王松濤

摘 要：電學(xué)實(shí)驗(yàn)的思想通過電路結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。2014年高考電學(xué)實(shí)驗(yàn)命題的創(chuàng)新設(shè)計(jì)首先體現(xiàn)在電路結(jié)構(gòu)和原理的變化上，而電路結(jié)構(gòu)和原理的變化又會(huì)引起操作方法、數(shù)據(jù)處理和誤差分析等相應(yīng)變化。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的簡單創(chuàng)新，其相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ囊髤s并不簡單。

關(guān)鍵詞：高考；電學(xué)實(shí)驗(yàn)；創(chuàng)新設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2015）4-0050-4

考試大綱對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ囊蟀ㄗ寣W(xué)生利用學(xué)過的原理和方法，在題設(shè)的情境下按照題設(shè)的要求獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，恰當(dāng)選擇實(shí)驗(yàn)器材，合理安排實(shí)驗(yàn)步驟，正確處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及進(jìn)行實(shí)驗(yàn)誤差分析等。其中特別值得注意的是為了適應(yīng)課程改革的需要，2007年之后考試大綱新增加了“對(duì)結(jié)論進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，包括簡單的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)”的內(nèi)容。解讀考試大綱的能力要求對(duì)于我們把握實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方向，貫徹新課改的精神，提高高考備考的針對(duì)性都十分重要。

在2014年教育部考試中心統(tǒng)一命題及各省自主命題的全部十五套高考試題中，共有六套試題考察了測電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)。而在這六套試題中，測電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻的分值占這六套試題實(shí)驗(yàn)分值的63%，可見測電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)是高考實(shí)驗(yàn)考察的重要內(nèi)容?，F(xiàn)以2014年高考對(duì)測電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)的考察為例，通過與教材原始實(shí)驗(yàn)對(duì)比，探討創(chuàng)新設(shè)計(jì)思想在高考命題中的體現(xiàn)。

教材中介紹的測電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)采用的是伏安法，電路如圖1中的甲圖所示。實(shí)驗(yàn)器材的一般配置為一節(jié)干電池，電壓表（0 ～ 3 V），電流表（0 ～ 0.6 A），滑動(dòng)變阻器（0 ～ 10 Ω）。統(tǒng)計(jì)顯示在2014年高考試題中，考察該實(shí)驗(yàn)的六套試題中有五套采用的是伏安法。對(duì)于這一基本的實(shí)驗(yàn)方法，高考試題是如何進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的呢？ 電學(xué)實(shí)驗(yàn)的思想通過電路結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，那么高考試題中的電路結(jié)構(gòu)有哪些變化呢？

1 電路中電表位置變化

2014年北京卷：利用電流表和電壓表測定一節(jié)干電池的電動(dòng)勢和內(nèi)電阻。要求盡量減小實(shí)驗(yàn)誤差。

①應(yīng)該選擇的實(shí)驗(yàn)電路是圖1中的_____（選填“甲”或“乙”）。

②現(xiàn)有電流表（0～0.6 A） 、開關(guān)和導(dǎo)線若干，以及以下器材：

A.電壓表（0～15 V）；B.電壓表（0～3 V）；C.滑動(dòng)變阻器（0～50 Ω）；D. 滑動(dòng)變阻器（0～500 Ω）。

實(shí)驗(yàn)中電壓表應(yīng)選用________；滑動(dòng)變阻器應(yīng)選用________。（選填相應(yīng)器材前的字母）

③某位同學(xué)記錄的6組數(shù)據(jù)如下表所示，其中5組數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)已經(jīng)標(biāo)在圖2的坐標(biāo)紙上，請(qǐng)標(biāo)出余下一組數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，并畫出U-I圖線。

④根據(jù)③中所畫圖線可得出干電池的電動(dòng)勢E=________V，內(nèi)電阻r=________Ω。

⑤實(shí)驗(yàn)中，隨著滑動(dòng)變阻器滑片的移動(dòng)，電壓表的示數(shù)U及干電池的輸出功率P都會(huì)發(fā)生變化。圖3的各示意圖中正確反映P-U關(guān)系的是________。

本題第①問考查電流表的內(nèi)外接法；第②問考查儀器的選擇；第③問考查作圖；第④問考查圖像法的數(shù)據(jù)處理；第⑤問考查輸出功率。本題基本以教材原始實(shí)驗(yàn)為原型對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰M(jìn)行考察，增加的圖1乙中電表位置發(fā)生改變，導(dǎo)致誤差的結(jié)果不同，解答此問仍要基于對(duì)課本原始實(shí)驗(yàn)中誤差分析的正確理解。

2014年全國大綱卷：現(xiàn)要測量某電源的電動(dòng)勢和內(nèi)阻?？衫玫钠鞑挠校弘娏鞅鞟，內(nèi)阻為1.00 Ω； 電壓表V；阻值未知的定值電阻R1、R2、R3、R4、R5；開關(guān)S；一端連有鱷魚夾P的導(dǎo)線1，其他導(dǎo)線若干。某同學(xué)設(shè)計(jì)的測量電路如圖4所示。

①按圖4在實(shí)物圖5中畫出連線，并標(biāo)出導(dǎo)線1和其P端。

②測量時(shí)，改變鱷魚夾P所夾的位置，使R1、R2、R3、R4、R5依次串入電路，記錄對(duì)應(yīng)的電壓表的示數(shù)U和電流表的示數(shù)I。數(shù)據(jù)如下表所示。根據(jù)表中數(shù)據(jù)，在圖6中的坐標(biāo)紙上將所缺數(shù)據(jù)點(diǎn)補(bǔ)充完整，并畫出U-I圖線。

③根據(jù)U-I圖線求出電源的電動(dòng)勢E= V，內(nèi)阻r=___Ω。（保留兩位有效數(shù)字）

與北京考題類似，本題將電路結(jié)構(gòu)中電表的位置進(jìn)行了改變，由此利用圖像法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，由圖線斜率絕對(duì)值得出的內(nèi)阻測量值就包含了電流表的內(nèi)阻，減去此電流表的內(nèi)阻才能正確得出電源的內(nèi)阻值。這種變化使得死記書本原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法的學(xué)生往往會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

2 電路中加入保護(hù)電阻

2014年福建卷：某研究性學(xué)習(xí)小組利用伏安法測定某一電池組的電動(dòng)勢和內(nèi)阻，實(shí)驗(yàn)原理如圖7所示。其中，虛線框內(nèi)為用靈敏電流計(jì)G改裝的電流表A，V為標(biāo)準(zhǔn)電壓表，E為待測電池組，S為開關(guān)，R為滑動(dòng)變阻器，R0是標(biāo)稱值為4.0 Ω的定值電阻。

①已知靈敏電流計(jì)G的滿偏電流Ig=100 μA，內(nèi)阻rg=2.0 kΩ，若要改裝后的電流表滿偏電流為200 mA，應(yīng)并聯(lián)一只阻值為________Ω（保留一位小數(shù)）的定值電阻R1；

②根據(jù)圖7，用筆畫線代替導(dǎo)線將圖8連接成完整電路；

③某次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)如下表所示：

該小組借鑒“研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)中計(jì)算加速度的方法（逐差法），計(jì)算出電池組的內(nèi)阻r=________Ω（保留兩位小數(shù)）；為減小偶然誤差，逐差法在數(shù)據(jù)處理方面體現(xiàn)出的主要優(yōu)點(diǎn)是______________________。

④該小組在前面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為探究圖7電路中各元器件的實(shí)際阻值對(duì)測量結(jié)果的影響，用一已知電動(dòng)勢和內(nèi)阻的標(biāo)準(zhǔn)電池組，通過上述方法多次測量后發(fā)現(xiàn)：電動(dòng)勢的測量值與已知值幾乎相同，但內(nèi)阻的測量值總是偏大。若測量過程無誤，則內(nèi)阻測量值總是偏大的原因是________。（填選項(xiàng)前的字母）

A.電壓表內(nèi)阻的影響

B.滑動(dòng)變阻器的最大阻值偏小

C.R1的實(shí)際阻值比計(jì)算值偏小

D.R0的實(shí)際阻值比標(biāo)稱值偏大

與教材原始實(shí)驗(yàn)對(duì)比，福建考題在電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上除了將電表改裝簡單融入外，就是在電路中加入了保護(hù)電阻。這樣在數(shù)據(jù)處理和誤差分析環(huán)節(jié)就必須考慮保護(hù)電阻帶來的影響。

2014年海南卷：用伏安法測量一電池的內(nèi)阻。已知該待測電池的電動(dòng)勢E約為9 V，內(nèi)阻約數(shù)十歐，允許輸出的最大電流為50 mA，可選用的實(shí)驗(yàn)器材有：

電壓表V1（量程5 V）；電壓表V2（量程10 V）；電流表A1（量程50 mA）；電流表A2（量程100 mA）；滑動(dòng)變阻器R（最大電阻300 Ω）；定值電阻R1（阻值為200 Ω，額定功率為1/8 W）；定值電阻R2（阻值為200 Ω，額定功率為1 W）；開關(guān)S；導(dǎo)線若干。

測量數(shù)據(jù)如坐標(biāo)紙上U-I圖線所示。

①在答題卡相應(yīng)的虛線方框內(nèi)畫出合理的電路原理圖，并標(biāo)明所選器材的符號(hào)。

②在設(shè)計(jì)的電路中，選擇定值電阻的根據(jù)是

。

③由U-I圖線求得待測電池的內(nèi)阻為 Ω。

④在你設(shè)計(jì)的電路中，產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的主要原因是 。

合理的電路原理圖如圖10，和福建考題類似，海南考題中定值電阻充當(dāng)了保護(hù)電阻，但與福建考題不同的是保護(hù)電阻的位置不同。本題電路設(shè)計(jì)的要點(diǎn)在于對(duì)保護(hù)電阻的分析判斷，包括需不需要保護(hù)電阻的判斷、保護(hù)電阻的選擇和保護(hù)電阻位置的確定。

2014年上海卷：在“用DIS測電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻”的實(shí)驗(yàn)中：

①將待測電池組、滑動(dòng)變阻器、電流傳感器、電壓傳感器、定值電阻、電鍵及若干導(dǎo)線連接成電路如圖11所示，圖中未接導(dǎo)線的A端應(yīng)接在____點(diǎn)（選填：“B”、“C”、“D”或“E”）。

②實(shí)驗(yàn)得到的U-I關(guān)系如圖12中的直線I所示，則電池組的電動(dòng)勢為____V，內(nèi)電阻阻值為____Ω。

③為了測量定值電阻的阻值，應(yīng)在圖11中將“A”重新連接到____點(diǎn)（選填：“B”、“C”、“D”或“E”），所得到的U-I關(guān)系如圖12中的直線II所示，則定值電阻的阻值為____Ω。

上海考題采用新的實(shí)驗(yàn)手段DIS進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但其物理實(shí)質(zhì)仍然是伏安法測電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻，與教材原始實(shí)驗(yàn)比較，本題電路的變化和福建、海南的高考題類似，即添加了保護(hù)電阻；但與福建、海南的高考題不同的是，本題同時(shí)考察了保護(hù)電阻的兩種接法，如圖13和圖14所示，通過兩種接法的對(duì)比計(jì)算出保護(hù)電阻的阻值。

綜上分析，2014年高考實(shí)驗(yàn)命題仍然體現(xiàn)“來源于教材而又不拘泥于教材”的理念，實(shí)驗(yàn)的考察相對(duì)于教材原始實(shí)驗(yàn)均有所變化。對(duì)于電學(xué)實(shí)驗(yàn)來說，在給定實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡臈l件下這種變化首先體現(xiàn)在電路結(jié)構(gòu)和原理的變化上。通過總結(jié)2014年高考對(duì)測電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)的考察來看，電路結(jié)構(gòu)的變化相對(duì)于教材原始實(shí)驗(yàn)而言，只表現(xiàn)在電表位置的改變和添加保護(hù)電阻后保護(hù)電阻位置的改變等比較基本和常規(guī)的變化，這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)的思想源自對(duì)教材原始實(shí)驗(yàn)的理解和對(duì)實(shí)驗(yàn)基本操作技能的掌握，而這正是考試大綱所謂“簡單的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”的體現(xiàn)。但是，電路結(jié)構(gòu)的變化通常會(huì)引起操作方法、數(shù)據(jù)處理和誤差分析等相應(yīng)變化，這就要求考生能隨考題情境的改變靈活應(yīng)對(duì)，恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行知識(shí)遷移以解決新的問題。因此，所謂實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的簡單創(chuàng)新，其相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ囊髤s并不簡單。

鑒于此，對(duì)新一輪高考實(shí)驗(yàn)的備考需要注意避免兩種傾向：一是避免死記教材原始實(shí)驗(yàn)，高考對(duì)實(shí)驗(yàn)的考察源自教材但一定蘊(yùn)含有創(chuàng)新的思想，背實(shí)驗(yàn)只會(huì)讓學(xué)生固步自封，自縛手腳。二是避免為創(chuàng)新而創(chuàng)新。片面追求變化而去做大量偏、難、怪的實(shí)驗(yàn)題，會(huì)讓學(xué)生迷失方向，茫然而不知所措。

所以，高考實(shí)驗(yàn)的備考需要抓住教材原始實(shí)驗(yàn)強(qiáng)化學(xué)生基本的實(shí)驗(yàn)技能，同時(shí)又要適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行變化以培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)遷移能力和創(chuàng)新思維能力。

（欄目編輯 陳 潔）