高考中“簡單的設計性實驗”不簡單

時迎彪

(山東省鄒城市第一中學,山東鄒城 273500)

“簡單的設計性實驗”是高考物理考試說明對考生實驗能力的明確要求.筆者在教學中發現:學生應對高考題中的“簡單的設計實驗”時,感到不是很簡單;教師在高考復習中對“簡單的設計性實驗”指導也感覺不容易.全國高考試題中對實驗的考查也在逐步轉向設計性實驗,它必將是今后高考物理實驗命題的熱點.如何更好地指導考生做好設計性實驗題目,是擺在中學教學面前的一個難題,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,設計性實驗頻頻出現,題目如表1所示.

表1

我們先來認識一下設計性實驗,及其設計原則、設計思路.

1 什么是設計性物理實驗

設計性物理實驗,是依據課本中已經出現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過的有關方法等,根據提供有關的實驗器材以及實驗要求,去設計一些新的實驗方案,并按照實驗設計方案及要求,完成實驗有關內容.

2 設計性實驗的設計原則

(1)合理性原則:實驗方案所依據的原理應當符合物理學的基本原理,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)準確性原則:根據實驗的需要,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,應選擇內阻較小的電流表和內阻較大的電壓表.

(4)方便性原則:實驗時需考慮調節方便,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節方便的影響.

3 設計思路

實驗設計過程可用圖1表示.

圖1

解決設計型實驗問題的關鍵是確定實驗原理,它是進行實驗設計的根本依據和起點,它決定應當測量那些物理量、如何安排實驗步驟、如何處理數據等.實驗原理的確定,要根據問題的要求和給出的條件,回顧分組實驗和演示實驗,尋找能夠遷移應用的實驗原理,或者回顧物理原理,尋找有關的物理規律,設法創設相關的物理情景,并根據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計型實驗題的基礎.

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力發電給蓄電池充電,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,實現自動控制.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,可以實現路燈自動在白天關閉,黑天打開.電磁開關的內部結構如圖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?;保護電阻 R2,符號 ;電磁開關,符號 ;蓄電池 E,電壓36 V,內阻很小;開關S;導線若干.

圖2

答案:(1)電路原理如圖3所示.

解析:要使光敏電阻能夠對電路進行控制,且有光照時路燈熄滅,光敏電阻應與1,2串聯,3,4與路燈串聯;則電路圖如圖3所示.

此例題中,光敏電阻和電磁開關相結合,完成電路設計,學生在應對時也需細心思考.

例2.(2009年山東卷第23題)為了節能和環保,一些公共場所使用光控開關控制照明系統.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1、2兩端所加電壓上升至2 V時,控制開關自動啟動照明系統,請利用下列器材設計一個簡單電路.給1、2兩端提供電壓,要求當天色漸暗照度降低至1.0lx時啟動照明系統,在虛線框內完成電路原理圖.(不考慮控制開關對所設計電路的影響)

提供的器材如下:

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

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,要求當天色漸暗照度降低至1.0lx時啟動照明系統,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)的發光情況(假設燈泡電阻恒定),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,當電壓表示數為6 V時,發現燈泡均能正常發光.在圖6(b)中用筆線代替導線將電路連線補充完整.

(2)接著他將L1和 L2串聯后接入圖6(a)中的虛線框位置,移動滑動變阻器的滑片 P,當電壓表示數為6 V時,發現其中一個燈泡亮而另一個燈泡不亮,出現這種現象的原因是________.

現有如下器材:電源 E(6 V,內阻不計),燈泡L1(6 V,1.5 W)、L2(6 V,10 W),L2(6 V,10 W),單刀雙擲開關 S.在圖6(c)中設計一個機動車轉向燈的控制電路:當單刀雙擲開關S與1相接時,信號燈 L1亮,右轉向燈 L2亮而左轉向燈L3不亮;當單刀雙擲開關S與2相接時,信號燈L1亮,左轉向燈L3亮而右轉向燈 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問的實驗設計對考生來講將更加困難.

5 應對設計性實驗題目的策略

完整的設計一個實驗,要經歷多個環節,在實際考查中,一般不會考查全部環節,而是只考查其中的幾個環節,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.

為更好的讓學生在高考中從容應對設計性實驗問題,我們緊跟課程改革步伐,認真研讀新課標要求,領悟新課標理念,落實新課標精神,加強設計性問題的教學.首先,要加強課本中已有實驗的教學,讓學生理解實驗原理,領悟實驗思想,掌握實驗方法.其次,要結合教學內容,不斷提出有價值的設計性問題,讓學生利用已有的實驗器材、儀器設備,或身邊的物品和器具,設計方案,努力提高學生的設計能力.

設計性實驗試題源于教材,又高于教材.我們在平時的教學中既要立足于課本,又要不拘泥于課本;既要關注課本中的實驗,又要關注課本中的理論;既要做好課內實驗,又要指導學生開展課外活動,進行方案設計;要把實驗設計與開展研究性學習活動和科學探究活動整合起來;要在做好課本中基本實驗的同時,適時地對所做實驗進行變化、拓展、引伸;要讓學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用,努力提高學生的遷移能力.

以上是筆者對高考中簡單的實驗設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.