单位文秘网 2022-02-25 09:30:20 点击: 次
摘 要:2017年高考理综全国Ⅱ卷物理电学实验题考查了用比值法测量电阻的综合应用问题。实验原理并没脱离基本的电学实验仪器使用和电路结构分析,但提升了学生运用串并联电路的基本规律对电路结构进行分析、简化及运算的能力。该实验题既可以用基本电路知识逐步求解,也可以用惠更斯电桥平衡原理来解决,既体现了题目考查的基础全面性,又体现了题目考查的灵活多样性。题目渗透了等效替代、化繁为简和控制变量等科学思想方法,是近年难得一见的个性鲜明的实验题。
关键词:理综电学实验题;比值法;等效替代;化繁为简
随着2017年全国高考的顺利结束,高考试题终于在万众期待中揭开了其神秘的面纱。与历届高考一样,今年的高考试题也成为大家讨论的热点,各科试题都以各自独特的魅力吸引着广大考生、家长和教育工作者,大家众说纷纭、褒贬不一。作为一名长期奋斗在教学一线的高三毕业班科任教师,笔者也不能冷眼旁观,来不及卸下备考的疲惫,便投入到高考試题的分析研读中,评品感悟,总结得失,以期为今后的教学储存必要的养分。通过仔细的分析研读,笔者认为今年高考理综全国Ⅱ卷中的物理电学实验题特色鲜明,值得反复品味。
2017年高考理综全国Ⅱ卷中的物理电学实验仍然沿袭了近三年电学实验考查电阻测量的一贯意向,但考查方式方法进一步灵活,对考生的实验综合能力的要求进一步提升。本试卷中的电学实验题已经不再是来源于考试大纲要求的必考学生实验,也不是常见课堂演示实验,甚至不是上述内容的拓展迁移,而是考查了用比例法测量电阻的综合应用问题。实验原理并不脱离基本的电学实验仪器使用和电路结构分析,但提升了学生运用串并联电路规律对电路结构进行分析、简化及运算的能力。该实验题既可以用基本电路知识进行逐步求解,也可以用惠更斯电桥平衡原理来解决,既体现了题目考查的基础全面性,又体现了题目考查的灵活多样性。题目渗透了等效替代、化繁为简和控制变量等科学思想方法,是近年难得一见的个性鲜明的实验题,甚至与2017年全国理综Ⅰ卷电学实验相比也毫不逊色。
一、基本的解题思路分析
(1)实物连线:要依据原理图分层次逐步连接。
①连接供电电路——将电源,开关S1,滑动变阻器R1的两个下接线柱顺次连接形成供电电路。
②连接测量电路——先将电阻箱与微安表串联,整体与滑动变阻器R2全电阻并联,再将它们整体接在供电电路滑动变阻器R1的左下接线柱和一个上接线柱之间。再在电阻箱的右接线柱和滑线变阻器R2的上接线柱之间接上开关S2。
③检查电路——主要检查滑动变阻器的连接方式和微安表的正负接线柱的电势高低。
(2)器材选择:供电电路中的滑动变阻器是分压连接方式,所以应选择小阻值的滑动变阻器为宜,这样可使得分压器输出电压与变阻器电阻长度近似成正比。因此应选择规格为20 Ω的滑动变阻器R1。
(3)注意实验仪器在工作时的安全:在实验开始时,为了保证微安表不会因为承受的电压(电流)太大(超过量程)而损害,需要保证施加在测量电路上的电压最小(接近零),因此开始时要将R1的滑片C滑到接近图(a)中的滑动变阻器R1的“左”端。
(4)电路分析:通过电路分析,弄清实验测量原理是本题的关键所在,也是本实验题的难点和对考生综合分析能力的巨大挑战。
分析电路图首先要对电路图进行等效转换和化简,把原来复杂的电路图转化成简单明了的电路图,使电路中的串并联关系清晰顺畅,一目了然。其次通过对化简后的电路图的分析,弄懂测量的基本原理和方式方法。
电路的等效化简过程如下:
①首先把测量电路中的滑动变阻器R2以滑动触头所在处为界拆分成两个电阻R21和R22,测量电路就会变得简单明了,如图(d)。
图(d)
②再把供电电路等效成稳压电源E1,电路图进一步简化成如下图(e)所示。
图(e)
③最后画出S2闭合后的电路图如图(f)所示。
图(f)
该实验中通过一个20 Ω的滑动变阻器R1滑动触头C左边的部分电阻分压对工作电路供电,测量过程中当其滑动触头C调节到适当位置后没有再移动,而负载电阻始终远远大于滑动变阻器R1滑动触头C左边的电阻,因而负载电阻的变化对滑动变阻器R1的输出电压影响非常小,可以认为其输出电压保持不变,因而可以将整个供电电路等效为一个恒压的供电电源。
因为开关S2闭合前后微安表(μA)的示数保持不变,这说明开关S2闭合后并没有电流流过该开关,即开关S2闭合并没有对电路结构产生影响,因而可以断定开关S2两端B、D点电势相等。所以加在Rz与R21两端的电压(U1)相同。同理可知加在微安表(μA)与R22两端的电压(U2)也相同。又因为流过电阻箱Rz与微安表(μA)的电流(I1)相同,流过R21与R22的电流(I2)也相同。设微安表(μA)内阻为rA,电阻箱电阻为Rz1=2500 Ω,电阻箱电阻为Rz2=2601 Ω。
则列出以下关系式:
I1Rz1=I2R21 ①
I1rA=I2R22②
联立①②解得:R21/R22=Rz1/rA ③
将电阻箱与微安表(μA)互换后,测量原理不变,同理得:
I1rA=I2R21④
I1Rz2=I2R22⑤
联立④⑤解得:R21/R22=rA/Rz2⑥
联立③⑥解得:rA=2550 Ω。
(5)误差分析:本题的误差分析主要侧重对系统误差的分析,当通过微安表(μA)的电流越大,开关S2闭合后相同电流流过该开关S2引起微安表(μA)指针的变化就越明显。当然,除了标准答案给出的尽量增大微安表示数来减小实验误差的建议外,其他相关表述只要言之有理都可得分,比如重复多次测量求平均值,电表读数力求准确等等。
二、一题多解,拓展迁移
对于问题(2)(4)可将本实验题电路转换成图(g)所示的电路时,对于一些具有惠更斯电桥平衡知识的学生就会联想到相关思想方法,将该电路看作是惠更斯电桥(图h)平衡的变形拓展。此时,闭合开关S2前后,微安表(μA)示数不变,实质上就是没有电流流过B、D间,即电桥达到了平衡。因此用惠更斯电桥平衡等式直接得到:
三、本题考查的相关能力,蕴涵的物理科学方法
本题中问题(1)及(2)①②③着重考查学生的实验基本操作和分析判断能力,能力要求较低。而问题(2)④和(3)则着重考查学生的分析判断、综合应用、拓展迁移、推理探究、总结论证等能力,属于较高层次的能力要求,有很好的区分度。
(1)问题(1)的实物连线考查学生的电路结构分析能力和动手实践能力。解答过程运用了等效替代的物理科学方法。
高中物理教师在教学时应该以培养学生模型建构、科学推理、科学论证等能力为出发点,体现物理学科的核心素养为教学目的,电学实验教学也不例外。上述问题提醒我们物理教师在平时的教学中要重视对学生基本实验操作能力的培养,切忌以讲实验代替做实验,要让学生通过实践操作,体验实验操作过程步骤、实验数据获得、实验数据处理的方式方法,通过电路连接、调试、排除故障更进一步了解实验仪器的使用细节、加强对电路结构的掌握,熟悉电路图和实物图的对应关系和等效关系。
(2)问题(2)①滑动变阻器阻值的选择考查学生基本的电路结构分析判断和实践操作能力。问题(2)②滑动变阻器滑动触头位置的判断考查学生实验仪器使用的安全思想和实践操作能力。
这两个问题提醒我们要特别重视考纲要求的必考实验的教学和复习,在平时的高考复习中以必考实验为抓手,落实对学生实验的基本操作能力、電路分析化简能力、数据处理能力、误差分析能力全方位的培养;通过必考实验的对比分析,理解不同实验电路结构,不同实验仪器在实验测量中的相同相通之处和相别相异之处;同时树立节约用电、安全用电的观念;通过对特定实验考题运用一题多解、一题多问、一题多变等方法培养学生的综合分析能力和发散思维。
(3)问题(2)④的实验结论考查学生对实验原理、实验过程、实验结论的综合分析,推理论证、概括总结能力。解题过程运用了等效替代、化繁为简、控制变量等物理科学方法。
对实验原理和相关步骤要进行细致分析,重点应放在以电路图为依托,以电阻测量为核心的物理实验的基本原理和基本方法上。运用串并联规律和闭合电路欧姆定律,引导学生分析电路结构和功能,弄清楚解决问题所需要测量的物理量和对应的测量方法,选择相应的器材,确定实验操作步骤,使学生真正理解实验原理和实验操作流程,而不是记忆实验原理和实验步骤,只有理解才能在考题创新之处进行知识迁移,从容应对。
教师在教学中要不断地培养学生运用转换法把陌生隐晦模型转换成熟悉简单模型的科学思想方法。要通过不断训练,夯实学生在实验电路图的化简、等效,电表的改装、替代,数据图线的变曲为直等方面的知识技能,培养学生进行模型转换的能力和自觉性。近年高考全国理综卷对复杂电路分析化简的要求越来越高,要引起我们教师在今后教学中的足够重视。
(4)问题(3)要求对实验误差进行分析,考查学生分析探究、总结反思的能力。
实验误差分析往往是实验试题提出的具有甄别功能的问题,一般会出现在实验题的最后一问。对于偶然误差,主要考查消除偶然误差的方式方法,难度适中。对系统误差的分析主要考查误差来源和如何减小系统误差。这个问题一般难度较大,要求考生通过全面理解实验原理和对应的测量方法才能通过综合分析找到系统误差的来源和减小系统误差的途径。
在高考复习中,教师不但要详尽地分析讲解考试大纲罗列的必考学生实验,还应该训练一些以解决实际问题为目的的设计性拓展实验,训练学生尝试从实验原理出发进行简单的实验设计,包括选择仪器,设计实验、装置图、合理实验步骤,设计表格,记录数据、数据处理,如何减小误差,注意事项等,从而达到培养学生的探究能力和创新能力的目的。
四、反思
本题在知识方法层面以电阻测量为出发点,但又并没有考查我们以往熟悉的、来源于课本或复习资料中常见的伏安法、等效法以及半偏法测量电阻,而是另辟蹊径,考查了比例法测量电阻。本实验电路结构较为复杂,适用的解题方法貌似脱离我们的课堂教学内容,显得不接地气。但通过以上的分析求解过程,我们不难发现本题的整个分析求解过程紧紧围绕基本的串并联电路规律和基本的实验操作方法,从第一个问题到最后一个问题步步深入,既照顾了学生应该掌握的电学实验基础又具有一定的难度挑战,并没有脱离高中学生的基础知识和基本技能而显得偏繁、难。同时对于一些具有深厚专业基础的学生,他们可以利用惠更斯电桥平衡的原理快捷地求解本题,这样既体现了本题的基础性,又体现了本题的灵活性和开放性。教与学的本质是以紧紧围绕学生综合能力的培养为出发点,尤其是要瞄准物理学科核心素养。电学实验也不例外,如本题在综合能力层面则是考查学生在对应题目环境中的物理核心素养的体现:物理思维即物理的逻辑推理;物理语言即物理模型的构建和物理知识的应用
参考文献
[1]人民教育出版社,课程教材研究所,物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书 高中物理 选修3-1[M].北京:人民教育出版社,2016.
[2]张宪魁,秦晓文.物理科学方法教育理论与实践[M].北京:北京师范大学出版社,2015.
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