重視學(xué)科核心素養(yǎng)考查 突出實驗分析遷移能力
——2020年北京市等級性考試第16題解析

于海娜 李長輝

(1. 北京師范大學(xué)密云實驗中學(xué)，北京 101500； 2. 北京市密云區(qū)教師研修學(xué)院，北京 101500)

2020年是北京等級考的落地之年，物理卷命題進一步深化考試內(nèi)容改革，在豐富試題選材范圍、創(chuàng)新試題呈現(xiàn)方式、深化學(xué)科能力考查以及探索核心素養(yǎng)的考查方式等方面進行了有益的嘗試，逐步完善命題技術(shù)，提升命題質(zhì)量.北京卷始終把對實驗?zāi)芰Φ目疾閿[在十分突出的位置，引導(dǎo)中學(xué)物理教學(xué)重視通過實驗教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的實踐和探究能力.本次等級考涉及到4個實驗，同歷年高考試題相比，實驗考查分值占比最高，內(nèi)容包含力學(xué)和電學(xué)，實驗類型涵蓋學(xué)生實驗和探究活動.筆者對實驗第16題的答案及其分析，從試題命制和今后的教學(xué)兩個方面進行了思考，也為今后復(fù)習(xí)提供了一些思路.

1 試題與解析

原題.用圖1所示的甲、乙兩種方法測量某電源的電動勢和內(nèi)電阻(約為1 Ω)，其中R為電阻箱，電流表的內(nèi)電阻約為0.1 Ω，電壓表的內(nèi)電阻約為3 kΩ.

圖1

圖2

(1) 利用圖1中(甲)圖實驗電路測電源的電動勢E和內(nèi)電阻r,所測量的實際是圖2中虛線框所示“等效電源”的電動勢E′和內(nèi)電阻r′．若電流表內(nèi)電阻用RA表示,請你用E、r和RA表示出E′、r′,并簡要說明理由．

圖3

在圖3中,對應(yīng)圖甲電路分析的U-I圖像是________;對應(yīng)圖乙電路分析的U-I圖像是________．

(3) 綜合上述分析,為了減小由電表內(nèi)電阻引起的實驗誤差,本實驗應(yīng)選擇圖1中的________(填“甲”或“乙”)．

解析： (1) 等效電源的內(nèi)電阻比較容易獲得,考慮了電流表內(nèi)電阻后,電阻箱相當(dāng)于外電阻,那么電流表電阻就相當(dāng)于等效電源的內(nèi)電阻了,所以有r′=RA+r.

(2) 方法1:利用圖像解析式分析.

對甲圖,考慮電表內(nèi)阻時,根據(jù)閉合電路歐姆定律得U=-(r+RA)I+E.

不考慮電流表內(nèi)阻直接通過實驗獲得數(shù)據(jù),根據(jù)閉合電路歐姆定律得E=U外+U內(nèi)=U+I(r+RA),U=-rI+E.類比數(shù)學(xué)的一次函數(shù)解析式y(tǒng)=kx+b,圖像與縱軸截距均為電源電動勢E(這里也印證了第一問中的“等效電源”的電動勢等于電源的電動勢E)虛線對應(yīng)的斜率大小為r,實線對應(yīng)的斜率大小為(r+RA),所以對應(yīng)圖甲電路分析的U-I圖像是(C).

對乙圖,考慮電表內(nèi)阻時(即虛線對應(yīng)的情況),根據(jù)閉合電路歐姆定律得

方法2:利用圖像特殊點分析.

考慮電表內(nèi)阻后分析對電源的路端電壓U隨電流I變化的U-I圖像的影響.

圖甲中電流表有分壓作用,當(dāng)電流為0時,不分壓,此時測量的外電壓準(zhǔn)確,所以圖像與縱軸交點準(zhǔn)確;電路正常工作時,對于參考點電流值對應(yīng)的外電壓沒有考慮電流表的分壓所以偏小,實際的外電壓要大一些,所以該點的真實值要向上平移一點,如圖4虛線所示,所以對應(yīng)圖甲電路分析的U-I圖像是(C).

圖乙中電壓表有分流作用,當(dāng)電壓為0時,不分流,此時測量的電流準(zhǔn)確,所以圖像與橫軸交點準(zhǔn)確;電路正常工作時,對于參考點外電壓值對應(yīng)的電流沒有考慮電壓表的分流所以偏小,實際的電流要大一些,所以該點的真實值要向右平移一點,如圖5虛線所示,所以對應(yīng)圖乙電路分析的U-I圖像是(A).

圖4

圖5

(3) 圖甲所示電路圖雖然測量的電源電動勢準(zhǔn)確,但電流表分壓較為明顯,所以內(nèi)阻測量的誤差很大;圖乙所示電路圖雖然電動勢和內(nèi)阻測量均偏小,但是電壓表內(nèi)阻很大,分流不明顯,所以電動勢和內(nèi)阻的測量誤差較小,所以選擇圖乙可以減小由電表內(nèi)電阻引起的實驗誤差．

答案： (1)E′=E,r′=r+RA; (2) (C)(A); (3) 乙.

評析： 本題是以教材中的學(xué)生實驗“測量電源的電動勢和內(nèi)電阻”為基礎(chǔ),突破思維局限,拓展思維模式具有一定的創(chuàng)新性．本題器材與原有實驗不同,要求學(xué)生具有獲得數(shù)據(jù)的能力和具有能用多種方法分析數(shù)據(jù)的能力．題目要求學(xué)生理解實驗原理及誤差分析的基礎(chǔ)上,綜合分析才能正確得出結(jié)論．本題沒有過多的復(fù)雜情景和繁瑣的數(shù)據(jù)處理,“等效電源”有一定的創(chuàng)新性,問法比較新穎,考察了學(xué)生的遷移能力、類比能力及物理概念的理解等;后面的問題比較常規(guī),考察了學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)解決物理問題的能力,利用解析式法和特殊點法進行誤差分析,做到了在積極“適應(yīng)變”的同時努力“把握穩(wěn)”．

2 教學(xué)啟示

筆者分別為一線教師和北京市的區(qū)域教研員,這道題給兩位筆者很大的感觸,也為今后的一線備考和區(qū)域教研提供了思路和方向.

(1) 引導(dǎo)教師重視知識的呈現(xiàn)過程,輕視機械的背誦結(jié)論.

本題的電路圖與教材原有實驗不同,考查了實驗誤差的定性分析和討論、實驗結(jié)論的評價等實驗分析能力．教學(xué)中要轉(zhuǎn)變觀念,從“解題”向“解決問題”轉(zhuǎn)變,重視知識的形成過程,教會學(xué)生解決問題的方法,教會學(xué)生理解教材中的實驗和現(xiàn)象,能解釋和遷移相關(guān)的知識和規(guī)律,面對試題創(chuàng)新之處才能從容進行知識遷移．在區(qū)級層面的考試中要注重考查學(xué)生是否透徹理解實驗原理和數(shù)據(jù)處理及誤差分析中所蘊含的實驗方法,引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維習(xí)慣.

(2) 引導(dǎo)教師重視對實驗數(shù)據(jù)處理和誤差分析方法的深入理解.

實驗中的數(shù)據(jù)處理是科學(xué)探究的關(guān)鍵,圖像法處理實驗數(shù)據(jù)更易于探究實驗規(guī)律．一般依據(jù)“化曲為直”的方法,同時結(jié)合圖像對應(yīng)的解析式正確的選取坐標(biāo)軸對應(yīng)的物理量．教學(xué)中要重點關(guān)注圖像中的斜率、截距、面積與交點等所表示的物理意義.這對實驗的誤差分析往往起著決定性的作用．可以利用區(qū)域項目或課題深入研究實驗的數(shù)據(jù)處理方法和實驗的誤差來源及減小誤差的方法,引導(dǎo)教師重視實驗教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的實踐和探究能力．

(3) 引導(dǎo)教師重視物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng).

本題注重考查了科學(xué)創(chuàng)新思維、科學(xué)探究思維及解決問題時需要的遷移能力,為發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)起到了很好的促進作用．建議區(qū)域備考減少對記憶性實驗結(jié)論的考查,增加實驗中遇到的實際問題的分析研究和學(xué)科核心素養(yǎng)導(dǎo)向的教研活動．增強引導(dǎo)學(xué)生利用圖像獲取更多信息及分析誤差的能力,培養(yǎng)學(xué)生做真實驗、收集真數(shù)據(jù)、分析真誤差的過程中提升創(chuàng)新與探究的核心素養(yǎng)．

2020年等級考物理試卷命題立足落實立德樹人的根本任務(wù),堅持能力立意,重點考查物理學(xué)科本質(zhì),重在解決綜合性問題中考查考生的素養(yǎng)發(fā)展水平,是新高考背景下等級性考試命題的一次新探索.