張日東
(湖南師范大學(xué)附屬中學(xué) 湖南 長沙 410000)
統(tǒng)計2016-2019年全國理綜卷物理部分,其中電學(xué)實驗題分值的占比穩(wěn)定在9.1%左右,這一比例不可謂不大,可見電學(xué)實驗歷來是高考實驗考查的重點[1].全國高考理綜物理的實驗題往往都源于教材中的實驗改編、拓展、深化而來,核心實驗有兩個:“描繪小燈珠的伏安特性曲線”和“測量金屬絲的電阻率”.其他實驗往往都是從這兩個實驗推廣、拓展而來[2].這兩個實驗都要求考生熟練掌握歐姆定律(含閉合電路歐姆定律),所以這類“電學(xué)實驗題”往往是披著“實驗”外衣的“計算題”.而最體現(xiàn)探究性以及考生綜合能力的題型無疑是電路設(shè)計問題.這類問題在以往的高考電學(xué)實驗中出現(xiàn)的并不多,原因可能來自于多方面:難度較大導(dǎo)致區(qū)分度降低,設(shè)計往往具有一定的開放性導(dǎo)致閱卷難度增大,部分教育落后地區(qū)實驗開展的條件有限,沒有機會進行電路設(shè)計的實操性鍛煉……
少見并不意味著罕見,比如2017年高考全國理科綜合卷Ⅰ和2021年高考湖南物理卷,這類問題是考生的痛點和難點.如何更有效地提升學(xué)生的電路設(shè)計能力,是擺在一線教師面前的棘手問題.
2017年發(fā)布的《普通高中物理課程標準》提出:構(gòu)建以生活和自然為基礎(chǔ)、以學(xué)科知識為支撐、以核心素養(yǎng)為主導(dǎo)、具有中國特色的普通高中物理課程[3].物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括4大方面,其中“科學(xué)探究”是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計實驗和制訂方案、獲取和處理信息的能力.鼓勵和培養(yǎng)這種能力,既是教育從業(yè)者的使命,也是高考命題者的重要任務(wù).但是考試的時間有限,如何在最短的時間對這項能力進行考查,實驗設(shè)計題特別是電學(xué)設(shè)計題無疑是最佳的載體.
綜合以上兩點,可以預(yù)見在不久的將來,電學(xué)設(shè)計題將愈來愈多的出現(xiàn)在高考物理的考卷上.盡管在日常教學(xué)中老師可能傳授過各種形式的電路設(shè)計,但是學(xué)生依舊難以靈活的應(yīng)對這一問題.本文根據(jù)常見題型提煉兩條解題線索,一明一暗,幫助同學(xué)有效的突破這類難題,拋磚引玉,也為一線教師提供一種教學(xué)設(shè)計.
電路設(shè)計為什么難?常規(guī)電學(xué)實驗題要求學(xué)生從“給出的電路”中計算所需的“物理量”或者分析實驗圖像.這是一種“從因到果”順著學(xué)生思維進行設(shè)計的問題,所以解決的難度不大,也就是本文所說的披著“實驗題”外衣的“計算題”.但是電路設(shè)計問題只給出了一個“目的”,要求學(xué)生設(shè)計一個電路來實現(xiàn)目的.這是一種“執(zhí)果索因”的問題設(shè)計,從果到因之間存在巨大的鴻溝!這個過程既需要考慮原理的可行性也需要考慮器材的現(xiàn)狀,學(xué)生往往束手無策或者顧此失彼.本文以“測量未知電阻Rx”為例,提出一個廣泛可行的明線思路(圖1),以供參考.
設(shè)計電路一般包括兩部分:其一是測量電路,為了測量某一物理量,這是設(shè)計電路的初衷,所以這一部分是必須的,本文重點闡述該部分的設(shè)計;其二是控制電路,為了獲得更多數(shù)據(jù),往往需要不停地調(diào)整電路的參數(shù),這一部分電路是為了讓結(jié)果更準確,有時候因為器材條件所限并不能實現(xiàn),所以并不是必須的.高中階段的控制電路一般包括分壓式和限流式電路,這部分已有很多討論,不再贅述.
這是電路設(shè)計的第一步,正如受力分析必須明確研究對象一樣,如果一個實驗的目的都沒有把握清楚,那么設(shè)計肯定是不成功的.無論是測量未知電阻Rx,測量電源內(nèi)阻r、電動勢E,還是電功率P乃至伏安特性曲線,其實都是圍繞著電壓U和電流I的測量展開的,那么就自然而然地引出下一個問題:如何測量?
實驗設(shè)計需要同時考慮的還有器材,有些教輔推薦根據(jù)設(shè)計選器材,也有些推薦根據(jù)器材定設(shè)計方案.筆者認為不可一概而論,主線思路還是考慮“能否實現(xiàn)測量核心物理量”,預(yù)估被測電阻的數(shù)量級,先判斷電壓表、電流表是否“可用”(量程)、是否“好用”(精度、讀數(shù)),這是題目設(shè)置障礙的主要環(huán)節(jié).若電壓表、電流表都有且量程、精度均滿足條件,那么只需要考慮電流表內(nèi)外接的誤差即可,這類問題很容易但是考查的頻率較低.
大部分題目會設(shè)計缺電流表或者電壓表的場景,若是有兩個電流表或者兩個電壓表則很容易聯(lián)想到利用定值電阻設(shè)計串聯(lián)分壓或者并聯(lián)分流測得核心物理量電壓U和電流I,這類問題也比較簡單,不難想到.
相對難一些的場景,就是電壓表、電流表都有,但是量程、精度無法滿足條件.所以需要“尋求功能替代”.量程太小,就要用到我們所學(xué)的改裝電表的知識;量程太大可以使用,但是指針偏轉(zhuǎn)太小,相對誤差太大,那么我們就需要對未知電阻進行改裝,等效地將被測物理量“放大”,減小相對誤差.
如果器材所限,確實無法完成功能替代,那么就只能考慮等效替代法[4]或者半偏法進行等效測量.
【例1】(2017年高考全國理綜Ⅰ卷的電學(xué)實驗題)某同學(xué)研究小燈泡的伏安特性,所使用的器材有:小燈泡L(額定電壓3.8 V,額定電流0.32 A),電壓表(量程3 V,內(nèi)阻3 kΩ),電流表(量程0.5 A,內(nèi)阻0.5 Ω),固定電阻R0(阻值1 000 Ω),滑動變阻器R(0~9.0 Ω),電源E(電動勢5 V,內(nèi)阻不計),開關(guān)S,導(dǎo)線若干.
(1)實驗要求在0~3.8 V的范圍內(nèi)對小燈泡的電壓進行測量,畫出實驗設(shè)計電路原理圖……
我們沿著明線思路進行思考,該問題屬于需要測量核心物理量電壓U,電流I的場景.這里電壓表、電流表都有,接下來看是否“可用”和“好用”,顯然,發(fā)現(xiàn)電壓表量程不夠,那么我們就自然而然地利用定值電阻進行電表改裝.再考慮到小燈泡電阻更接近電流表的量級,那么應(yīng)當將電流表外接.最后思考控制電路,這里需要電壓從零開始,那么分壓式的控制電路是必須的[5].設(shè)計的電路圖如圖2所示.
圖2 例1電路設(shè)計
【例2】(2021高考湖南物理卷的電學(xué)實驗題)某實驗小組需測定電池的電動勢和內(nèi)阻,器材有:1節(jié)待測電池,1個單刀雙擲開關(guān),1個定值電阻(阻值為R0),1個電流表(內(nèi)阻為RA),1根均勻電阻絲(電阻絲總阻值大于R0并配有可在電阻上移動的金屬夾),導(dǎo)線若干.由于缺少刻度尺,無法測量電阻絲長度,但發(fā)現(xiàn)桌上有一個圓形時鐘表盤.某同學(xué)提出將電阻絲繞在該表盤上,利用圓心角來表示接入電路的電阻絲長度.主要實驗步驟如下:
……
(5)為進一步確定結(jié)果,還需要測量單位角度對應(yīng)電阻絲的阻值r0.利用現(xiàn)有器材設(shè)計實驗畫出實驗電路圖(電阻絲用滑動變阻器符號表示).
我們主要看第(5)問電路設(shè)計.分析實驗?zāi)康模覀冎恍铚y到特定角度電阻絲的阻值即可求出r0,所以同樣屬于關(guān)注核心物理量U和I的電路設(shè)計問題.這里只有一個電流表,沒有電壓表,電表沒有提到量程,所以只能默認“可用”且“好用”.確實有一個定值電阻,可以將電流表改裝成電壓表使用,但是一旦改裝了這個唯一的電流表,就必須把新的電表和被測電阻并聯(lián),無法獲得通過被測電阻電流的大小.這里就屬于典型的“無法完成功能替代”,那么我們就只能考慮等效替代法和半偏法.這里似乎等效替代和電流半偏法都可用,那么我們需要比較一下更優(yōu)方案.電流半偏法需要默認外電路電壓幾乎不變,這個實驗最初是為了測電源內(nèi)阻,可見電源內(nèi)阻無法忽略,所以半偏法誤差較大.我們優(yōu)先考慮等效替代(恰好電阻絲可以改變電阻調(diào)到和R0一樣大,這也是一個暗示).最后思考控制電路,這里由于器材不夠,沒辦法實現(xiàn)控制電路的設(shè)計了.所以最終設(shè)計如圖3所示.
圖3 例2電路設(shè)計
需要指出的是,電路設(shè)計是一種開放性很強的探究活動,時長把控上具有很強的不確定性.為了滿足考試時長的要求,題干中往往會留下一些不尋常的細節(jié),以此為暗線可以幫助考生快速切入(也可能是出卷人為了避免開放性太強,出現(xiàn)太多可行的設(shè)計給閱卷增加難度).比如:
(1)電表的內(nèi)阻一般只給出一個大致的量級幫助考生判斷誤差,如果題干中明確給出了某電表內(nèi)阻等于某值,那么很有可能這個電表可以實現(xiàn)“一表多用”,比如例1完全可以將電流表內(nèi)接(圖4),誤差甚至更小.
圖4 例1的另一種電路設(shè)計
(2)有些特殊的元件,可能會起到關(guān)鍵性的作用.比如例題2中反常規(guī)的提到了“單刀雙擲開關(guān)”.如果考生抓住了這個暗示,就可以迅速聯(lián)想到等效替代法.
總而言之,電路設(shè)計問題考查的能力較為全面,需要學(xué)生具備比較高的知識水平以及“執(zhí)果索因”的
應(yīng)用能力.筆者認為如果要想提升學(xué)生應(yīng)對這類難題的能力,主要應(yīng)當從3個方面著力:
(1)如果教師在一線教學(xué)實踐中有意識地鍛煉學(xué)生“樹立全局意識、提明線、抓暗線的能力”,可以有效地提升學(xué)生的電路設(shè)計能力.
(2)更好的方式是:教師逐步引導(dǎo)學(xué)生,總結(jié)出屬于自己的“主線思路圖”,盡管不一定全面,但是學(xué)生分析、應(yīng)用的能力會得到較大的鍛煉.
(3)最好的方式:教師帶學(xué)生走進實驗室,多開展各種探究實驗.學(xué)生在實際操作中會遇到各種故障、器材缺乏等等問題,學(xué)生置身于情境之中,結(jié)合教師的指導(dǎo),會更加全面地鍛煉到尋找證據(jù)、交流、評估、反思的能力,這也正是核心素養(yǎng)中“科學(xué)探究”所倡導(dǎo)的培養(yǎng)模式.