陶漢斌
[摘 要]每年高考物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)題都是學(xué)生關(guān)注的焦點(diǎn),相關(guān)考題??汲P?,精彩紛呈。電學(xué)實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)給學(xué)生的感覺就是摸不著頭腦,“一聽就懂,一做就錯(cuò)”,考試時(shí)得不到什么分?jǐn)?shù)。其實(shí)這些實(shí)驗(yàn)題,雖然面目年年新,但都源于課本知識(shí)的加工和深化,注重考查物理學(xué)科核心素養(yǎng)。要解答好這些實(shí)驗(yàn)題,就要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)要注意體驗(yàn)物理實(shí)驗(yàn)情感,要真實(shí)
做過相關(guān)實(shí)驗(yàn)。近幾年就是通過現(xiàn)場拍攝實(shí)驗(yàn)場景,將照片呈現(xiàn)在考生面前,讓考生有身臨其境之感,最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,體驗(yàn)科學(xué)探究的實(shí)驗(yàn)情感,同時(shí)也能有效考查考生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。
[關(guān)鍵詞]電學(xué)實(shí)驗(yàn);核心素養(yǎng);實(shí)驗(yàn)情感;身臨其境;科學(xué)探究
[中圖分類號] G633.7 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號] 16746058(2018)02003704
一、電學(xué)實(shí)驗(yàn)要求的演變
每年電學(xué)實(shí)驗(yàn)試題注重考查考生的學(xué)科素養(yǎng),考查考生是否真正做過這個(gè)實(shí)驗(yàn)。如實(shí)驗(yàn)儀器認(rèn)不認(rèn)識(shí),有沒有到過實(shí)驗(yàn)室,有沒有做過實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)題注重實(shí)驗(yàn)操作與理論分析,要求能用圖像法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),也注重對考生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的考查。我們可回顧近幾年高考電學(xué)實(shí)驗(yàn)試題的演變。
2011年實(shí)驗(yàn)試題體現(xiàn)了做過與沒做過實(shí)驗(yàn)的區(qū)別;
2012年實(shí)驗(yàn)試題體現(xiàn)了在新情境下會(huì)用學(xué)過的物理知識(shí)和規(guī)律進(jìn)行探究;
2013年實(shí)驗(yàn)試題要求不僅懂得實(shí)驗(yàn)器材的合理選用,并了解其功能,更要求能結(jié)合所測物理量的性質(zhì),正確處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),更加關(guān)注整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程;
2014年兩個(gè)實(shí)驗(yàn)題都是通過拍攝真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場景,考查學(xué)生對實(shí)驗(yàn)操作、儀器讀數(shù)等基本物理素養(yǎng),體現(xiàn)了新課改對知識(shí)獲取過程的關(guān)注。
近三年的高考實(shí)驗(yàn)試題中,出現(xiàn)了將相近的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)“類聚”在一起,讓考生識(shí)別的情況,這種“組合對比”實(shí)驗(yàn)是高考實(shí)驗(yàn)的一個(gè)新亮點(diǎn)。
二、電學(xué)實(shí)驗(yàn)考查的基本模式
近幾年來,由于現(xiàn)代科技的發(fā)展,物理實(shí)驗(yàn)的考查方式也在不斷創(chuàng)新。其基本模式就是現(xiàn)場拍攝實(shí)驗(yàn)場景,將照片呈現(xiàn)在考生面前,讓考生模擬實(shí)驗(yàn)場景,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)情感。我們可用圖1展示實(shí)驗(yàn)考查的流程。
三、電學(xué)實(shí)驗(yàn)考查的基本原理
物理原理是求解實(shí)驗(yàn)題的出發(fā)點(diǎn)和依據(jù)。如果沒有理論指導(dǎo),就容易弄錯(cuò)解題方向。
電學(xué)實(shí)驗(yàn)雖然復(fù)雜,但其基本原理是非常簡潔的,這些原理大致有:(1)部分電路歐姆定律I=U/R,這一原理可以演變成伏安法測電阻、測小燈泡伏安特性曲線、測金屬的電阻率;(2)閉合回路歐姆定律I=U/(R+r),這一原理可以演變成測電源電動(dòng)勢和內(nèi)電阻U=E-Ir;(3)串并聯(lián)電路的原理。
四、高考電學(xué)實(shí)驗(yàn)題考查的實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)六:伏安法測電阻。
實(shí)驗(yàn)七:探究導(dǎo)體電阻與其影響因素的定量關(guān)系。
實(shí)驗(yàn)八:描繪小燈泡的伏安特性曲線實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)九:測定電池的電動(dòng)勢和內(nèi)阻。
實(shí)驗(yàn)十:練習(xí)使用多用電表。
五、電學(xué)實(shí)驗(yàn)考查的焦點(diǎn)問題
1.基本儀器的讀數(shù)
高考物理實(shí)驗(yàn)題肯定要涉及基本儀器及其基本操作,這是學(xué)生應(yīng)該具備的最基本的科學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)。如電學(xué)中的電流表、電壓表、多用電表、滑動(dòng)變阻器、電阻箱等儀器,對以上基本實(shí)驗(yàn)儀器要掌握其構(gòu)造原理、操作方法、量程的選取等。
(1)游標(biāo)卡尺、螺旋測微器的讀數(shù)技巧
記住兩點(diǎn):一是所有讀數(shù)一定以毫米為單位并注意主尺刻度對應(yīng)的毫米數(shù),根據(jù)結(jié)果再變換單位。二是以毫米為單位,小數(shù)點(diǎn)后數(shù)字應(yīng)注意:螺旋測微器是3位;20分度和50分度游標(biāo)卡尺是2位;10分度游標(biāo)卡尺和毫米刻度尺是1位。
(2)電壓表、電流表、多用電表的讀數(shù)技巧
對電表讀數(shù)問題,先要弄清楚電表的精確度,即每小格的數(shù)值,再確定估讀的方法,精度為1(0.1,0.01)要估讀到下一位,精度為2(0.2,0.02)或5(0.5,0.05)的估位就在精確位,也就是相當(dāng)于不需要估讀。
多用電表在讀數(shù)時(shí),最上排不均勻刻度為測電阻時(shí)讀數(shù)刻度,讀出表盤刻度后應(yīng)乘以擋位倍率;中間刻度是均勻的,為測量電壓和電流的讀數(shù)刻度,下面三排數(shù)字是為方便讀數(shù)而標(biāo)注的;最下排刻度專為測量2.5V以下交流電壓所用,一般較少使用。
【例1】 正確讀出如圖2中儀器的讀數(shù)。游標(biāo)卡尺的讀數(shù)為 mm,螺旋測微器的讀數(shù)為 mm,若用多用電表的電阻“×10”擋進(jìn)行測量,則電阻約為 Ω。
解析:游標(biāo)卡尺的讀數(shù)為L=50mm+3×0.05mm=50.15mm,不需要估讀;螺旋測微器的讀數(shù)為D=4mm+0.5mm+20.0×0.01mm=4.700mm,要估讀到下一位;多用電表的讀數(shù)為R=22×10Ω=220Ω。本題答案:50.15mm;4.700mm;220Ω。
點(diǎn)評:儀器讀數(shù)時(shí)涉及有效數(shù)字問題,一般情況下均要估讀到下一位。游標(biāo)卡尺、秒表、電阻箱不需要估讀,精度為2(0.2,0.02)或5(0.5,0.05)的估位就在精確位。
2.滑動(dòng)變阻器
在實(shí)驗(yàn)過程中,由于要測量多組數(shù)據(jù),一般都要用到滑動(dòng)變阻器。連接電路時(shí),要正確選擇滑動(dòng)變阻器的接法(分壓式、限流式),如何選呢?
(1)通常情況下,由于限流電路能耗較小,因此,優(yōu)先考慮限流式接法。
(2)在下面三種情況下必須要選擇分壓式接法。
①要求待測電阻的電壓從零開始連續(xù)變化,多測幾組數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)更加精確。
②題目所提供的實(shí)驗(yàn)儀器,電表量程或待測電阻的最大允許電流小于限流電路中的最小電流。
③滑動(dòng)變阻器總電阻遠(yuǎn)小于被測電阻。
【例2】 如圖3為某一熱敏電阻(電阻值隨溫度的改變而改變,且對溫度很敏感)的I-U關(guān)系曲線圖。
(1)為了通過測量得到圖3所示I-U關(guān)系的完整曲線,在圖4和圖5兩個(gè)電路中應(yīng)選擇的是圖 ;簡要說明理由: 。(電源電動(dòng)勢為9V,內(nèi)阻不計(jì),滑動(dòng)變阻器的阻值為0~100Ω)。
(2)在圖6電路中,電源電壓恒為9V,電流表讀數(shù)為70mA,定值電阻R1=250Ω。由熱敏電阻的I-U關(guān)系曲線可知,熱敏電阻兩端的電壓為 V;電阻R2的阻值為 Ω。
解析:(1)圖4中的滑動(dòng)變阻器為分壓式接法,圖5中的滑動(dòng)變阻器為限流式接法。在分壓電路中,滑片移至最左端時(shí)熱敏電阻電壓為零,滑到最右端時(shí)熱敏電阻兩端電壓最大(電源內(nèi)阻很小,Umax=E),顯然電壓的調(diào)節(jié)范圍是0~E,完全滿足題目要求。而在限流電路中滑片移到最左端時(shí),熱敏電阻兩端電壓最小為
Umin=ER+R0+r·R
,滑到最右端時(shí)電壓最大為Umax=E,其電壓變化范圍為
ERR+R0+r
~E,很明顯限流電路的電壓變化范圍小,不能測出全部圖線所需數(shù)據(jù)。
(2)流過電阻R1的電流為I1=
UR1=9250(A)=36(mA),所以流過熱敏電阻的電流為I=I總-I1=70-36=34(mA)。在伏安特性曲線上可以看出,當(dāng)I=34mA時(shí),電壓U=5.2V,R2兩端的電壓U2=U總-U=9-5.2=3.8(V),所以R2=U2I2=3.80.034=111.8(Ω)。
點(diǎn)評:實(shí)驗(yàn)過程中要畫圖線時(shí),要求數(shù)據(jù)范圍比較大寬廣,所以電路應(yīng)用分壓式接法。而利用所得的圖線分析物理規(guī)律時(shí),一定要理解圖線上每一個(gè)點(diǎn)的物理內(nèi)涵。
3.電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的電表處理方法
在高考物理實(shí)驗(yàn)題中,對“電表”處理能力的考查是近幾年高考實(shí)驗(yàn)題的一大亮點(diǎn)。在復(fù)習(xí)電學(xué)實(shí)驗(yàn)中,分析測量電表內(nèi)阻的方法時(shí),學(xué)生往往感覺比較困難。其原因在于沒有搞清楚這些電表的本質(zhì),對電表比較陌生,往往“談表色變”。其實(shí)電表本身也是一個(gè)實(shí)實(shí)在在的會(huì)“說話”的電阻,不要把電表看得深不可測,它畢竟也是一個(gè)非常普通的電阻。只不過電流表電阻比較小,但絕不等于零,而電壓表電阻比較大,但絕不是無窮大。
【例3】 某電流表的內(nèi)阻為0.1~1Ω,現(xiàn)在要測量內(nèi)阻,實(shí)驗(yàn)室提供下列可選用的器材:
A.待測電流表A(量程0.6A);
B.電壓表V1(量程3V);
C.電壓表V2(量程15V);
D.滑動(dòng)變阻器R1(最大阻值10Ω);
E.定值電阻R0(電阻5Ω);
F.電源E(電動(dòng)勢4V);
G.開關(guān)S及連接導(dǎo)線若干。
(1)為使實(shí)驗(yàn)更精確,電壓表應(yīng)選用 。(填寫序號)
(2)為了盡量減小誤差,要求測多組數(shù)據(jù),試在虛線方框中畫出符合要求的實(shí)驗(yàn)電路圖。
(3)在選擇合適的電路的基礎(chǔ)上,若測得電流表讀數(shù)為I,電壓表讀數(shù)為U,試推出測定電流表內(nèi)阻RA的原理表達(dá)式。
解析:此題是最常見的利用伏安法測量電阻,由于電流表本身能測出自己的電流,因此只要測出待測電流表兩端的電壓就能算出電流表的內(nèi)阻。但由于該電流表兩端所能承受的電壓比較小,故可用串聯(lián)一個(gè)電阻R0的方法來保護(hù)電流表?;瑒?dòng)變阻器R1的阻值為10Ω,與電流表的電阻相差懸殊,根據(jù)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要求,應(yīng)該用并聯(lián)分壓式接法,電壓表應(yīng)該選擇電壓表V1。本題正確答案為:(1)電壓表就選B。(2)設(shè)計(jì)的電路圖如圖7所示。(3)電流表內(nèi)阻RA的原理表達(dá)式為:
RA=UI-R0
點(diǎn)評:在上述物理實(shí)驗(yàn)題中,其基本原理就是伏安法測量電阻,而電流表本身也是一個(gè)電阻,所以可用串并聯(lián)的知識(shí)解決問題。切記電表也是一個(gè)非常普通的電阻,只不過它自己會(huì)表白自己的電壓或電流。
4.電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的“伏安”法
“伏安”法的廣泛意義應(yīng)該是指電路中既有電壓表,也有電流表,設(shè)電壓表的讀數(shù)為U,電流表的讀數(shù)為I,如果兩者相除R=U/I
就是伏安法測得的電阻值;如果兩者相乘P=UI就可用,測量小燈泡的功率了;如果兩者組合成U=E-IR,那就是伏安法測電動(dòng)勢與內(nèi)電阻了。
在具體設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí),要做好下面三項(xiàng)工作。
(1)選器材:一般根據(jù)待測電阻的額定電流或額定電壓選擇符合要求的電源;根據(jù)電源的電動(dòng)勢或待測用電器的額定電壓選擇電壓表;根據(jù)待測電路的最大電流選擇電流表;電表的指針擺動(dòng)的幅度不宜太小,一般應(yīng)使指針能達(dá)到量程的1/3以上。
(2)控制電路的選擇:滑動(dòng)變阻器的兩種接法,并聯(lián)分壓式接法與串聯(lián)限流式接法。
(3)測量電路的選擇:電流表內(nèi)接與電流表外接法的選擇,選擇方法列表如下。
【例4】 表格中所列數(shù)據(jù)是測量小燈泡U-I關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):
(1)分析上表內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,應(yīng)選用的實(shí)驗(yàn)電路圖是圖8中的 (填“甲”或“乙”)。
(2)在方格紙內(nèi)畫出小燈泡的U-I曲線,如圖9所示。分析曲線可知,小燈泡的電阻隨I變大而 (填“增大”“減小”或“不變”)。
(3)如圖丙所示,用一個(gè)定值電阻R和兩個(gè)上述小燈泡組成串并聯(lián)電路,連接到內(nèi)阻不計(jì)、電動(dòng)勢為3V的電源上。已知流過電阻R的電流是流過燈泡b電流的兩倍,則流過燈泡b的電流約為 A。
(4)將兩個(gè)上述小燈泡并聯(lián)在電動(dòng)勢為1.5V,內(nèi)阻為2.0Ω的某電池兩端,則每個(gè)小燈泡的實(shí)際功率為 W。
解析:(1)圖甲電路中變阻器采用分壓式接法,可以使燈泡獲得從零開始變化的電壓,符合圖中數(shù)據(jù)的要求。故選用圖甲所示的電路。(2)描點(diǎn)作圖,將表中數(shù)據(jù)逐一描點(diǎn)后用平滑曲線連接,如圖10中的曲線所示,發(fā)現(xiàn)隨電流I的增大,曲線變陡,說明電阻隨I變大而變大。從曲線上可以看出,燈泡的電阻隨I變大而增大。(3)據(jù)題意有E=Ua+Ub,=3(V),Ia=3Ib,從所作的圖線可以查出:
Ia=0.210A,Ib=0.070A,Ua=2.7V,Ub=0.30V,
因此流過燈泡b的電流為0.070A。
(4)設(shè)每個(gè)燈泡的電流為I、電壓為U,根據(jù)閉合電路歐姆定律E=U+2Ir,可得U=1.5-4r,通過描點(diǎn)作圖可知,此圖線與小燈泡的伏安特性曲線交于一點(diǎn),如圖10所示,此交點(diǎn)的坐標(biāo)值正是小燈泡此時(shí)的電壓與電流,U=0.9V,I=0.04A,這樣我們就可算出每個(gè)燈泡的功率為P=UI=0.126W。
點(diǎn)評:小燈泡的伏安特性曲線,關(guān)鍵在于作圖,描出各數(shù)據(jù)點(diǎn)后,要用一條光滑的曲線把它們連接起來。由于測量數(shù)據(jù)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)誤差甚至錯(cuò)誤,為此應(yīng)根據(jù)大多數(shù)測量數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布畫出平滑的曲線,盡可能使數(shù)據(jù)點(diǎn)在圖線上,或均勻地分布在圖線兩側(cè)。若個(gè)別數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離圖像較遠(yuǎn),說明該數(shù)據(jù)有差錯(cuò),應(yīng)舍棄不用。
5.利用圖線處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理是實(shí)驗(yàn)的重要環(huán)節(jié),在高中階段,其方法主要有公式法、列表法、圖像法等,利用圖像法分析處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)要特別注意幾個(gè)問題:(1)物理圖像與數(shù)學(xué)函數(shù)的一一對應(yīng)關(guān)系,利用一次函數(shù)、二次函數(shù)的一些特點(diǎn)分析有關(guān)問題;(2)截距和斜率表示的物理意義;(3)圖像中的點(diǎn)、線、面所表達(dá)的物理意義;(4)坐標(biāo)原點(diǎn)和坐標(biāo)平移。
【例5】 如圖11所示,虛線方框內(nèi)是由電阻、電源組成的一個(gè)線性網(wǎng)絡(luò)電路,為了研究它的輸出特性,將電流表、電壓表、滑動(dòng)變阻器按圖11的方式連接在它的輸出端A、B之間。電鍵S閉合后,實(shí)驗(yàn)中記錄6組電流表示數(shù)I、電壓表示數(shù)U的讀數(shù)后,描點(diǎn)如圖12所示。
(1)在圖12的坐標(biāo)紙上畫出U-I圖線。
(2)若將方框內(nèi)的電路等效成電動(dòng)勢為E、內(nèi)電阻為r的電源,從圖線上求出電源的電動(dòng)勢E= V,內(nèi)電阻r= Ω。
解析:我們可根據(jù)下面的步驟解題。
(1)列出物理公式
伏安法測電源電動(dòng)勢的原理是閉合電路歐姆定律,公式為I=E/(R+r),路端電壓為U=IR。
(2)演變函數(shù)關(guān)系
根據(jù)圖線的要求,縱坐標(biāo)為U、橫坐標(biāo)為I,可得函數(shù)關(guān)系為U=-rI+E。因此可將圖12中的點(diǎn)連成一條直線,可得到圖13所示的圖像。
(3)尋找對應(yīng)關(guān)系
將所得公式U=-rI+E與y=kx+b進(jìn)行一一對應(yīng),理解截距和斜率的物理意義??芍苯拥玫皆诳v坐標(biāo)上的截距為b=E=1.43V,同時(shí)可求得直線的斜率為
k=-r=1.0-1.430.63=-0.68
,所以內(nèi)電阻為r=0.68Ω。
點(diǎn)評:從物理原理出發(fā),根據(jù)圖線中縱坐標(biāo)與橫坐標(biāo)的要求,演變函數(shù)關(guān)系,將原始的物理公式轉(zhuǎn)化成相應(yīng)物理量的函數(shù)關(guān)系。將演變后物理量之間的函數(shù)關(guān)系與數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系進(jìn)行一一對比,尋找對應(yīng)關(guān)系。在識(shí)圖時(shí)要讓學(xué)生充分理解圖線中“點(diǎn)、線、面”的物理內(nèi)涵。點(diǎn):坐標(biāo)原點(diǎn)、截距點(diǎn)、交點(diǎn)、極值點(diǎn)、拐點(diǎn);線:直線或曲線的斜率;面:圖線與坐標(biāo)軸所圍的面積。作圖——根據(jù)數(shù)據(jù)作圖,識(shí)圖——從圖中獲取有效信息,用圖——利用圖像法解題,在作圖、識(shí)圖、用圖的過程中逐步提高學(xué)生的綜合分析能力。
六、電學(xué)創(chuàng)新拓展實(shí)驗(yàn)與核心素養(yǎng)的培養(yǎng)
高考電學(xué)實(shí)驗(yàn)試題,能夠很好地考查學(xué)生科學(xué)思維能力與科學(xué)探究的核心素養(yǎng)。電學(xué)創(chuàng)新拓展實(shí)驗(yàn)源于最基本的實(shí)驗(yàn)原理,電學(xué)實(shí)驗(yàn)原理是求解實(shí)驗(yàn)題的出發(fā)點(diǎn)和依據(jù)。在具體電學(xué)實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)教學(xué)中,要讓學(xué)生認(rèn)真完成課本上的每一個(gè)實(shí)驗(yàn),知道每一個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的,掌握每一個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理,熟悉每一個(gè)實(shí)驗(yàn)的步驟,領(lǐng)會(huì)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟的作用,學(xué)會(huì)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器的使用,學(xué)會(huì)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)的處理方法,弄清每一個(gè)實(shí)驗(yàn)誤差的來源,
等等。對于給出實(shí)驗(yàn)電路圖的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn),要注意從原理出發(fā),理解實(shí)驗(yàn)方法,找出圖像中兩個(gè)物理量之間的關(guān)系,理想圖像中圖線的斜率和截距的物理意義。對于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),要注意從原理出發(fā)找方法,選器材,定方案。
高考中,對設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的考查,一般不直接采用課本上的設(shè)計(jì)方案,但是其設(shè)計(jì)理念均取材于課本中的必考實(shí)驗(yàn),因此考生要對課本上的每一個(gè)實(shí)驗(yàn)做到心中有數(shù)。選考實(shí)驗(yàn)試題從哪來?其實(shí)這些選考電學(xué)實(shí)驗(yàn)試題并不是深不可測的,這些試題來源于我們的教材,來源于生活,來源于一些經(jīng)典的物理實(shí)驗(yàn)陳題。在復(fù)習(xí)過程中,我們要有效整合、利用相關(guān)資源。正所謂“回歸本源應(yīng)對考題,千題萬題源于母題”,抓基礎(chǔ)就抓住了高考,抓基本原理就抓住了根本,最基本的電學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)P筒攀俏锢淼谋驹?,這是我們應(yīng)該堅(jiān)持的教學(xué)方向,也是培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑。
(責(zé)任編輯 易志毅)