基于核心素養(yǎng)對一道電學實驗題的剖析

李勝強

(江蘇省鄭集高級中學城區(qū)校區(qū) 221116)

原題研究小組利用下表中的實驗器材測量電流表A1的內阻r1.

器材規(guī)格電流表A1量程為10 mA,內阻r1待測(約為40 Ω)電流表A2量程為500μA,內阻r2=750 Ω電壓表V量程為6 V,內阻r3=3 kΩ電阻R1阻值約為100 Ω滑動變阻器R2總電阻約為10 Ω電池E電動勢為1.5 V,內阻很小開關S,導線若干

(1)兩位同學分別設計了如圖1甲和乙所示電路,小組討論后發(fā)現(xiàn)兩電路均存在問題,請指出兩電路存在的問題:

(2)另一位同學對電路乙進行優(yōu)化后做實驗,得到若干組數(shù)據(jù),如下表所示.請你根據(jù)數(shù)據(jù)在圖2的坐標紙中畫出I1-I2的關系圖線.

I1/mA2.004.006.007.008.009.00I2/μA110210320370430480

(3)根據(jù)所描圖線可知待測電流表的內阻為____Ω.

(4)請你畫出優(yōu)化后的電路圖.

第(2)小問考查實驗數(shù)據(jù)處理能力，電流表A1和A2的橫縱坐標已經(jīng)建好，要求學生根據(jù)實驗數(shù)據(jù)合理選擇標度，結合實驗數(shù)據(jù)做出六個實驗點，根據(jù)實驗點構建通過原點的傾斜直線，根據(jù)所描圖線選擇合適的兩個點求解出圖像的斜率，進而求出待測電流表的內阻.

典型錯誤分析第(1)小問指出圖1甲乙兩電路存在的問題，學生有以下幾種回答：

①滑動變阻器應使用限流式接法，

②電壓表會分流或電流表會分壓會造成實驗誤差，

③兩個電流表不能并聯(lián)只能串聯(lián)，

④大內偏大，小外偏小，

⑤電壓表測量的不是路端電壓，

⑥電流表測量的不是干路電流，

⑦電流表短路不能測電壓無法完成實驗，

⑧測量值偏大或偏小，

⑨電壓表斷路，電流表短路，

⑩電源電動勢太大或滑動變阻器阻值太小.

第(2)小問根據(jù)數(shù)據(jù)在圖2的坐標紙中畫出I1-I2的關系圖線，學生主要有以下不妥：①橫縱坐標缺少單位，②橫縱坐標標度選擇不合理，③六個實驗點的點跡不清晰，④繪制的圖線未適當延長，讓圖線充滿整個表格，⑤繪制的圖線未經(jīng)過坐標原點，⑥繪制的圖線不是傾斜直線，是折線或曲線，⑦繪制的圖線點跡太粗，覆蓋了原始實驗數(shù)據(jù)，⑧看錯坐標，將I1-I2的關系圖線繪制成I2-I1的關系圖線，⑨繪制的圖線沒有滿足絕大多數(shù)點分別在圖線上，不在圖線上的均勻分別在兩側，⑩定值電阻未使用.

核心素養(yǎng)分析物理學科的核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學思維、實驗探究、科學態(tài)度和責任.“物理觀念”包括物質觀念、運動觀念、相互作用觀念、能量觀念及其應用等要素.“科學思維”主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創(chuàng)新等要素.本題要求結合實驗器材測量電流表A1的內阻r1，實驗原理屬于伏安法測電阻，只要盡可能精準測量電流和電壓即可，而電流表A1的作用價值之一就是測量自身電流，故只需要用合適的電壓表測量電流表A1的電壓即可.圖1甲中實驗原理是可行的，只是電壓表的量程不合適而已，本實驗又沒有合適的電壓表可以直接應用，圖1乙中電流表A2的作用價值和圖1甲中電壓表是一樣的，只是電流表A1和電流表A2的量程都太小，不便于實驗的正常進行.本題要求學生能僅僅抓住伏安法測電阻的原理，選擇合適的電路和電表進行實驗，對圖1甲和圖1乙兩電路存在問題的問題進行科學論證，通過模型建構、科學推理指出圖1甲和圖1乙兩電路不合理的地方，并通過質疑創(chuàng)新對乙電路進行優(yōu)化，優(yōu)化的途徑很多：一是對電源進行優(yōu)化(減小電源的電動勢)，二是對滑動變阻器進行優(yōu)化(增大滑動變阻器的阻值)，三是對定值電阻的分壓作用進行優(yōu)化(直接分電源的電壓或者分分壓式電路的電壓)，四是對電路進行整體優(yōu)化.本實驗的設計很好的體現(xiàn)了核心素養(yǎng)對科學思維的考查.

“實驗探究”主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素.本實驗首先提出問題——利用表中的實驗器材測量電流表A1的內阻r1，接著對兩位同學設計的圖1甲和圖1乙兩電路存在問題進行解釋、交流和優(yōu)化，這考查了學生的分析問題的能力和對比意識，通過對實驗原理的理解強化了伏安法測電阻的變式思維.通過對兩個方案的比較以及原題提供的實驗器材的逐一篩查，發(fā)現(xiàn)定值電阻還沒有使用，通過自我交流和物理思考，體會定值電阻的分壓作用，一個小小的定值電阻解決了實驗的安全問題.

“科學態(tài)度與責任”主要包括科學本質、科學態(tài)度、科學倫理、STSE等要素.本實驗的科學本質是伏安法測電阻，通過對圖1甲乙兩實驗方案的問題分析考查學生的科學態(tài)度，要求學生能基于事實，結合電源的電動勢以及滑動變阻器的分壓作用體會控制電路的電壓的變化情況，結合電流表A1、電流表A2以及電壓表的具體參數(shù)體會量程問題，對于電源電壓過大而電表量程較小的問題，只能選擇合適的定值電阻分壓來解決問題，這都體現(xiàn)了對學生科學態(tài)度和科學倫理的考查.

本題不難、不偏、不怪，除考查學生對實驗數(shù)據(jù)處理的基本素養(yǎng)，還考查了學生對伏安法的深入理解，同時考查了“實驗探究”中的問題、證據(jù)、解釋、交流等要素，“科學思維”中的模型建構、科學推理、科學論證、質疑創(chuàng)新等要素，“科學態(tài)度與責任”中的科學本質、科學態(tài)度、科學倫理、STSE等要素，是一道可遇不可求的好題.