拓展素材來源,引領(lǐng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)
——2023年湖南省普通高中學(xué)業(yè)水平選擇性考試物理第12題的分析與變式

楊宗禮

(湖南省湘陰縣第一中學(xué))

【真題展示】某探究小組利用半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器等元件設(shè)計(jì)了一個(gè)測量微小壓力的裝置,其電路如圖1所示,R1、R2、R3為電阻箱,RF為半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器,C、D間連接電壓傳感器(內(nèi)阻無窮大)。

圖1

(1)先用歐姆表“×100”擋粗測RF的阻值,示數(shù)如圖2所示,對應(yīng)的讀數(shù)是________Ω;

圖2

(2)適當(dāng)調(diào)節(jié)R1、R2、R3,使電壓傳感器示數(shù)為0,此時(shí),RF的阻值為________(用R1、R2、R3表示);

(3)依次將0.5 g的標(biāo)準(zhǔn)砝碼加載到壓力傳感器上(壓力傳感器上所受壓力大小等于砝碼重力大小),讀出電壓傳感器示數(shù)U,所測數(shù)據(jù)如表所示:

次數(shù)123456砝碼質(zhì)量m/g0.00.51.01.52.02.5電壓U/mV057115168220280

根據(jù)表中數(shù)據(jù)在圖3上描點(diǎn),繪制U-m關(guān)系圖線;

圖3

(4)完成前面三步的實(shí)驗(yàn)工作后,該測量微小壓力的裝置即可投入使用。在半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器上施加微小壓力F0,電壓傳感器示數(shù)為200 mV,則F0大小是________N(重力加速度取9.8 m/s2,保留2位有效數(shù)字);

(5)若在步驟(4)中換用非理想毫伏表測量C、D間電壓,在半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器上施加微小壓力F1,此時(shí)非理想毫伏表讀數(shù)為200 mV,則F1________(填“>”“=”或“<”)F0。

圖4

【試題解析】(1)歐姆表讀數(shù)為10×100 Ω=1 000 Ω

(2)當(dāng)電壓傳感器讀數(shù)為零時(shí),C、D兩點(diǎn)電勢相等,即UCB=UDB

(3)繪出U-m圖像如圖4所示

(4)由圖4可知,當(dāng)電壓傳感器的讀數(shù)為U=200 mV 時(shí),所放物體質(zhì)量為m≈1.80 g,則

F0=mg≈1.80×10-2N

(5)可將C、D以外的電路等效為新的電源,C、D兩點(diǎn)電壓看作路端電壓,因?yàn)閾Q用非理想電壓傳感器當(dāng)讀數(shù)為200 mV時(shí),實(shí)際C、D間斷路(接理想電壓傳感器時(shí))的電壓大于200 mV,則此時(shí)壓力傳感器的讀數(shù)F1>F0。

【試題評價(jià)】本題以人教版新教材選擇性必修第二冊P109課題研究樣例:半導(dǎo)體薄膜壓力傳感器特性的實(shí)驗(yàn)研究為素材命制,創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)情境,考查了歐姆表的讀數(shù)、壓阻電橋原理、數(shù)據(jù)處理等實(shí)驗(yàn)技能,考查了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)。打破了電學(xué)實(shí)驗(yàn)出自必修三學(xué)生實(shí)驗(yàn)的慣例,拓寬了實(shí)驗(yàn)的選材范圍,命題者在反套路反機(jī)械刷題上下足了功夫,同時(shí)符合湖南省教育廳要求從今年開始在全省中小學(xué)全面開展拓展實(shí)驗(yàn)的要求,必將引領(lǐng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

【改編變式練】某課外物理興趣小組的同學(xué)利用熱敏電阻等元件設(shè)計(jì)了一個(gè)探究熱敏電阻的阻值與環(huán)境溫度變化關(guān)系的裝置,其電路如圖5所示,R1、R2、R3為電阻箱,RT為熱敏電阻,C、D間連接電流傳感器(內(nèi)阻為零)。

圖5

(1)將熱敏電阻放置在恒溫箱中,調(diào)節(jié)恒溫箱的溫度為t℃時(shí),閉合開關(guān),適當(dāng)調(diào)節(jié)R1、R2、R3,使電流傳感器示數(shù)為0,此時(shí),RT的阻值為________(用R1、R2、R3表示);

(2)改變恒溫箱的溫度,同時(shí)適當(dāng)調(diào)節(jié)R1、R2、R3使電流傳感器示數(shù)始終為0,記錄多阻恒溫箱的溫度,并求出每次對應(yīng)的熱敏電阻的阻值,如下表所示。

t/℃25304050607080RT/Ω900679499389320270240

(3)在圖6的坐標(biāo)紙上補(bǔ)齊數(shù)據(jù)表中所給數(shù)據(jù)點(diǎn),并作出RT-t曲線;并說明該熱敏電阻的阻值隨溫度升高而________(填“增大”或“減小”)。

圖6

(4)興趣小組的同學(xué)用該熱敏電阻設(shè)計(jì)出自動(dòng)報(bào)警裝置,電路圖如圖7所示。報(bào)警器兩端的電壓升到某特定值時(shí),報(bào)警裝置會(huì)自動(dòng)報(bào)警,為增加報(bào)警器的靈敏程度應(yīng)________(填“增大”或“減小”)R的電阻值。

圖7

【改編意圖】以探究熱敏電阻的阻值與環(huán)境溫度變化關(guān)系為情境,從對電橋法測電阻原理的理解、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理、實(shí)驗(yàn)結(jié)論的得出、實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與解釋等方面考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰涂茖W(xué)探究能力,意在考查學(xué)生靈活運(yùn)用相關(guān)知識(shí)解決實(shí)際實(shí)驗(yàn)問題的能力。

(3)由題給數(shù)據(jù)描完點(diǎn)后如圖8所示,觀察這些點(diǎn)的分布規(guī)律,應(yīng)畫一條平滑曲線,讓盡可能多的點(diǎn)落在線上,不在線上的點(diǎn)要均勻分布在線的兩側(cè)。由描出的圖像可看出隨著溫度升高,該熱敏電阻的阻值減小。

圖8

【教學(xué)啟示】1.加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué),提高解決實(shí)驗(yàn)問題的能力是物理學(xué)科的重要教學(xué)任務(wù)。要結(jié)合課本實(shí)驗(yàn)及其相關(guān)實(shí)驗(yàn)問題的解決與訓(xùn)練,使學(xué)生真正理解課本實(shí)驗(yàn)的目的、原理、原則,熟悉課本實(shí)驗(yàn)的正確操作步驟等,培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、科學(xué)探究能力。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)要從講實(shí)驗(yàn)向做實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變,要把學(xué)生拉回實(shí)驗(yàn)室,熟練實(shí)驗(yàn)操作,在動(dòng)手中關(guān)注實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié),無論是儀器的安裝和調(diào)節(jié),還是電路的連接,都需要采取正確的方法,學(xué)生有了真實(shí)的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn),才能提高實(shí)驗(yàn)探究能力。

3.數(shù)據(jù)分析和處理是物理實(shí)驗(yàn)考查的重點(diǎn),是實(shí)驗(yàn)題獲取高分的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)分析和處理是指從獲得數(shù)據(jù)開始到得出最后結(jié)論的整個(gè)加工過程,包括數(shù)據(jù)記錄、整理、計(jì)算、分析和繪制圖表等,這就要求學(xué)生平時(shí)每次做完實(shí)驗(yàn)撰寫好實(shí)驗(yàn)報(bào)告,“隨風(fēng)潛入夜,潤物細(xì)無聲”,數(shù)據(jù)分析和處理的能力在一次次實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫中得到提升。