高三物理電學實驗復習針對性的思考

耿玉盛

(江蘇省揚州市邗江區教育局教研室,江蘇 揚州 225009)

《普通高中物理課程標準》中提出:“物理實驗是高中物理教學的重要內容．物理實驗在培養學生的科學思維、探究能力、科學態度和科學精神方面具有特殊的地位”．物理實驗是物理學科內綜合、聯系實際的重要方面,高考實驗題成為考查學生聯系實際綜合運用知識的實踐能力、區分中上程度學生的重要方面．高中物理電學實驗內容較多,是高考必考的內容,實驗考查涉及到實驗原理的理解、電路的設計、實驗器材的選擇、實驗方法的確定、數據的處理以及誤差分析等．高三物理復習中要認真研究2017年高考試卷中的電學實驗題的特點以及命題思想,提高復習的針對性．

1 強化學生分組實驗復習,提高實驗基本技能

高中物理電學學生分組實驗是高考高頻考點,實驗復習要強化實驗基本技能的訓練．首先要注意提高學生這3個方面的基本操作:實驗器材的選擇方法、電流表內接法和外接法以及選擇的原則、滑動變阻器的限流式和分壓式連接;其次是強化實驗故障的分析和排除;第三是重視基本儀器的使用,基本儀器的使用仍是實驗的基礎,電學實驗中常用的基本儀器有電流表、電壓表、多用電表、滑動變阻器、電阻箱、電學傳感器等等;第四注意實驗數據、圖像的分析和處理．

例1.(2017年海南卷第12題)某同學用伏安法測量待測電阻的阻值．現有器材為:待測電阻R(阻值約為5Ω),電源(電動勢3V),滑動變阻器(阻值范圍0～10Ω),電流表(量程0.6A,3A),電壓表(量程3V,15V),開關,導線若干．實驗要求在測量電路中將電流表外接,滑動變阻器起限流作用．回答下列問題:

(1) 按照實驗要求在圖1中畫出實物連線圖．

圖1

(2) 若已按實驗要求接線,閉合開關后移動滑動變阻器的滑片,電壓表的示數始終約為3V,電流表的示數始終接近0．寫出產生這種現象的一個原因________________．

(3) 在連線正確后,閉合開關．電壓表和電流表的示數分別如圖2(a)和圖2(b)所示．由圖可知,電壓表讀數為________V,電流表讀數為________A．由此可得待測電阻的阻值為________Ω(結果保留3位有效數字)．

圖2

圖3

本題測量電阻是考試說明中列出的學生分組實驗考點之一,重點考查的就是學生的實驗基本技能,其中第(1)問就是考查學生電路連接的基本技能,電流表的外接法,滑動變阻器的限流式接法,同時還要考查學生在連接電路時電表量程的選擇以及正負接線柱的連接問題,要做好本題學生要有良好的畫電路圖的習慣,先畫出正確的電路圖(如圖3所示)再根據電路圖連接實物圖．第(2)問考查學生對實驗故障的分析能力,由題意可知電路電阻很大或斷路,可能是待測電阻部分連接時斷路,也可能是電流表和電壓表的位置接反了．第(3)問的解答需要學生先正確選擇出電表的量程,然后才能正確讀出電表示數，求出待測電阻值．

例2.(2017年高考新課標Ⅰ卷第23題)某同學研究小燈泡的伏安特性,所使用的器材有:小燈泡L(額定電壓3.8V,額定電流0.32 A);電壓表V(量程3 V,內阻3 kΩ);電流表A(量程0.5 A,內阻0.5 Ω);固定電阻R0(阻值1000 Ω);滑動變阻器R(阻值0～9.0 Ω);電源E(電動勢5 V,內阻不計);開關S;導線若干．

(1) 實驗要求能夠實現在0～3.8 V的范圍內對小燈泡的電壓進行測量,畫出實驗電路原理圖．

(2) 實驗測得該小燈泡伏安特性曲線如圖4所示．由實驗曲線可知,隨著電流的增加小燈泡的電阻________(填“增大”、“不變”或“減小”),燈絲的電阻率________(填“增大”、“不變”或“減小”)．

圖4

圖5

(3) 用另一電源E0(電動勢4 V,內阻1.00 Ω)和題給器材連接成圖5所示的電路,調節滑動變阻器R的阻值,可以改變小燈泡的實際功率．閉合開關S,在R的變化范圍內,小燈泡的最小功率為________W,最大功率為________W．(結果均保留2位小數)

圖6

本題描繪小燈泡的伏安特性曲線是考試說明中給出的電學實驗考點之一．本題的第(1)問考查學生根據題目要求設計電路是學生必須掌握的最基本電學實驗技能之一,要求能夠實現在0～3.8 V的范圍內對小燈泡的電壓進行測量,故滑動變阻器用分壓式接法,小燈泡為小電阻,電流表用外接法,特別是給出的電壓表量程只有3 V,需要串聯一個定值電阻R0改裝后擴大量程再進行測量,這是本問的一個易錯點，如圖6所示．

第(2)問和第(3)問均考查學生根據圖像分析和處理數據的能力．第(2)問中由I-U圖像可知,切線的斜率在減小(斜率的大小不等于小燈泡的電阻,但可以定性地反映電阻大小的變化趨勢),故燈泡的電阻隨電流的增大而減小,再由電阻定律R=ρL/S可知,電阻率增大;第(3)問中當滑動變阻器的阻值調至最大9Ω時,電路的電流最小,燈泡的實際功率最小,根據閉合電路歐姆定律有

E=U+I(r+R),

得U=10I+4,在圖中作出該U-I圖線(直線)如圖7所示,交點坐標約為U=1.75V,I=225mA,求得P1=UI=0.39W.

圖7

由E=U+I(r+R)整理得

當直線的斜率最大時,與燈泡的I-U曲線的交點坐標最大,即燈泡消耗的功率最大．當滑動變阻器電阻值R=0時,燈泡消耗的功率最大,此時交點坐標為U=3.67V,I=0.32A,如圖8所示,最大的功率為P2=UI=1.17W．

圖8

《考試說明(全國卷)》中列出的電學考點有5個:測定金屬的電阻率(同時練習使用螺旋測微器) 、描繪小電珠的伏安特性曲線、測定電源的電動勢和內阻實驗、練習使用多用電表、傳感器的簡單使用等．高考復習中要強化這些實驗的復習,要開放學校的實驗室,讓學生進實驗室重溫實驗的實際操作,熟悉各種實驗器材的使用．實驗題中的實物連線,實驗步驟排序、故障分析與排除、錯誤的糾正以及實驗注意點和誤差分析等，這些都是實際操作的全真模擬,如果學生沒有動手做過這些實驗就很難答好這些問題．

2 重視演示實驗復習,提高觀察和分析能力

《普通高中物理課程標準》指出:“應發掘實驗在培養學生發現和提出問題能力方面的潛在價值．教師可在一些物理實驗中創設某種情境,讓學生在觀察和體驗后有所發現、有所聯想,萌發出科學問題,還可在實驗中創設一些任務,讓學生在完成任務中運用科學思維,自己提煉出應探究的科學問題．”

高中物理電學演示實驗就是為了將抽象的電學形象化,每一個演示實驗都是配合某一個教學章節而存在的,演示實驗的目的就是引導學生觀察、思考、分析,更好地理解和掌握該實驗所體現的物理知識,學會實驗的方法,并使用這些知識去解釋觀察到的物理現象,對日常生活中的一些現象進行解釋,領會實驗時嚴謹的科學態度．高中物理電學演示實驗很多,高考試題很多都是根據演示實驗模型改編而成的．例如2017年海南卷第4、8題,2017年上海卷第11題,浙江卷第9題,江蘇卷第7題等．

例3.[2017年浙江卷第21題(加試題)](1)為完成“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數的關系”實驗,必須要選用的是________(多選)．

(A) 有閉合鐵芯的原副線圈.

(B) 無鐵芯的原副線圈.

(C) 交流電源.

(D) 直流電源.

(E) 多用電表(交流電壓擋).

(F) 多用電表(交流電流擋).

用匝數na=60匝和nb=120匝的變壓器,實驗測量數據如表1.

表1

根據測量數據可判斷連接電源的線圈是________(填na或nb)

圖9

(2) 如圖9所示的裝置做“探究感應電流方向的規律”實驗,磁體從靠近線圈的上方靜止下落．當磁體運動到如圖9所示的位置時,流過線圈的感應電流方向從________(填“a到b”或“b到a”)．在磁體穿過整個線圈的過程中,傳感器顯示的電流i隨時間t的圖像應該是圖10中的________．

圖10

這兩條高考實驗題均是改編課本中的演示實驗而成的．第(1)小題是交變電流中“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數的關系”的演示實驗,需要學生理解變壓器的結構和工作原理,如果復習時學生能夠回歸課本,再去閱讀課本中關于該演示實驗的內容,就能很容易解答出該問題．第(2)小問是電磁感應部分“探究感應電流方向的規律”的演示實驗改編,實際涉及兩個內容:一是感應電流的方向判斷;二是感應電流大小的決定因素．如果學生對課本中研究“楞次定律”和“法拉第電磁感應定律”部分的兩個演示實驗很熟悉,本題也能夠很好地解決．

課本中電學演示實驗很多,例如，探究電容器電容大小的決定因素、閉合電路的歐姆定律、探究安培力的大小和方向、電磁感應產生的條件、自感等．但是在高三復習中我們教師組織教學時,往往是突出基本概念、規律理解和應用,在組織實驗復習時也很少甚至忽略了演示實驗的復習．而實際上對演示實驗的復習不僅能進一步強化學生對物理概念和規律的理解,提高學生應用規律解決物理問題的能力,還可以進一步提高學生的觀察和分析能力．

3 梳理課本小實驗、小制作,提高實踐和應用能力

高中物理課本人教版中有兩個欄目“做一做”和“科學漫步”,教科版中有一個欄目“發展空間”,其中包含了很多小實驗、小制作的內容,這些內容重點就是培養學生對所學物理知識的實踐和應用能力,除了在新授課教學過程中要指導學生動手完成外,在高三物理復習中也要幫助學生進行梳理,以提高學生解決實際問題的能力．

圖11

例4.(2017年江蘇卷第7題)某音響電路的簡化電路圖如圖11所示,輸入信號既有高頻成分,也有低頻成分,則

(A) 電感L1的作用是通高頻.

(B) 電容G2的作用是通高頻.

(C) 揚聲器甲用于輸出高頻成分.

(D) 揚聲器乙用于輸出高頻成分.

本題原型來自于課本選修3-2“交流電”章節中“電容器、電感器在交流電路中的作用”部分,教科版選修3-2第47頁“發展空間”中“電感器和電容器的配合使用”的內容:在電子技術中常將電容器和電感器配合使用,設計成不同性能的LC電路．

這些內容在教科書中有很多,例如,人教版選修3-1“做一做”和“科學漫步”欄目有:用傳感器在計算機上觀察電容器的放電、密立根實驗——電子電荷量的測定、范德格拉夫靜電加速器、驗證環形電流的磁場、用磁傳感器研究磁場、旋轉的液體、課題研究——霍爾效應等;教科版選修3-2“發展空間”欄目有:法拉第圓盤發電機、利用溫度傳感器制作水開關音樂告知器、用光敏電阻制作自動調光臺燈等．

4 突出設計性實驗復習,提高創新思維能力

《考試說明》中對實驗與探究能力提出:“能運用已學過的物理理論、實驗方法和實驗儀器去處理問題,包括簡單的設計性實驗”．高考實驗考查能力較高,僅僅能獨立完成大綱規定的實驗,知道怎樣做還不夠,還應該搞清楚為什么要這樣做,要真正領會其中的實驗方法,并會將這些方法遷移到新的情景中去,在新的情景中加以應用．高考物理實驗試題的設計 “來源于教材而不拘泥于教材”,復習中不能僅僅照搬課本實驗,要注意拓展和變化,突出實驗方法的遷移,只有真正理解了實驗原理和實驗方法,才能達到靈活運用學過的物理理論、實驗方法和實驗儀器去處理實驗相關問題的能力．在實驗復習中通過找各實驗中的思維方法,能夠讓這些思維方法深入學生的腦海中,并用于那些可能遇到的探索型高考物理實驗題．要強化一些基本的實驗原理和方法,然后變化條件,讓學生再尋找另外的解決辦法,以此培養和提高學生的創新能力．

例5.(2017年江蘇卷第11題)某同學通過實驗制作一個簡易的溫控裝置,實驗原理電路圖如圖12圖所示,繼電器與熱敏電阻R1、滑動變阻器R串聯接在電源E兩端,當繼電器的電流超過15 mA時,銜鐵被吸合,加熱器停止加熱,實現溫控．繼電器的電阻約為20 Ω,熱敏電阻的阻值Rt與溫度t的關系如表2所示.

圖12

t/℃30.040.050.060.070.080.0 Rt/Ω199.5145.4108.181.862.949.1

(1) 提供的實驗器材有:電源E1(3 V,內阻不計)，電源E2(6 V,內阻不計)，滑動變阻器R1(0～200 Ω)，滑動變阻器R2(0～500 Ω)，熱敏電阻Rt,繼電器，電阻箱(0～999.9 Ω)，開關S，導線若干．

為使該裝置實現對30～80℃之間任一溫度的控制,電源E應選用________(選填“E1”或“E2”),滑動變阻器R應選用________(選填“R1”或“R2”)．

(2) 實驗發現電路不工作．某同學為排查電路故障,用多用電表測量各接點間的電壓,則應將如圖13所示的選擇開關旋至(選填“A”、“B”、“C”或“D”)

(3) 合上開關S,用調節好的

圖13

多用電表進行排查,在圖12中,若只有b、c間斷路,則應發現表筆接入a、b時指針________(選填“偏轉”或“不偏轉”),接入a、c時指針________(選填“偏轉”或“不偏轉”)．

(4) 排除故障后,欲使銜鐵在熱敏電阻為50℃時被吸合,下列操作步驟正確順序是(填寫各步驟前的序號)

① 將熱敏電阻接入電路；

② 觀察到繼電器的銜鐵被吸合；

③ 斷開開關,將電阻箱從電路中移除；

④ 合上開關,調節滑動變阻器的阻值；

⑤ 斷開開關,用電阻箱替換熱敏電阻,將阻值調至108.1Ω.

本題改變了傳統的依托“三大”電學實驗(即電阻的測量、小燈泡伏安特性的描繪以及測量電源的電動勢和內電阻．)為背景的電學設計性實驗題,是以“溫控裝置”為情境的一道電學綜合設計性實驗題,題目具有一定綜合性和創新性,考察了學生綜合運用電學知識解決實際問題的能力．第(1)問考查的知識點是閉合電路的歐姆定律,考查的能力是學生分析數據和處理數據的能力,由表格中數據分析當溫度為30℃和80℃時熱敏電阻的阻值以及題中給出的電流數值,兩次運用閉合電路的歐姆定律求得電源電動勢和滑動變阻器的阻值,從而選出相應的電源和滑動變阻器;第(2)問考查的是多用電表的使用;第(3)問考查的是對電路故障的分析和判斷;第(4)問是考察實驗操作的步驟．

高考中幾乎所有的設計型實驗題一般都是在給出實驗器材的前提下進行考查,而且都以不同方式或多或少的對實驗原理作了一定的提示,以此降低一點難度和減少考生做題目時的盲目性,考查學生電路計算、器材選擇、實物連圖、數據處理、綜合構思、誤差分析等多方面的分析綜合能力．

參考文獻：

1 蔣鵬.高三物理電學實驗復習方法探索[J].中學教育，2017：127.

2 金修成.高三物理創新性實驗復習策略[J].物理教師，2008(11)：64-65.