2017高考理綜全國Ⅱ卷物理電學實驗題賞析與啟示

摘 要：2017年高考理綜全國Ⅱ卷物理電學實驗題考查了用比值法測量電阻的綜合應用問題。實驗原理并沒脫離基本的電學實驗儀器使用和電路結構分析，但提升了學生運用串并聯電路的基本規律對電路結構進行分析、簡化及運算的能力。該實驗題既可以用基本電路知識逐步求解，也可以用惠更斯電橋平衡原理來解決，既體現了題目考查的基礎全面性，又體現了題目考查的靈活多樣性。題目滲透了等效替代、化繁為簡和控制變量等科學思想方法，是近年難得一見的個性鮮明的實驗題。

關鍵詞：理綜電學實驗題；比值法；等效替代；化繁為簡

隨著2017年全國高考的順利結束，高考試題終于在萬眾期待中揭開了其神秘的面紗。與歷屆高考一樣，今年的高考試題也成為大家討論的熱點，各科試題都以各自獨特的魅力吸引著廣大考生、家長和教育工作者，大家眾說紛紜、褒貶不一。作為一名長期奮斗在教學一線的高三畢業班科任教師，筆者也不能冷眼旁觀，來不及卸下備考的疲憊，便投入到高考試題的分析研讀中，評品感悟，總結得失，以期為今后的教學儲存必要的養分。通過仔細的分析研讀，筆者認為今年高考理綜全國Ⅱ卷中的物理電學實驗題特色鮮明，值得反復品味。

2017年高考理綜全國Ⅱ卷中的物理電學實驗仍然沿襲了近三年電學實驗考查電阻測量的一貫意向，但考查方式方法進一步靈活，對考生的實驗綜合能力的要求進一步提升。本試卷中的電學實驗題已經不再是來源于考試大綱要求的必考學生實驗，也不是常見課堂演示實驗，甚至不是上述內容的拓展遷移，而是考查了用比例法測量電阻的綜合應用問題。實驗原理并不脫離基本的電學實驗儀器使用和電路結構分析，但提升了學生運用串并聯電路規律對電路結構進行分析、簡化及運算的能力。該實驗題既可以用基本電路知識進行逐步求解，也可以用惠更斯電橋平衡原理來解決，既體現了題目考查的基礎全面性，又體現了題目考查的靈活多樣性。題目滲透了等效替代、化繁為簡和控制變量等科學思想方法，是近年難得一見的個性鮮明的實驗題，甚至與2017年全國理綜Ⅰ卷電學實驗相比也毫不遜色。

一、基本的解題思路分析

（1）實物連線：要依據原理圖分層次逐步連接。

①連接供電電路——將電源，開關S1，滑動變阻器R1的兩個下接線柱順次連接形成供電電路。

②連接測量電路——先將電阻箱與微安表串聯，整體與滑動變阻器R2全電阻并聯，再將它們整體接在供電電路滑動變阻器R1的左下接線柱和一個上接線柱之間。再在電阻箱的右接線柱和滑線變阻器R2的上接線柱之間接上開關S2。

③檢查電路——主要檢查滑動變阻器的連接方式和微安表的正負接線柱的電勢高低。

（2）器材選擇：供電電路中的滑動變阻器是分壓連接方式，所以應選擇小阻值的滑動變阻器為宜，這樣可使得分壓器輸出電壓與變阻器電阻長度近似成正比。因此應選擇規格為20 Ω的滑動變阻器R1。

（3）注意實驗儀器在工作時的安全：在實驗開始時，為了保證微安表不會因為承受的電壓（電流）太大（超過量程）而損害，需要保證施加在測量電路上的電壓最小（接近零），因此開始時要將R1的滑片C滑到接近圖（a）中的滑動變阻器R1的“左”端。

（4）電路分析：通過電路分析，弄清實驗測量原理是本題的關鍵所在，也是本實驗題的難點和對考生綜合分析能力的巨大挑戰。

分析電路圖首先要對電路圖進行等效轉換和化簡，把原來復雜的電路圖轉化成簡單明了的電路圖，使電路中的串并聯關系清晰順暢，一目了然。其次通過對化簡后的電路圖的分析，弄懂測量的基本原理和方式方法。

電路的等效化簡過程如下：

①首先把測量電路中的滑動變阻器R2以滑動觸頭所在處為界拆分成兩個電阻R21和R22，測量電路就會變得簡單明了，如圖（d）。

圖（d）

②再把供電電路等效成穩壓電源E1，電路圖進一步簡化成如下圖（e）所示。

圖（e）

③最后畫出S2閉合后的電路圖如圖（f）所示。

圖（f）

該實驗中通過一個20 Ω的滑動變阻器R1滑動觸頭C左邊的部分電阻分壓對工作電路供電，測量過程中當其滑動觸頭C調節到適當位置后沒有再移動，而負載電阻始終遠遠大于滑動變阻器R1滑動觸頭C左邊的電阻，因而負載電阻的變化對滑動變阻器R1的輸出電壓影響非常小，可以認為其輸出電壓保持不變，因而可以將整個供電電路等效為一個恒壓的供電電源。

因為開關S2閉合前后微安表（μA）的示數保持不變，這說明開關S2閉合后并沒有電流流過該開關，即開關S2閉合并沒有對電路結構產生影響，因而可以斷定開關S2兩端B、D點電勢相等。所以加在Rz與R21兩端的電壓（U1）相同。同理可知加在微安表（μA）與R22兩端的電壓（U2）也相同。又因為流過電阻箱Rz與微安表（μA）的電流（I1）相同，流過R21與R22的電流（I2）也相同。設微安表（μA）內阻為rA，電阻箱電阻為Rz1=2500 Ω，電阻箱電阻為Rz2=2601 Ω。

則列出以下關系式：

I1Rz1=I2R21 ①

I1rA=I2R22②

聯立①②解得：R21/R22=Rz1/rA ③

將電阻箱與微安表（μA）互換后，測量原理不變，同理得：

I1rA=I2R21④

I1Rz2=I2R22⑤

聯立④⑤解得：R21/R22=rA/Rz2⑥

聯立③⑥解得：rA=2550 Ω。

（5）誤差分析：本題的誤差分析主要側重對系統誤差的分析，當通過微安表（μA）的電流越大，開關S2閉合后相同電流流過該開關S2引起微安表（μA）指針的變化就越明顯。當然，除了標準答案給出的盡量增大微安表示數來減小實驗誤差的建議外，其他相關表述只要言之有理都可得分，比如重復多次測量求平均值，電表讀數力求準確等等。

二、一題多解，拓展遷移

對于問題（2）（4）可將本實驗題電路轉換成圖（g）所示的電路時，對于一些具有惠更斯電橋平衡知識的學生就會聯想到相關思想方法，將該電路看作是惠更斯電橋（圖h）平衡的變形拓展。此時，閉合開關S2前后，微安表（μA）示數不變，實質上就是沒有電流流過B、D間，即電橋達到了平衡。因此用惠更斯電橋平衡等式直接得到：

三、本題考查的相關能力，蘊涵的物理科學方法

本題中問題（1）及（2）①②③著重考查學生的實驗基本操作和分析判斷能力，能力要求較低。而問題（2）④和（3）則著重考查學生的分析判斷、綜合應用、拓展遷移、推理探究、總結論證等能力，屬于較高層次的能力要求，有很好的區分度。

（1）問題（1）的實物連線考查學生的電路結構分析能力和動手實踐能力。解答過程運用了等效替代的物理科學方法。

高中物理教師在教學時應該以培養學生模型建構、科學推理、科學論證等能力為出發點，體現物理學科的核心素養為教學目的，電學實驗教學也不例外。上述問題提醒我們物理教師在平時的教學中要重視對學生基本實驗操作能力的培養，切忌以講實驗代替做實驗，要讓學生通過實踐操作，體驗實驗操作過程步驟、實驗數據獲得、實驗數據處理的方式方法，通過電路連接、調試、排除故障更進一步了解實驗儀器的使用細節、加強對電路結構的掌握，熟悉電路圖和實物圖的對應關系和等效關系。

（2）問題（2）①滑動變阻器阻值的選擇考查學生基本的電路結構分析判斷和實踐操作能力。問題（2）②滑動變阻器滑動觸頭位置的判斷考查學生實驗儀器使用的安全思想和實踐操作能力。

這兩個問題提醒我們要特別重視考綱要求的必考實驗的教學和復習，在平時的高考復習中以必考實驗為抓手，落實對學生實驗的基本操作能力、電路分析化簡能力、數據處理能力、誤差分析能力全方位的培養；通過必考實驗的對比分析，理解不同實驗電路結構，不同實驗儀器在實驗測量中的相同相通之處和相別相異之處；同時樹立節約用電、安全用電的觀念；通過對特定實驗考題運用一題多解、一題多問、一題多變等方法培養學生的綜合分析能力和發散思維。

（3）問題（2）④的實驗結論考查學生對實驗原理、實驗過程、實驗結論的綜合分析，推理論證、概括總結能力。解題過程運用了等效替代、化繁為簡、控制變量等物理科學方法。

對實驗原理和相關步驟要進行細致分析，重點應放在以電路圖為依托，以電阻測量為核心的物理實驗的基本原理和基本方法上。運用串并聯規律和閉合電路歐姆定律，引導學生分析電路結構和功能，弄清楚解決問題所需要測量的物理量和對應的測量方法，選擇相應的器材，確定實驗操作步驟，使學生真正理解實驗原理和實驗操作流程，而不是記憶實驗原理和實驗步驟，只有理解才能在考題創新之處進行知識遷移，從容應對。

教師在教學中要不斷地培養學生運用轉換法把陌生隱晦模型轉換成熟悉簡單模型的科學思想方法。要通過不斷訓練，夯實學生在實驗電路圖的化簡、等效，電表的改裝、替代，數據圖線的變曲為直等方面的知識技能，培養學生進行模型轉換的能力和自覺性。近年高考全國理綜卷對復雜電路分析化簡的要求越來越高，要引起我們教師在今后教學中的足夠重視。

（4）問題（3）要求對實驗誤差進行分析，考查學生分析探究、總結反思的能力。

實驗誤差分析往往是實驗試題提出的具有甄別功能的問題，一般會出現在實驗題的最后一問。對于偶然誤差，主要考查消除偶然誤差的方式方法，難度適中。對系統誤差的分析主要考查誤差來源和如何減小系統誤差。這個問題一般難度較大，要求考生通過全面理解實驗原理和對應的測量方法才能通過綜合分析找到系統誤差的來源和減小系統誤差的途徑。

在高考復習中，教師不但要詳盡地分析講解考試大綱羅列的必考學生實驗，還應該訓練一些以解決實際問題為目的的設計性拓展實驗，訓練學生嘗試從實驗原理出發進行簡單的實驗設計，包括選擇儀器，設計實驗、裝置圖、合理實驗步驟，設計表格，記錄數據、數據處理，如何減小誤差，注意事項等，從而達到培養學生的探究能力和創新能力的目的。

四、反思

本題在知識方法層面以電阻測量為出發點，但又并沒有考查我們以往熟悉的、來源于課本或復習資料中常見的伏安法、等效法以及半偏法測量電阻，而是另辟蹊徑，考查了比例法測量電阻。本實驗電路結構較為復雜，適用的解題方法貌似脫離我們的課堂教學內容，顯得不接地氣。但通過以上的分析求解過程，我們不難發現本題的整個分析求解過程緊緊圍繞基本的串并聯電路規律和基本的實驗操作方法，從第一個問題到最后一個問題步步深入，既照顧了學生應該掌握的電學實驗基礎又具有一定的難度挑戰，并沒有脫離高中學生的基礎知識和基本技能而顯得偏繁、難。同時對于一些具有深厚專業基礎的學生，他們可以利用惠更斯電橋平衡的原理快捷地求解本題，這樣既體現了本題的基礎性，又體現了本題的靈活性和開放性。教與學的本質是以緊緊圍繞學生綜合能力的培養為出發點，尤其是要瞄準物理學科核心素養。電學實驗也不例外，如本題在綜合能力層面則是考查學生在對應題目環境中的物理核心素養的體現：物理思維即物理的邏輯推理；物理語言即物理模型的構建和物理知識的應用

參考文獻

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.普通高中課程標準實驗教科書 高中物理 選修3-1[M].北京：人民教育出版社，2016.

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