护电阻的阻值范围为        。

 

　　②在有些应用电磁开关的场合，为了安全，往往需要在电磁铁吸合铁片时，接线柱3、4之间从断开变为接通。为此，电磁开关内部结构应如何改造？请结合本题中电磁开关内部结构图说明。

 

　　答：                                                                 。

 

　　③任意举出一个其它的电磁铁应用的例子。

 

　　答：                                           。

 

　　解析：（1）要使光敏电阻能够对电路进行控制，且有光照时路灯熄灭，光敏电阻加保护电阻应与1，2串联；3，4与路灯串联；则电路图如图8所示。

 

 

　　（2）①由U=IR得励磁线圈允许加的最大电压为U_m=I_mR=0．1×200V=20V；依据允许通过励磁线圈的电流最大值和最小值计算得，，因此保护电阻的阻值范围为160～320。

 

　　②把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧，保证当电磁铁吸合铁片时，3、4之间接通：不吸合时，3、4之间断开。

 

　　③如电磁起重机、电磁继电器、磁悬浮列车等。

 

　　说明：这是给定物理器件（电磁开关）结构，将其应用到实际生活中的一个实例。考查学生运用所学物理知识和方法分析解决实际问题的能力，从而引导考生在学习中要关注社会实际，用物理视角观察分析实际问题

 

　　四、备考复习

 

　　这类考题多与我们的生活紧密相关，因此在备考复习这类问题时，要多关注生活、关注科技及物理原理在实际生活中的应用，掌握和理解各物理（电子）器件的结构特点。分清哪部分是控制电路和测量电路。依给定的限制条件正确的设计电路。