從實(shí)驗(yàn)原理出發(fā) 攻破2016年高考全國卷Ⅰ物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)題

余瀟杭 王勁松

(深圳大學(xué)師范學(xué)院附屬中學(xué) 廣東 深圳 518060)

從實(shí)驗(yàn)原理出發(fā) 攻破2016年高考全國卷Ⅰ物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)題

余瀟杭 王勁松

(深圳大學(xué)師范學(xué)院附屬中學(xué) 廣東 深圳 518060)

2016年高考全國卷Ⅰ物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)題實(shí)驗(yàn)情境較新穎，考生需要根據(jù)已有知識和題目條件正確理解實(shí)驗(yàn)原理，才能對該題迎刃而解.從詳細(xì)解讀該題的實(shí)驗(yàn)原理出發(fā)，闡述如何攻破該題并提出相應(yīng)的教學(xué)建議.

實(shí)驗(yàn)原理 物理 高考 電學(xué) 實(shí)驗(yàn)

2016年高考全國卷Ⅰ物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)題考查“組裝一個由熱敏電阻控制的報警系統(tǒng)”的相關(guān)知識，該實(shí)驗(yàn)并非直接來源于課本的常規(guī)實(shí)驗(yàn)，對于題中設(shè)置的問題，考生多需在理解實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上才能正確回答，因此，若是學(xué)生對該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理理解不夠清晰，則容易導(dǎo)致答題錯誤.可見，突破該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理對于解答該題便顯得尤為重要.接下來，筆者從詳細(xì)解讀實(shí)驗(yàn)原理出發(fā)，闡述如何攻破該題，并提出相應(yīng)的教學(xué)建議.

1 題目

現(xiàn)要組裝一個由熱敏電阻控制的報警系統(tǒng)，要求當(dāng)熱敏電阻的溫度達(dá)到或超過60 ℃時，系統(tǒng)報警.提供的器材有熱敏電阻、報警器(內(nèi)阻很小，流過的電流超過Ic時就會報警)、電阻箱(最大阻值為999.9 Ω)、直流電源(輸出電壓為U，內(nèi)阻不計(jì))、滑動變阻器R1(最大阻值為1 000 Ω)、滑動變阻器R2(最大阻值為2 000 Ω)、單刀雙擲開關(guān)一個、導(dǎo)線若干.

在室溫下對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，已知U約為18 V，Ic約為10 mA；流過報警器的電流超過20 mA時，報警器可能損壞；該熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，在60 ℃時阻值為650.0 Ω.

(1)在答題卡上完成待調(diào)節(jié)的報警系統(tǒng)原理電路圖的連線(圖1).

(2)在電路中應(yīng)選用滑動變阻器__________(填“R1”或“R2”).

(3)按照下列步驟調(diào)節(jié)此報警系統(tǒng)：

電路接通前，需將電阻箱調(diào)到一定的阻值，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，這一阻值為__________Ω；滑動變阻器的滑片應(yīng)置于__________(填“a”或“b”)端附近，不能置于另一端的原因是__________.將開關(guān)向__________(填“c”或“d”)端閉合，緩慢移動滑動變阻器的滑片，直至__________.

(4)保持滑動變阻器滑片的位置不變，將開關(guān)向另一端閉合，報警系統(tǒng)即可正常使用.

圖1 題圖

2 突破實(shí)驗(yàn)原理

面對一個新的實(shí)驗(yàn)情境，其實(shí)驗(yàn)原理并不能一目了然，需要在已有知識的基礎(chǔ)上，結(jié)合題目給的條件限制進(jìn)行分析，一開始初步探索實(shí)驗(yàn)原理，接下來根據(jù)具體條件完善方案，最后根據(jù)要求形成方案，從而掌握題目中實(shí)驗(yàn)的原理.

2.1 初步探索

實(shí)驗(yàn)的目的是“組裝一個由熱敏電阻控制的報警系統(tǒng)”，顯然根據(jù)已有的知識，一個最簡單的熱敏電阻控制的報警系統(tǒng)電路圖如圖2所示，由電源、開關(guān)、報警器、熱敏電阻組成.

圖2 簡單熱敏電阻控制的報警系統(tǒng)電路圖

2.2 完善方案

然而，題目中的實(shí)驗(yàn)并非這么簡單，要求熱敏電阻的溫度達(dá)到或超過60 ℃時，系統(tǒng)報警，并且還受到熱敏電阻和報警器的特性、電源電壓等實(shí)驗(yàn)條件的限制，如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)要求及條件

無論是R1或R2均可以滿足該條件，那么此時就需要計(jì)算Rx的阻值

Rx=R總-R=1 150 Ω

顯然，R1無法滿足，需要選擇R2.此時，對圖2的電路圖進(jìn)行完善，形成報警電路圖，如圖3所示.

圖3 報警電路圖

但是又出現(xiàn)了問題，通過上面的分析，若想要熱敏電阻的溫度達(dá)到或超過60 ℃時，報警器報警，滑動變阻器的劃片應(yīng)該調(diào)節(jié)阻值在1 150 Ω的位置，然而，在現(xiàn)實(shí)中，無法準(zhǔn)確判斷滑片在哪個位置時滑動變阻器的阻值為1 150 Ω，且電源的電壓并非準(zhǔn)確為18 Ω，即計(jì)算出來滑動變阻器的阻值只是約為1 150 Ω，并不是準(zhǔn)確值.回到實(shí)驗(yàn)?zāi)康模梢园l(fā)現(xiàn)，只要在熱敏電阻阻值為650.0 Ω時，先將滑動變阻器調(diào)在阻值最大處(目的是限制電路中的電流，保護(hù)元件)，此時報警器未報警，逐漸調(diào)小滑動變阻器阻值，電路中的電流逐漸增大，直到達(dá)到Ic，報警器剛好報警，此時滑動變阻器的阻值Rx就是使報警器剛好在60 ℃報警的準(zhǔn)確值.

2.3 形成方案

從上面的分析可以看到，實(shí)驗(yàn)中需要在維持熱敏電阻的阻值為650.0 Ω時，進(jìn)行滑動變阻器的調(diào)節(jié)，那么便要求在現(xiàn)實(shí)中必須將熱敏電阻所處的環(huán)境控制為60 ℃，但是在現(xiàn)實(shí)中，這樣的條件比較難以實(shí)現(xiàn)，于是此時需要另想辦法.我們看到題目中還提供了電阻箱(最大阻值為999.9 Ω)，控制環(huán)境溫度目的是為了使熱敏電阻的阻值為650.0 Ω，現(xiàn)在環(huán)境溫度比較難控制，可以采用等效替代的方法，將電阻箱的阻值調(diào)節(jié)為650.0 Ω，代替熱敏電阻，從而進(jìn)行電路的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)完滑動變阻器后，再用熱敏電阻替換電阻箱的位置，所以得到調(diào)節(jié)電路如圖4所示.

圖4 報警系統(tǒng)的調(diào)節(jié)電路

此時，值得注意的是，不少考生在回答“電路接通前，需將電阻箱調(diào)到一定的阻值，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，這一阻值為_________Ω”這一問時，填寫了“650”，顯然沒有意識到題目中的電阻箱是有4位調(diào)節(jié)擋，精確到小數(shù)點(diǎn)后一位，因此正確寫法應(yīng)該是“650.0”.

最后，按照圖4的實(shí)驗(yàn)電路，操作起來并不方便，調(diào)節(jié)完滑動變阻器后，需要將電阻箱撤下，換上熱敏電阻，而題目還提供了單刀雙擲開關(guān)，可見，可以利用單刀雙擲開關(guān)將圖3的報警電路與圖4的調(diào)節(jié)電路進(jìn)行融合，得到題目最終的實(shí)驗(yàn)電路圖，如圖5所示.

圖5 最終的實(shí)驗(yàn)電路圖

3 教學(xué)建議

本題不僅考查了電學(xué)方面的相關(guān)基礎(chǔ)知識，如連接電路圖，滑動變阻器、電阻箱、單刀雙擲開關(guān)等的使用方法和注意事項(xiàng)等，還考查了學(xué)生對于新穎問題情境的分析和處理的能力.題中基本每個空都涉及到對實(shí)驗(yàn)原理的理解，學(xué)生若要準(zhǔn)確解答該題，靠已有的知識還不足夠，還需要結(jié)合題目情境，進(jìn)行分析，了解實(shí)驗(yàn)原理.這就需要教師在平時的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，注重對學(xué)生分析、解決問題能力的培養(yǎng)，理解新穎實(shí)驗(yàn)情境的實(shí)驗(yàn)原理能力的培養(yǎng)，具體可從以下3方面入手.

(1)貼近學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)

題目實(shí)驗(yàn)原理的分析經(jīng)歷了“初步探索”“完善方案”“形成方案”的過程，可見，實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方案的得出并不是一步到位，而是一個不斷發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的過程.最近發(fā)展區(qū)理論說明：兒童的實(shí)際發(fā)展水平與潛在發(fā)展水平之間存在差距，這個差距就是最近發(fā)展區(qū)[1].前者由兒童獨(dú)立解決問題的能力而定，后者則是指在成人的指導(dǎo)下或是與能力較強(qiáng)的同伴合作時，兒童表現(xiàn)出來的解決問題的能力[2].因此，在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生已有的知識、能力水平和最終理解實(shí)驗(yàn)原理的發(fā)展水平之間存在差距，這就需要教師將問題分解為若干個小問題，不斷貼近學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)提問，啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生不斷利用自己已有的知識解決問題，從易到難，由淺入深，不斷縮小學(xué)生已有的知識、能力水平和最終理解實(shí)驗(yàn)原理的發(fā)展水平之間存在的差距，最終達(dá)到理解實(shí)驗(yàn)原理，設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)方案的目的.

(2)注重實(shí)驗(yàn)方案的得出過程

物理課程標(biāo)準(zhǔn)表明“過程與方法”為課程目標(biāo)的維度之一，強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，認(rèn)識科學(xué)探究意義，嘗試應(yīng)用科學(xué)探究的方法研究物理問題[3].要讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究，便需要讓學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)方案的得出過程，而不是教師給出現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)方案.學(xué)生在“初步探索、完善方案、形成方案”的過程中，體會理解實(shí)驗(yàn)原理、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的過程，分析、解決問題的能力得到加強(qiáng)，自然在考試中遇到較為新穎的實(shí)驗(yàn)問題情境時，也可以運(yùn)用自己所學(xué)的知識，結(jié)合題目的條件迅速理解試題中的實(shí)驗(yàn)原理，從而對試題迎刃而解.

(3)注重物理思想方法的滲透

物理實(shí)驗(yàn)中往往蘊(yùn)含著科學(xué)研究的思想和方法，如控制變量法、等效替代法、放大法、化曲為直法等[4]，2016年高考全國卷Ⅰ物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)題體現(xiàn)了等效替代的物理思想方法.在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，除了要貼近學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)進(jìn)行教學(xué)，注重實(shí)驗(yàn)方案的得出過程，還需要注重物理思想方法的滲透，這有助于學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理的理解，它讓學(xué)生不僅掌握了知識技能，還領(lǐng)悟了科學(xué)的研究方法和思想，若是以后遇到類似的問題，才能運(yùn)用方法解決問題.

1 張向葵.發(fā)展心理學(xué).北京：教育科學(xué)出版社,2012.51

2 李剛,侯恕,唐恩輝.最近發(fā)展區(qū)理論指導(dǎo)下的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)追問式教學(xué).物理教師,2015(7):7

3 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn)).北京:人民教育出版社,2012.9

4 劉世軍.淺析物理課程中的典型實(shí)驗(yàn)思想與方法.物理教師,2013(12):71～72

2016-12-27)