關注學科核心素養 體驗物理實驗情感

陶漢斌

[摘 要]每年高考物理電學實驗題都是學生關注的焦點，相關考題?？汲Ｐ?，精彩紛呈。電學實驗復習給學生的感覺就是摸不著頭腦，“一聽就懂，一做就錯”，考試時得不到什么分數。其實這些實驗題，雖然面目年年新，但都源于課本知識的加工和深化，注重考查物理學科核心素養。要解答好這些實驗題，就要求學生在實驗時要注意體驗物理實驗情感，要真實

做過相關實驗。近幾年就是通過現場拍攝實驗場景，將照片呈現在考生面前，讓考生有身臨其境之感，最后進行實驗操作，體驗科學探究的實驗情感，同時也能有效考查考生的物理學科核心素養。

[關鍵詞]電學實驗；核心素養；實驗情感；身臨其境；科學探究

[中圖分類號] G633.7 [文獻標識碼] A [文章編號] 16746058（2018）02003704

一、電學實驗要求的演變

每年電學實驗試題注重考查考生的學科素養，考查考生是否真正做過這個實驗。如實驗儀器認不認識，有沒有到過實驗室，有沒有做過實驗。實驗題注重實驗操作與理論分析，要求能用圖像法處理實驗數據，也注重對考生物理學科核心素養的考查。我們可回顧近幾年高考電學實驗試題的演變。

2011年實驗試題體現了做過與沒做過實驗的區別；

2012年實驗試題體現了在新情境下會用學過的物理知識和規律進行探究；

2013年實驗試題要求不僅懂得實驗器材的合理選用，并了解其功能，更要求能結合所測物理量的性質，正確處理實驗數據，更加關注整個實驗過程；

2014年兩個實驗題都是通過拍攝真實的實驗場景，考查學生對實驗操作、儀器讀數等基本物理素養，體現了新課改對知識獲取過程的關注。

近三年的高考實驗試題中，出現了將相近的幾個實驗“類聚”在一起，讓考生識別的情況，這種“組合對比”實驗是高考實驗的一個新亮點。

二、電學實驗考查的基本模式

近幾年來，由于現代科技的發展，物理實驗的考查方式也在不斷創新。其基本模式就是現場拍攝實驗場景，將照片呈現在考生面前，讓考生模擬實驗場景，進行實驗操作，體驗實驗情感。我們可用圖1展示實驗考查的流程。

三、電學實驗考查的基本原理

物理原理是求解實驗題的出發點和依據。如果沒有理論指導，就容易弄錯解題方向。

電學實驗雖然復雜，但其基本原理是非常簡潔的，這些原理大致有：（1）部分電路歐姆定律I=U/R，這一原理可以演變成伏安法測電阻、測小燈泡伏安特性曲線、測金屬的電阻率；（2）閉合回路歐姆定律I=U/（R+r），這一原理可以演變成測電源電動勢和內電阻U=E-Ir；（3）串并聯電路的原理。

四、高考電學實驗題考查的實驗

實驗六：伏安法測電阻。

實驗七：探究導體電阻與其影響因素的定量關系。

實驗八：描繪小燈泡的伏安特性曲線實驗。

實驗九：測定電池的電動勢和內阻。

實驗十：練習使用多用電表。

五、電學實驗考查的焦點問題

1.基本儀器的讀數

高考物理實驗題肯定要涉及基本儀器及其基本操作，這是學生應該具備的最基本的科學實驗素養。如電學中的電流表、電壓表、多用電表、滑動變阻器、電阻箱等儀器，對以上基本實驗儀器要掌握其構造原理、操作方法、量程的選取等。

（1）游標卡尺、螺旋測微器的讀數技巧

記住兩點：一是所有讀數一定以毫米為單位并注意主尺刻度對應的毫米數，根據結果再變換單位。二是以毫米為單位，小數點后數字應注意：螺旋測微器是3位；20分度和50分度游標卡尺是2位；10分度游標卡尺和毫米刻度尺是1位。

（2）電壓表、電流表、多用電表的讀數技巧

對電表讀數問題，先要弄清楚電表的精確度，即每小格的數值，再確定估讀的方法，精度為1（0.1，0.01）要估讀到下一位，精度為2（0.2，0.02）或5（0.5，0.05）的估位就在精確位，也就是相當于不需要估讀。

多用電表在讀數時，最上排不均勻刻度為測電阻時讀數刻度，讀出表盤刻度后應乘以擋位倍率；中間刻度是均勻的，為測量電壓和電流的讀數刻度，下面三排數字是為方便讀數而標注的；最下排刻度專為測量2.5V以下交流電壓所用，一般較少使用。

【例1】 正確讀出如圖2中儀器的讀數。游標卡尺的讀數為 mm，螺旋測微器的讀數為 mm，若用多用電表的電阻“×10”擋進行測量，則電阻約為 Ω。

解析：游標卡尺的讀數為L=50mm+3×0.05mm=50.15mm，不需要估讀；螺旋測微器的讀數為D=4mm+0.5mm+20.0×0.01mm=4.700mm，要估讀到下一位；多用電表的讀數為R=22×10Ω=220Ω。本題答案：50.15mm；4.700mm；220Ω。

點評：儀器讀數時涉及有效數字問題，一般情況下均要估讀到下一位。游標卡尺、秒表、電阻箱不需要估讀，精度為2（0.2，0.02）或5（0.5，0.05）的估位就在精確位。

2.滑動變阻器

在實驗過程中，由于要測量多組數據，一般都要用到滑動變阻器。連接電路時，要正確選擇滑動變阻器的接法（分壓式、限流式），如何選呢？

（1）通常情況下，由于限流電路能耗較小，因此，優先考慮限流式接法。

（2）在下面三種情況下必須要選擇分壓式接法。

①要求待測電阻的電壓從零開始連續變化，多測幾組數據，實驗更加精確。

②題目所提供的實驗儀器，電表量程或待測電阻的最大允許電流小于限流電路中的最小電流。

③滑動變阻器總電阻遠小于被測電阻。

【例2】 如圖3為某一熱敏電阻（電阻值隨溫度的改變而改變，且對溫度很敏感）的I-U關系曲線圖。

（1）為了通過測量得到圖3所示I-U關系的完整曲線，在圖4和圖5兩個電路中應選擇的是圖 ；簡要說明理由： 。（電源電動勢為9V，內阻不計，滑動變阻器的阻值為0～100Ω）。

（2）在圖6電路中，電源電壓恒為9V，電流表讀數為70mA，定值電阻R1=250Ω。由熱敏電阻的I-U關系曲線可知，熱敏電阻兩端的電壓為 V；電阻R2的阻值為 Ω。

解析：（1）圖4中的滑動變阻器為分壓式接法，圖5中的滑動變阻器為限流式接法。在分壓電路中，滑片移至最左端時熱敏電阻電壓為零，滑到最右端時熱敏電阻兩端電壓最大（電源內阻很小，Umax=E），顯然電壓的調節范圍是0～E，完全滿足題目要求。而在限流電路中滑片移到最左端時，熱敏電阻兩端電壓最小為

Umin=ER+R0+r·R

，滑到最右端時電壓最大為Umax=E，其電壓變化范圍為

ERR+R0+r

～E，很明顯限流電路的電壓變化范圍小，不能測出全部圖線所需數據。

（2）流過電阻R1的電流為I1=

UR1=9250（A）=36（mA），所以流過熱敏電阻的電流為I=I總-I1=70-36=34（mA）。在伏安特性曲線上可以看出，當I=34mA時，電壓U=5.2V，R2兩端的電壓U2=U總-U=9-5.2=3.8（V），所以R2=U2I2=3.80.034=111.8（Ω）。

點評：實驗過程中要畫圖線時，要求數據范圍比較大寬廣，所以電路應用分壓式接法。而利用所得的圖線分析物理規律時，一定要理解圖線上每一個點的物理內涵。

3.電學實驗中的電表處理方法

在高考物理實驗題中，對“電表”處理能力的考查是近幾年高考實驗題的一大亮點。在復習電學實驗中，分析測量電表內阻的方法時，學生往往感覺比較困難。其原因在于沒有搞清楚這些電表的本質，對電表比較陌生，往往“談表色變”。其實電表本身也是一個實實在在的會“說話”的電阻，不要把電表看得深不可測，它畢竟也是一個非常普通的電阻。只不過電流表電阻比較小，但絕不等于零，而電壓表電阻比較大，但絕不是無窮大。

【例3】 某電流表的內阻為0.1～1Ω，現在要測量內阻，實驗室提供下列可選用的器材：

A.待測電流表A（量程0.6A）；

B.電壓表V1（量程3V）；

C.電壓表V2（量程15V）；

D.滑動變阻器R1（最大阻值10Ω）；

E.定值電阻R0（電阻5Ω）；

F.電源E（電動勢4V）；

G.開關S及連接導線若干。

（1）為使實驗更精確，電壓表應選用 。（填寫序號）

（2）為了盡量減小誤差，要求測多組數據，試在虛線方框中畫出符合要求的實驗電路圖。

（3）在選擇合適的電路的基礎上，若測得電流表讀數為I，電壓表讀數為U，試推出測定電流表內阻RA的原理表達式。

解析：此題是最常見的利用伏安法測量電阻，由于電流表本身能測出自己的電流，因此只要測出待測電流表兩端的電壓就能算出電流表的內阻。但由于該電流表兩端所能承受的電壓比較小，故可用串聯一個電阻R0的方法來保護電流表?；瑒幼冏杵鱎1的阻值為10Ω，與電流表的電阻相差懸殊，根據實驗的設計要求，應該用并聯分壓式接法，電壓表應該選擇電壓表V1。本題正確答案為：（1）電壓表就選B。（2）設計的電路圖如圖7所示。（3）電流表內阻RA的原理表達式為：

RA=UI-R0

點評：在上述物理實驗題中，其基本原理就是伏安法測量電阻，而電流表本身也是一個電阻，所以可用串并聯的知識解決問題。切記電表也是一個非常普通的電阻，只不過它自己會表白自己的電壓或電流。

4.電學實驗中的“伏安”法

“伏安”法的廣泛意義應該是指電路中既有電壓表，也有電流表，設電壓表的讀數為U，電流表的讀數為I，如果兩者相除R=U/I

就是伏安法測得的電阻值；如果兩者相乘P=UI就可用，測量小燈泡的功率了；如果兩者組合成U=E-IR，那就是伏安法測電動勢與內電阻了。

在具體設計實驗時，要做好下面三項工作。

（1）選器材：一般根據待測電阻的額定電流或額定電壓選擇符合要求的電源；根據電源的電動勢或待測用電器的額定電壓選擇電壓表；根據待測電路的最大電流選擇電流表；電表的指針擺動的幅度不宜太小，一般應使指針能達到量程的1/3以上。

（2）控制電路的選擇：滑動變阻器的兩種接法，并聯分壓式接法與串聯限流式接法。

（3）測量電路的選擇：電流表內接與電流表外接法的選擇，選擇方法列表如下。

【例4】 表格中所列數據是測量小燈泡U-I關系的實驗數據：

（1）分析上表內實驗數據可知，應選用的實驗電路圖是圖8中的 （填“甲”或“乙”）。

（2）在方格紙內畫出小燈泡的U-I曲線，如圖9所示。分析曲線可知，小燈泡的電阻隨I變大而 （填“增大”“減小”或“不變”）。

（3）如圖丙所示，用一個定值電阻R和兩個上述小燈泡組成串并聯電路，連接到內阻不計、電動勢為3V的電源上。已知流過電阻R的電流是流過燈泡b電流的兩倍，則流過燈泡b的電流約為 A。

（4）將兩個上述小燈泡并聯在電動勢為1.5V，內阻為2.0Ω的某電池兩端，則每個小燈泡的實際功率為 W。

解析：（1）圖甲電路中變阻器采用分壓式接法，可以使燈泡獲得從零開始變化的電壓，符合圖中數據的要求。故選用圖甲所示的電路。（2）描點作圖，將表中數據逐一描點后用平滑曲線連接，如圖10中的曲線所示，發現隨電流I的增大，曲線變陡，說明電阻隨I變大而變大。從曲線上可以看出，燈泡的電阻隨I變大而增大。（3）據題意有E=Ua+Ub，=3（V），Ia=3Ib，從所作的圖線可以查出：

Ia=0.210A，Ib=0.070A，Ua=2.7V，Ub=0.30V，

因此流過燈泡b的電流為0.070A。

（4）設每個燈泡的電流為I、電壓為U，根據閉合電路歐姆定律E=U+2Ir，可得U=1.5-4r，通過描點作圖可知，此圖線與小燈泡的伏安特性曲線交于一點，如圖10所示，此交點的坐標值正是小燈泡此時的電壓與電流，U=0.9V，I=0.04A，這樣我們就可算出每個燈泡的功率為P=UI=0.126W。

點評：小燈泡的伏安特性曲線，關鍵在于作圖，描出各數據點后，要用一條光滑的曲線把它們連接起來。由于測量數據時可能會出現誤差甚至錯誤，為此應根據大多數測量數據點的分布畫出平滑的曲線，盡可能使數據點在圖線上，或均勻地分布在圖線兩側。若個別數據點偏離圖像較遠，說明該數據有差錯，應舍棄不用。

5.利用圖線處理實驗數據

實驗數據處理是實驗的重要環節，在高中階段，其方法主要有公式法、列表法、圖像法等，利用圖像法分析處理實驗數據時要特別注意幾個問題：（1）物理圖像與數學函數的一一對應關系，利用一次函數、二次函數的一些特點分析有關問題；（2）截距和斜率表示的物理意義；（3）圖像中的點、線、面所表達的物理意義；（4）坐標原點和坐標平移。

【例5】 如圖11所示，虛線方框內是由電阻、電源組成的一個線性網絡電路，為了研究它的輸出特性，將電流表、電壓表、滑動變阻器按圖11的方式連接在它的輸出端A、B之間。電鍵S閉合后，實驗中記錄6組電流表示數I、電壓表示數U的讀數后，描點如圖12所示。

（1）在圖12的坐標紙上畫出U-I圖線。

（2）若將方框內的電路等效成電動勢為E、內電阻為r的電源，從圖線上求出電源的電動勢E= V，內電阻r= Ω。

解析：我們可根據下面的步驟解題。

（1）列出物理公式

伏安法測電源電動勢的原理是閉合電路歐姆定律，公式為I=E/（R+r），路端電壓為U=IR。

（2）演變函數關系

根據圖線的要求，縱坐標為U、橫坐標為I，可得函數關系為U=-rI+E。因此可將圖12中的點連成一條直線，可得到圖13所示的圖像。

（3）尋找對應關系

將所得公式U=-rI+E與y=kx+b進行一一對應，理解截距和斜率的物理意義。可直接得到在縱坐標上的截距為b=E=1.43V，同時可求得直線的斜率為

k=-r=1.0-1.430.63=-0.68

，所以內電阻為r=0.68Ω。

點評：從物理原理出發，根據圖線中縱坐標與橫坐標的要求，演變函數關系，將原始的物理公式轉化成相應物理量的函數關系。將演變后物理量之間的函數關系與數學函數關系進行一一對比，尋找對應關系。在識圖時要讓學生充分理解圖線中“點、線、面”的物理內涵。點：坐標原點、截距點、交點、極值點、拐點；線：直線或曲線的斜率；面：圖線與坐標軸所圍的面積。作圖——根據數據作圖，識圖——從圖中獲取有效信息，用圖——利用圖像法解題，在作圖、識圖、用圖的過程中逐步提高學生的綜合分析能力。

六、電學創新拓展實驗與核心素養的培養

高考電學實驗試題，能夠很好地考查學生科學思維能力與科學探究的核心素養。電學創新拓展實驗源于最基本的實驗原理，電學實驗原理是求解實驗題的出發點和依據。在具體電學實驗復習教學中，要讓學生認真完成課本上的每一個實驗，知道每一個實驗的目的，掌握每一個實驗的原理，熟悉每一個實驗的步驟，領會每一個實驗步驟的作用，學會每一個實驗儀器的使用，學會每一個實驗的處理方法，弄清每一個實驗誤差的來源，

等等。對于給出實驗電路圖的創新性實驗，要注意從原理出發，理解實驗方法，找出圖像中兩個物理量之間的關系，理想圖像中圖線的斜率和截距的物理意義。對于設計性實驗，要注意從原理出發找方法，選器材，定方案。

高考中，對設計性實驗的考查，一般不直接采用課本上的設計方案，但是其設計理念均取材于課本中的必考實驗，因此考生要對課本上的每一個實驗做到心中有數。選考實驗試題從哪來？其實這些選考電學實驗試題并不是深不可測的，這些試題來源于我們的教材，來源于生活，來源于一些經典的物理實驗陳題。在復習過程中，我們要有效整合、利用相關資源。正所謂“回歸本源應對考題，千題萬題源于母題”，抓基礎就抓住了高考，抓基本原理就抓住了根本，最基本的電學實驗模型才是物理的本源，這是我們應該堅持的教學方向，也是培養學科核心素養的有效途徑。

（責任編輯 易志毅）