關(guān)于浙江省2021年1月高考設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題的賞析與啟示

鄧明富

摘要：高考實(shí)驗(yàn)題中最難的考題就是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。在設(shè)計(jì)性電學(xué)實(shí)驗(yàn)題中，電路選擇是本、是綱。如何正確選擇實(shí)驗(yàn)器材、選擇測(cè)量電路、選擇控制電路是解題的關(guān)鍵。本文就電路選擇進(jìn)行專題分析，幫助學(xué)生掌握基本方法，做到電路設(shè)計(jì)思想融會(huì)貫通。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn);控制電路;測(cè)量電路;限流電路;分壓電路

縱觀近十年浙江高考實(shí)驗(yàn)題，被所有專家考生點(diǎn)贊，其考查核心內(nèi)容是儀器識(shí)別、操作規(guī)范、數(shù)據(jù)分析等，沒(méi)有涉及到高難度的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)要求，往往難度不大，這樣的試題能有效地考查出動(dòng)手做過(guò)實(shí)驗(yàn)與沒(méi)做過(guò)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生差別，能讓動(dòng)手做過(guò)真實(shí)驗(yàn)的學(xué)生得到高分，以引導(dǎo)教學(xué)中重視動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和科學(xué)探究素養(yǎng)。然而在2021年1月選考18題中再次回歸了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)考點(diǎn)，由于平時(shí)學(xué)習(xí)中學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)不夠重視，強(qiáng)化練習(xí)不到位，對(duì)實(shí)驗(yàn)試題中出現(xiàn)的這一新變化不適應(yīng)，導(dǎo)致這個(gè)考點(diǎn)得分率不高。筆者在所教選考尖子生班中問(wèn)卷調(diào)查顯示，很多物理水平較高的學(xué)生也害怕遇到設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題，原因除了學(xué)習(xí)中對(duì)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)問(wèn)題有所弱化不夠重視之外，還與試題本身的高綜合性、高創(chuàng)設(shè)性有關(guān)，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)綜合考查的核心要素很多，需要學(xué)生有很強(qiáng)的應(yīng)用分析能力，綜合要素解決問(wèn)題能力，可以有效考查學(xué)生的物理學(xué)習(xí)水平和能力。

這次浙江省選考實(shí)驗(yàn)題透露出的信息來(lái)看，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)又將是考查的一個(gè)重點(diǎn)熱點(diǎn)，在教與學(xué)的過(guò)程中要注重解決技巧和思想方法的歸納優(yōu)化，拓展提升。下面以2021年1月高考物理實(shí)驗(yàn)18題為例，作簡(jiǎn)略的分析與探討。

一、原題賞析

原題：在測(cè)定電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)中，現(xiàn)有如圖1左所示的實(shí)驗(yàn)器材，照片中電阻箱阻值可調(diào)范圍為0～9999Ω，滑動(dòng)變阻器阻值變化范圍為0～10Ω，電流表G的量程為0～3mA、內(nèi)阻為200Ω，電壓表的量程有0～3V和0～15V。請(qǐng)?jiān)趫D中選擇合適的器材，在答題紙相應(yīng)方框中畫(huà)出兩種測(cè)定一節(jié)干電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的電路圖。

教學(xué)解構(gòu)：回歸課本

人教版教材給出圖2三種方案測(cè)定電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，伏安法、伏阻法、安阻法進(jìn)行測(cè)量。一般優(yōu)先考慮用伏安法測(cè)量，若選擇滑動(dòng)變阻器改變電路總阻值，電路最小電流約為7mA，電流表量程太小會(huì)燒表;若選擇電阻箱改變電路總阻值，電流表雖然安全，但是電源內(nèi)阻小、電流表最大電流小，電源分到的內(nèi)壓很小，改變電阻時(shí)外電壓幾乎不變，不利于測(cè)量多組電壓數(shù)據(jù)。綜上所述，電流表需要串聯(lián)電阻改裝成大量程電流表用，如參考答案伏安法和伏阻法可行。

點(diǎn)評(píng)優(yōu)化：誤差分析

筆者認(rèn)為，參考答案并不是最優(yōu)方案，既然是開(kāi)放性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)題，就要找到最優(yōu)方案為好。由于電壓表內(nèi)阻未知，參考答案中電壓表的分流作用導(dǎo)致存在系統(tǒng)誤差，電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻測(cè)量值均偏小。由于改裝后的電流表內(nèi)阻已知，若采用改裝后的電流表接在電壓表外（如圖3方案），可以精確測(cè)量電路的干路電流，電壓表精確測(cè)量等效電源的路端電壓，不存在由于電表內(nèi)阻引起的系統(tǒng)誤差，電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻測(cè)量值為真實(shí)值。

二、備考啟示：夯實(shí)經(jīng)典教學(xué)片斷

在電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，有圖4四種基本電路，從本質(zhì)上說(shuō)，只要學(xué)會(huì)選擇這4種組合，也就理解了電路設(shè)計(jì)的基本技巧。 我們把其中電燈、電流表、電壓表、電源、電鍵、滑動(dòng)變阻器六個(gè)元件分成兩組設(shè)計(jì)：電燈、電流表、電壓表為“測(cè)量電路”，電源、電鍵、滑動(dòng)變阻器為“控制電路”?！皽y(cè)量電路”涉及到電表選擇和電流表內(nèi)外接問(wèn)題，需要考量的因素是測(cè)什么，為什么測(cè)，怎樣測(cè)，測(cè)的結(jié)果是否準(zhǔn)確;“控制電路”涉及到滑動(dòng)變阻器的分壓和限流問(wèn)題，需要考量的因素是控什么，為什么控，怎樣控，控的結(jié)果是否有效方便。

教學(xué)片斷一：“測(cè)量電路”設(shè)計(jì)要素，電流表內(nèi)外接問(wèn)題，伏安法基本原理：。

師問(wèn)：理想電表圖5兩種電路中有沒(méi)有差別？生答：沒(méi)有。問(wèn)：理想電表在電路中作如何處理？答：電流表電阻為零當(dāng)作導(dǎo)線，電壓表電阻無(wú)窮大當(dāng)作斷路。問(wèn)：實(shí)際上，電流表只是一個(gè)可以測(cè)量自身電流的小電阻，內(nèi)阻不是零，只是非常小，典型的數(shù)據(jù)是“0.6A，RA≈0.2”，電壓表只是一個(gè)可以測(cè)量自身電壓的大電阻，內(nèi)阻不是無(wú)窮大，只是非常大。典型的數(shù)據(jù)是“3V，RV≈20k”。非理想電表內(nèi)阻考慮，不同連接方法誤差大小就不同，設(shè)計(jì)電路需要考慮電路誤差最小。

內(nèi)接法：在內(nèi)接法電路圖5左中標(biāo)出典型數(shù)據(jù)：0.6A，RA≈0.2;3V，RV≈20k;Rx=2k。問(wèn)：內(nèi)接法有沒(méi)有系統(tǒng)誤差？答：有，電流表分壓引起的。問(wèn)：誤差可否忽略？答：只有，不到0.01%，符合實(shí)驗(yàn)精度要求。測(cè)量電阻Rx測(cè)=Rx+RA實(shí)為電流表與被測(cè)電阻串聯(lián)電阻，阻值偏大。 外接法：在外接法電路圖5右中標(biāo)出典型數(shù)據(jù)：0.6A，RA≈0.2;3V，RV≈20k;Rx=2k。問(wèn)：外接法有沒(méi)有系統(tǒng)誤差？答：有，電壓表分流引起的。問(wèn)：誤差可否忽略？答：只有，不到0.01%，符合實(shí)驗(yàn)精度要求。測(cè)量電阻實(shí)為電壓表與被測(cè)電阻并聯(lián)電阻，阻值偏小。問(wèn)：在內(nèi)接法電路圖中把Rx=2k換成Rx=2，行不行？答：不行，誤差達(dá)到，接近10%。問(wèn)：在外接法電路圖中把Rx=2換成Rx=2k，行不行？答：不行，誤差達(dá)到，接近10%。

學(xué)生小結(jié)：大電阻適合用內(nèi)接法測(cè)量，測(cè)量值偏大;小電阻適合用外接法測(cè)量，測(cè)量值偏小?？谠E：大內(nèi)大，小外小。

教學(xué)片斷二：“控制電路”設(shè)計(jì)要素，滑動(dòng)變阻器的分壓限流問(wèn)題，基本原理：串并聯(lián)分壓規(guī)律。限流式：圖6為限流電路及等效電路圖，典型數(shù)據(jù)：Rx=10，R=10，E=10V，r=0。Rx上的電壓Ux與滑動(dòng)變阻器左邊電阻RL的關(guān)系公式：。根據(jù)公式，學(xué)生計(jì)算滑片在左端、左、右、右端時(shí)的Ux，為形象直觀，教師在黑板上畫(huà)出Ux-RL圖，體會(huì)變化趨勢(shì)。 問(wèn)：改變參數(shù)Rx=10，R=20，E=10V，r=0。限流可行嗎？限不住不方便，畫(huà)出Ux-RL圖，體會(huì)變化趨勢(shì)。問(wèn)：改變參數(shù)Rx=100，R=10，E=10V，r=0。限流可行嗎？限不住不方便，畫(huà)出Ux-RL圖，體會(huì)變化趨勢(shì)。問(wèn)：改變參數(shù)Rx=10，R=500，E=10V，r=0。限流可行嗎？可控不方便，畫(huà)出Ux-RL圖，體會(huì)變化趨勢(shì)?？偨Y(jié)上面幾組參數(shù)的限流效果，當(dāng)滑動(dòng)變阻器總阻值較大于被測(cè)電阻幾倍時(shí)，電路中被測(cè)電壓與滑動(dòng)變阻器有效電阻成線性關(guān)系，限流效果好，方便可控、便于采集多組數(shù)據(jù)。

分壓式：圖7為分壓電路及等效電路，典型數(shù)據(jù)：Rx=10，R=10，E=10V，r=0。Rx上的電壓Ux與滑動(dòng)變阻器左邊電阻RL的關(guān)系公式：。 根據(jù)公式，學(xué)生計(jì)算滑片在左端、左、右、右端時(shí)的Ux，為形象直觀，可用計(jì)算機(jī) XLS 工作表畫(huà)出Ux-RL圖（如圖8），體會(huì)變化趨勢(shì)。課堂上用 XLS 工作表分別畫(huà)出下列各組參數(shù)Ux-RL圖，讓學(xué)會(huì)充分感受體會(huì)滑動(dòng)變阻器總阻大小對(duì)分壓效果的影響。參數(shù)1：Rx=100，R=10，E=10V，r=0。參數(shù)2：Rx=10，R=100，E=10V，r=0。參數(shù)3：Rx=10，R=1000，E=10V，r=0。參：4：Rx=10，R=10000，E=10V，r=0。

總結(jié)上面幾組分壓參數(shù)發(fā)現(xiàn)，分壓式電路的特點(diǎn)是電壓可從零開(kāi)始調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍大。對(duì)高阻值的變阻器，當(dāng)滑動(dòng)片在前端大幅度滑動(dòng)時(shí)，分壓電壓幾乎不變;當(dāng)滑動(dòng)片在后端稍有移動(dòng)時(shí)，分壓電壓變化很大的，不方便調(diào)節(jié)和測(cè)量多組數(shù)據(jù)，或說(shuō)靈敏度不夠，不宜采用。當(dāng)滑動(dòng)變阻器總阻值較小時(shí)，分到電壓與滑動(dòng)變阻器分壓部分電阻成線性關(guān)系，分壓效果好，便于采集多組數(shù)據(jù)，分壓電路應(yīng)選用總阻值小的變阻器。當(dāng)總阻值相同，有效長(zhǎng)度大的，即單位長(zhǎng)度上的電阻小，這樣分壓效果好，方便調(diào)節(jié)和測(cè)量多組數(shù)據(jù)，優(yōu)先選擇。