時迎彪

(山東省鄒城市第一中學(xué),山東鄒城 273500)

“簡單的設(shè)計性實驗”是高考物理考試說明對考生實驗?zāi)芰Φ拿鞔_要求.筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn):學(xué)生應(yīng)對高考題中的“簡單的設(shè)計實驗”時,感到不是很簡單;教師在高考復(fù)習(xí)中對“簡單的設(shè)計性實驗”指導(dǎo)也感覺不容易.全國高考試題中對實驗的考查也在逐步轉(zhuǎn)向設(shè)計性實驗,它必將是今后高考物理實驗命題的熱點.如何更好地指導(dǎo)考生做好設(shè)計性實驗題目,是擺在中學(xué)教學(xué)面前的一個難題,筆者愿與各位同仁一起探討這一問題.

最近3年的各地高考題中,設(shè)計性實驗頻頻出現(xiàn),題目如表1所示.

表1

我們先來認(rèn)識一下設(shè)計性實驗,及其設(shè)計原則、設(shè)計思路.

1 什么是設(shè)計性物理實驗

設(shè)計性物理實驗,是依據(jù)課本中已經(jīng)出現(xiàn)過的物理實驗的基本原理、所使用的基本器材、以及在這些實驗中學(xué)過的有關(guān)方法等,根據(jù)提供有關(guān)的實驗器材以及實驗要求,去設(shè)計一些新的實驗方案,并按照實驗設(shè)計方案及要求,完成實驗有關(guān)內(nèi)容.

2 設(shè)計性實驗的設(shè)計原則

(1)合理性原則:實驗方案所依據(jù)的原理應(yīng)當(dāng)符合物理學(xué)的基本原理,實驗裝置或電路能夠圓滿完成實驗的要求.

(2)安全性原則:實驗進(jìn)行的過程中不會對實驗裝置和器材造成損壞,不會對人身造成危害.如每個電路元件上的電流、電壓、電功率不超過元件的額定值,電源的電流不能超過電源允許輸出的最大電流,電壓表、電流表不能超過其量程.

(3)準(zhǔn)確性原則:根據(jù)實驗的需要,選用精度合適的測量工具,但對某個實驗來講,精確程度夠用即可,并不是精度越高越好.對各種電表,一般要求它的實際讀數(shù)不小于量程的使用歐姆表盡可能使指針在中心刻度附近;為減少測量的影響,應(yīng)選擇內(nèi)阻較小的電流表和內(nèi)阻較大的電壓表.

(4)方便性原則:實驗時需考慮調(diào)節(jié)方便,便于操作,如滑動變阻器的選擇,既要考慮它的額定電流,又要考慮它有阻值范圍,在兩者都能滿足實驗要求的情況下,還要考慮阻值大小對實驗操作中是否調(diào)節(jié)方便的影響.

3 設(shè)計思路

實驗設(shè)計過程可用圖1表示.

圖1

解決設(shè)計型實驗問題的關(guān)鍵是確定實驗原理,它是進(jìn)行實驗設(shè)計的根本依據(jù)和起點,它決定應(yīng)當(dāng)測量那些物理量、如何安排實驗步驟、如何處理數(shù)據(jù)等.實驗原理的確定,要根據(jù)問題的要求和給出的條件,回顧分組實驗和演示實驗,尋找能夠遷移應(yīng)用的實驗原理,或者回顧物理原理,尋找有關(guān)的物理規(guī)律,設(shè)法創(chuàng)設(shè)相關(guān)的物理情景,并根據(jù)已掌握的基本儀器核對是否能夠測出必須測定的物理量.因此,掌握基本儀器的使用方法、基本的實驗方法和基本物理原理是解答設(shè)計型實驗題的基礎(chǔ).

4 典例分析

例1.(2009年寧夏卷第23題)青島奧運會帆船賽場采用風(fēng)力發(fā)電給蓄電池充電,為路燈提供電能.用光敏電阻作為傳感器控制路燈電路的開關(guān),實現(xiàn)自動控制.光敏電阻的阻值隨照射光的強弱而變化,作為簡化模型,可以近似認(rèn)為,照射光較強(如白天)時電阻幾乎為0,照射光較弱(如黑天)時電阻接近于無窮大.利用光敏電阻作為傳感器,借助電磁開關(guān),可以實現(xiàn)路燈自動在白天關(guān)閉,黑天打開.電磁開關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示.1、2兩接線柱之間是勵磁線圈,3、4兩接線柱分別與彈簧片和觸點連接.當(dāng)勵磁線圈中電流大于50 mA時,電磁鐵吸合鐵片,彈簧片和觸點分離,3、4斷開;電流小于50 mA時,3、4接通.勵磁線圈中允許通過的最大電流為100 mA.

利用以下器材設(shè)計一個自動控制路燈的電路,畫出電路原理圖.

光敏電阻 R1,符號 ;燈泡 L,額定功率40 W,額定電壓36 V,符號?;保護(hù)電阻 R2,符號 ;電磁開關(guān),符號 ;蓄電池 E,電壓36 V,內(nèi)阻很小;開關(guān)S;導(dǎo)線若干.

圖2

答案:(1)電路原理如圖3所示.

解析:要使光敏電阻能夠?qū)﹄娐愤M(jìn)行控制,且有光照時路燈熄滅,光敏電阻應(yīng)與1,2串聯(lián),3,4與路燈串聯(lián);則電路圖如圖3所示.

此例題中,光敏電阻和電磁開關(guān)相結(jié)合,完成電路設(shè)計,學(xué)生在應(yīng)對時也需細(xì)心思考.

例2.(2009年山東卷第23題)為了節(jié)能和環(huán)保,一些公共場所使用光控開關(guān)控制照明系統(tǒng).光控開頭可采用光敏電阻來控制,光敏電阻是阻值隨著光的照度而發(fā)生變化的元件(照度可以反映光的強弱,光越強照度越大,照度單位為lx).某光敏電阻Rp在不同照度下的阻值表2.

圖3

表2

如圖4所示,當(dāng)1、2兩端所加電壓上升至2 V時,控制開關(guān)自動啟動照明系統(tǒng),請利用下列器材設(shè)計一個簡單電路.給1、2兩端提供電壓,要求當(dāng)天色漸暗照度降低至1.0lx時啟動照明系統(tǒng),在虛線框內(nèi)完成電路原理圖.(不考慮控制開關(guān)對所設(shè)計電路的影響)

提供的器材如下:

光敏電源 E(電動勢3 V,內(nèi)阻不計);定值電阻:R1=10 kΩ,R2=20 kΩ,R3=40 kΩ(限選其中之一并在圖中標(biāo)出);開關(guān)S及導(dǎo)線若干.

圖4

圖5

答案:電路原理圖如圖5所示.

解析:給1、2兩端提供電壓,要求當(dāng)天色漸暗照度降低至1.0lx時啟動照明系統(tǒng),即此時光敏電阻阻值為20 kΩ,兩端電壓為2 V,電源電動勢為3 V,所以應(yīng)加上一個分壓電阻,分壓電阻阻值為10 kΩ,即選用 R1.

例3.(2008年上海卷第18題)某學(xué)生利用圖6(a)所示的電路研究燈泡 L1(6 V,1.5 W)、L2(6 V,10 W)的發(fā)光情況(假設(shè)燈泡電阻恒定),圖6(b)為實物圖.

圖6

(1)他分別將L1、L2接入圖6(a)中的虛線框位置,移動滑動變阻器的滑片P,當(dāng)電壓表示數(shù)為6 V時,發(fā)現(xiàn)燈泡均能正常發(fā)光.在圖6(b)中用筆線代替導(dǎo)線將電路連線補充完整.

(2)接著他將L1和 L2串聯(lián)后接入圖6(a)中的虛線框位置,移動滑動變阻器的滑片 P,當(dāng)電壓表示數(shù)為6 V時,發(fā)現(xiàn)其中一個燈泡亮而另一個燈泡不亮,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是________.

現(xiàn)有如下器材:電源 E(6 V,內(nèi)阻不計),燈泡L1(6 V,1.5 W)、L2(6 V,10 W),L2(6 V,10 W),單刀雙擲開關(guān) S.在圖6(c)中設(shè)計一個機動車轉(zhuǎn)向燈的控制電路:當(dāng)單刀雙擲開關(guān)S與1相接時,信號燈 L1亮,右轉(zhuǎn)向燈 L2亮而左轉(zhuǎn)向燈L3不亮;當(dāng)單刀雙擲開關(guān)S與2相接時,信號燈L1亮,左轉(zhuǎn)向燈L3亮而右轉(zhuǎn)向燈 L2不亮.

答案:(1)如圖7.

(2)由于 RL1比RL2小得多,燈泡L2分得的電壓很小,雖然有電流流過,但功率很小,不能發(fā)光.

圖7

圖8

(3)如圖8.

解析:本例題中第2個問題是對第3問題中設(shè)計性實驗的一個提示,如果沒有第2問作鋪墊,第3問的實驗設(shè)計對考生來講將更加困難.

5 應(yīng)對設(shè)計性實驗題目的策略

完整的設(shè)計一個實驗,要經(jīng)歷多個環(huán)節(jié),在實際考查中,一般不會考查全部環(huán)節(jié),而是只考查其中的幾個環(huán)節(jié),有的題目給出條件和實驗器材,要求闡述實驗原理;有的給出實驗電路圖,要求領(lǐng)會實驗原理,確定需測物理量及計算公式;有的則要求考生根據(jù)操作步驟及測定的物理量判斷出實驗原理……雖然考查方式不盡相同,但目前高考中幾乎所有的設(shè)計型實驗題都有一個共同點,都是在給出實驗器材的前提下進(jìn)行考查的,而且都以不同方式或多或少的對實驗原理作一定的提示.

為更好的讓學(xué)生在高考中從容應(yīng)對設(shè)計性實驗問題,我們緊跟課程改革步伐,認(rèn)真研讀新課標(biāo)要求,領(lǐng)悟新課標(biāo)理念,落實新課標(biāo)精神,加強設(shè)計性問題的教學(xué).首先,要加強課本中已有實驗的教學(xué),讓學(xué)生理解實驗原理,領(lǐng)悟?qū)嶒炈枷?掌握實驗方法.其次,要結(jié)合教學(xué)內(nèi)容,不斷提出有價值的設(shè)計性問題,讓學(xué)生利用已有的實驗器材、儀器設(shè)備,或身邊的物品和器具,設(shè)計方案,努力提高學(xué)生的設(shè)計能力.

設(shè)計性實驗試題源于教材,又高于教材.我們在平時的教學(xué)中既要立足于課本,又要不拘泥于課本;既要關(guān)注課本中的實驗,又要關(guān)注課本中的理論;既要做好課內(nèi)實驗,又要指導(dǎo)學(xué)生開展課外活動,進(jìn)行方案設(shè)計;要把實驗設(shè)計與開展研究性學(xué)習(xí)活動和科學(xué)探究活動整合起來;要在做好課本中基本實驗的同時,適時地對所做實驗進(jìn)行變化、拓展、引伸;要讓學(xué)生通過實踐課本中的實驗去獲取重要的原理、方法,并把獲取的原理和方法遷移到新情景中加以應(yīng)用,努力提高學(xué)生的遷移能力.

以上是筆者對高考中簡單的實驗設(shè)計的一些思考及想法不是很成熟,愿與各位同行一起展開討論.