核心素養下的電學實驗題分析

何錦興

【摘要】? 為了落實核心素養的要求，近年高考從知識立意到能力立意再過度到核心素養立意考查。本文以近年電學實驗中關于小電珠U-I圖像實際應用的考查為例，探究這類題型變化的方向及解題的思路，獲得一些落實核心素養的啟示，以供探討。

【關鍵詞】? 核心素養 U-I圖像 伏安特性曲線 電功率 小電珠

【中圖分類號】? G633.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標識碼】? A 【文章編號】? 1992-7711（2020）05-064-02

科學素養是核心素養的重要組成部分，“創新精神，實踐能力，解決實際問題的能力”又是科學素養的核心。學生科學素養的培養重在自然學科，基礎學科，物理作為一門實踐性很強的自然學科，對培養學生創新能力，實踐能力發揮著非常重要的作用。

高考，作為一個選拔人才的高地，物理題目也是越來越重視對實際問題解決能力的考查。電學實驗中小燈泡電阻會隨著實際工作電壓的變化而變化，進而引起電功率的變化，求解其實際功率時不能簡單的套用公式P=I2R或者P=U²/R.解決這類問題的關鍵在于利用U-I圖像確定小電珠的工作點（工作電壓、工作電流）。對小電珠實際功率的考查既反映出學生的分析能力、解決問題能力及創新能力，又反映出教學過程中落實科學素養的效果，已成為近年高考考查的重點，先以一道簡單的練習題為例。

例題1：如圖所示，已知小電珠的伏安特性曲線，當用這只小電珠直接與電動勢為3 V、內阻為1 Ω的電源組成閉合回路，問小電珠的功率多少？

解析：小電珠兩端電壓就是路端電壓，流過電源的電流就是小電珠的電流，解題的關鍵在于要明確小電珠兩端的電壓即路端電壓，需找到路端電壓與流過小電珠電流之間的關系：U=E-Ir即U=-I+3，取（I=0，U=3V），（I=0.5A，U=2.5V）在圖上畫出路端電壓隨電流的變化關系圖，與小電珠伏安特性曲線的交點（0.50A，2.50V）就是小電珠的工作電壓，工作電流，所以P=UI=1.25 W.

圖1

從這道題目可以看出，考查的知識點是書本中關于路端電壓隨電流變化的這一核心知識，題目的條件會千變萬化，要從問題看本質，要追根溯源，找到閉合電路歐姆定律這一核心知識，找到源，問題就容易解決了。解題時應牢牢的抓住解決問題的核心主干知識，其方法如圖2所示：

圖2

2017年全國乙卷電學實驗第（3）問在此知識點考查上有所變化，更貼近物理知識的生活情境化，突出考查學生知識遷移的能力，解決實際問題的能力，落實核心素養的情況，題目具有較強的選拔理科尖子生的功能。

例題3：（2017·高考全國卷乙）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0.32A）;電壓表V（量程3V，內阻3kΩ）;電流表A（量程0.5A，內阻0.5Ω）;固定電阻R0（阻值1000Ω）;滑動變阻器R（阻值0～9.0Ω）;電源E（電動勢5V，內阻不計）;開關S;導線若干。

圖3

（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（b）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）。

解析：這道題第三問考查的就是對小電珠伏安特性以及對閉合電路歐姆定律的理解，包含3個重要的考點：

1.小電珠金屬絲的電阻率隨溫度的增加而增大，也就是在不同電壓下阻值不同，進而功率不同，要確定其實際功率，必須確定其工作電壓;

2.閉合電路的歐姆定律：U=E-Ir;

3.由p=I2R和小燈泡的伏安特性曲線可知：I越大，小燈泡R越大，P越大

把路端電壓隨電流的變化關系圖這一知識遷移過來，那問題就迎刃而解了。

當R=9Ω， I最小，小電珠的電阻也最小，功率最小，此時小燈泡兩端的電壓U=E-I（R+r）=4-10I 即I=■U+0.4，畫出其I-U圖像I，與小燈泡伏安特性

曲線的交點就是其工作電壓，工作電流（U1=1.75V，I1=0.225A），所以Pmin=U1I1=1.75×0.225 W≈0.39 W.

圖4

當R=0Ω，I最大，小電珠的電阻也最大，功率最大，此時小燈泡兩端的電壓U=E-Ir=4-I 即I=-U+4，畫出其I-U圖像II，與小燈泡伏安特性曲線的交點就是其工作電壓，工作電流（U2=3.68V，I2=0.318A），所以Pmax=U2I2=3.68×0.318 W≈1.17 W.

這道題檢驗了考生是否真正的理解導體伏安特性及路端電壓隨電流變化這兩曲線所反映的物理規律，更考查了在新情境下是否具有臨時的應變能力及創新精神，有較強的區分度，體現了學科素養的要求：科學思維，實驗探究。

以上兩道確定小電珠工作電壓考題目對教學的啟示：

1.從以上考題我們可以看出，這類題目都是著重考查學生對路端電壓與電流關系圖像（U-I圖像）和導體伏安特性曲線的理解和運用，U-I圖像把導體的伏安特性和電源外電路的特征聯系在了一起，是“物理觀念”這一物理學科素養內在要求。平時的授課既要重視實驗的過程，讓學生親自動手實驗獲得感性認識，又要幫助學生著重理解兩圖像的內在聯系與區別，讓學生獲得理性的認識，只有這樣才能幫助學生更好的理解“導體伏安特性”這一物理觀念。

2.知識點是固化的，但條件、情景千變萬化，電學實驗題平時應以知識點為核心，演變多種條件，引導學生思考，培養學生的科學思維能力，應變能力，實驗探究及創新能力。

3.解決電學實驗題時一定要牢牢抓住題目的核心知識不變這一思想.把核心知識、方法進行總結和歸納是提高能力的首要保證。掌握方法之后輔以一定量的變式訓練，使學生的科學思維得到充分的鍛煉，達到知識和方法的統一內化。

研究歷年的高考實驗電學題，抓住題目的核心知識，平常復習訓練時加以強化和變化，有助于不斷的提高學生的思維能力和解決實際問題的能力，進一步提高學生的物理學科素養，落實核心素養的要求.同時研究歷年相似的高考題對把握高考改革的方向，知識點的考查具有重要的指導意義。

[ 參? 考? 文? 獻 ]

[1]林崇德.《21世紀學生發展核心素養研究》[M].北京：北京師范大學出版社，2016：1.

[2]魏佳兵.《一道電學實驗題最佳求解的探究》[J].物理教師，2010（03）.