2020年高考電學實驗題命題特點研究
——以全國卷及京、蘇、浙、津、魯自主命題卷為例

吳 健

福建省三明市第二中學，福建 三明 365000

物理學是一門以實驗為基礎的自然科學，物理觀念的構建、科學思維的發展都是以實驗為基礎達成的。作為為高校選拔輸送優秀人才的高考，對實驗的考查歷來十分重視，2020年全國高考及自主命題省市的高考物理試題也不例外。本文就2020年高考物理電學實驗題部分，從考查內容、命題特點及部分真題剖析三個方面進行分析概括，供教師教學時參考。

1 2020年全國卷及京、蘇、浙、津、魯自主命題電學實驗題考查統計（表1）

表1 2020年全國卷及京、蘇、浙、津、魯自主命題電學實驗題考查統計

通過表1對2020年全國及各自主命題省市的電學實驗題考查內容的統計分析，從中不難發現一定的規律,現歸納如下。

1.1 重視對電路結構、實物連圖的考查

對基本電路結構的正確理解與掌握是學習電學、研究電學甚至發展電學的重要基礎，尤其是通過研究電路的基本結構可以了解電路中各電學量間的相互約束關系，從而為研究動態電路和在實際應用中設計電路打下良好的基礎。鑒于此，對電路結構的理解與實物連圖的考查一直是高考電學問題的熱門考點之一。

表1中統計的2020年八個電學實驗題中，涉及對電路結構的理解及電路圖或實物圖連線的有六道，占比高達75%，分別是全國卷II、全國卷III、江蘇卷、山東卷、天津卷和浙江卷。

盡管都是考查對電路結構的理解，但六道電學實驗題的考查仍有一定的差異。全國卷II在給出實驗電路圖的前提下，按電路圖連接實物圖，實物圖中未連有任何導線，暫定為“全線連圖”。但因其實物元件與電路圖中的對應元件擺放位置幾乎相同，因而難度不大，學生容易上手，唯一容易出錯的是滑動變阻器的分壓式接法。全國卷III相比全國卷II而言，顯得有所不同。全國卷III僅僅給出整個實驗要用到的電學元件，將其按一定的順序呈現給考生，但電表的內外接法、滑動變阻器的分壓或限流式接法的選擇題目并未告之，需要考生通過分析推理得出正確的連圖方式，較全國卷II難度上略有上升。相比較全國卷的電路連線，江蘇卷考題則較為簡單，僅有一定值電阻未連入電路，且其電學元件的擺放次序與電路圖大體一致。山東卷的連線問題設置在全題的最后一小問，是在針對電壓變化不明顯而提出的優化方案下的連圖，即在電路中與電池串聯一定值電阻，如若學生不能分析出電路中電壓變化不明顯的原因是電池內阻較小，那么這一問的設問無疑有一定的難度。天津卷對電路結構及連線的考查則獨樹一幟，將已連好的實物圖中的導線進行編號，要求指出連接不當的導線編號，其實質是對測電池電動勢和內阻實驗中電表內外接法的考查。浙江卷的考查更具特色，直接給出連接好的實物圖，要求畫出相應的電路圖，滑動變阻器為傳統的限流式接法，難度最低。

1.2 注重對不同實驗方案綜合比較分析的考查

通常來講，設計不同的實驗方案，對實驗結果的影響便不同，實驗前通常要分析推理甚至演算，得出最為合適的實驗方案，以便取得較為理想的實驗數據或結論。2020年全國卷I、浙江卷及北京卷便是運用兩種不同的實驗方案對物理量進行測量后進行比較分析設問考查。

全國卷I中的伏安法測電阻，題目給出部分電路圖及電表的內外兩種接法的實驗圖像，要求對號入座并分析誤差，評估兩種方案的精準性。浙江卷中測量電池的電動勢和內阻實驗，題目給出兩種實驗方案：相對于電源而言的電流表的內接法和電流表的外接法，并繪制出兩種實驗方案下的電源的伏安特性曲線，要求從圖像中推理分析電池的電動勢和內阻。北京卷與浙江卷大同小異，均是測電池電動勢和內阻實驗，本質都是對實驗方案的誤差分析。

1.3 突出對圖像描繪、圖像意義及結合圖像分析誤差的考查

圖像是反映物理量之間定性或定量變化關系的重要形式，物理中圖像的交點、橫縱截距、斜率甚至面積往往都有一定的意義，因而研究圖像、分析圖像有利于幫助我們理解物理規律、物理定理，尤其是物理量間的約束關系。鑒于此，2020年全國高考物理電學實驗題中，八道電學實驗題中涉及到圖像的有七道，其考查方法各有不同。有圖像的描繪，有要求學生從圖像中提取相關信息及加工信息，有要求根據圖像進行實驗系統誤差的分析，等等。

2 典型真題剖析

2.1 伏安法測電阻

例1（2020年全國卷I）某同學用伏安法測量一阻值為幾十歐姆的電阻Rx，所用電壓表的內阻為1 kΩ，電流表的內阻為0.5 Ω。該同學采用兩種測量方案，一種是將電壓表跨接在圖1所示電路的O、P兩點之間，另一種是跨接在O、Q兩點之間。測量得到如圖2所示的兩條U-I圖線，其中U與I分別為電壓表和電流表的示數。

圖1 電路圖

回答下列問題：

（1）圖2中標記為II的圖線是采用電壓表跨接在 ________（填“O、P”或“O、Q”）兩點的方案測量得到的。

圖2 U-I圖像

（2）根據所用實驗器材和圖2可判斷，由圖線 ________（填“I”或“II”）得到的結果更接近待測電阻的真實值，結果為________Ω（保留1位小數）。

（3）考慮到實驗中電表內阻的影響，需對（2）中得到的結果進行修正，修正后待測電阻的阻值為________Ω（保留1位小數）。

【思路點撥】伏安法測電阻的內、外接法系統誤差主要來源于電表的分流或分壓。電流表內接時，電流表的示數能真實反映通過待測電阻的電流，電壓表示數實際測量的是待測電阻和電流表兩端的總電壓，因而電壓的測量值偏大，導致電阻的測量值大于實際值。而電流表外接時則相反，電壓表所測值能真實反映待測電阻兩端的電壓，電流表示數則為通過待測電阻電流和電壓表電流之和，因而電流的測量值偏大，導致電阻的測量值小于真實值，在U-I圖像上表現為斜率較小。據兩個圖像的斜率大小關系可以確定內、外接法。根據“大內小外”的選取原則確定系統誤差較小的接法。

【試題解析】（1）將電壓表接O、P兩點之間時的圖像斜率小于電壓表接在O、Q兩點之間時的圖像斜率，故圖線II是采用電壓表跨接在O、P兩點之間。

（3）對U-I圖像中的圖線I，計算其斜率可得：

（4）通過上述分析易知，當電流表內接時，即電壓表應跨接在O、Q兩點之間，測得的結果更準確，其系統誤差來源于電流表的分壓。若考慮分析電流表分壓，則待測電阻的理論值為Rx真=Rx-RA=50.5-0.5=50.0 Ω，式中 Rx真、Rx、RA分別表示待測電阻的真實值、測量值及電流表的內阻。

小結：本題的創新之處在于將電表的實際接法與給定的圖像相關聯，考查學生結合圖像分析伏安法測電阻時電表內、外接法引起的系統誤差和運用歐姆定律對測量結果進行修正的能力。

2.2 伏安特性曲線

例2（2020年全國卷II）某同學要研究一小燈泡L（3.6 V，0.30 A）的伏安特性。所用器材有：電流表 A1（量程 200 mA，內阻 Rg1=10.0 Ω）、電流表A2（量程 500 mA，內阻 Rg2=1.0 Ω）、定值電阻 R0（阻值 R0=10.0 Ω）、滑動變阻器 R1（最大阻值 10 Ω）、電源E（電動勢4.5 V，內阻很小）、開關S和若干導線。該同學設計的電路如圖3所示。

（1）根據圖3，在圖4的實物圖中畫出連線。

圖3 電路圖

圖4 實物圖

（2）若 I1、I2分別為流過電流表 A1和 A2的電流，利用 I1、I2、Rg1和 R0寫出：小燈泡兩端的電壓U=_______，流過小燈泡的電流I=_______。為保證小燈泡的安全，I1不能超過_______mA。

（3）實驗時，調節滑動變阻器，使開關閉合后兩電流表的示數為零。逐次改變滑動變阻器滑片位置并讀取相應的I1和I2。所得實驗數據在表2中給出。

表2 實驗數據

根據實驗數據可算得，當I1=173 mA時，燈絲電阻R=________Ω（保留1位小數）。

（4）如果用另一個電阻替代定值電阻R0，其他不變，為了能夠測量完整的伏安特性曲線，所用電阻的阻值不能小于________Ω（保留1位小數）。

【思路點撥】研究燈泡的伏安特性通常要有電流表和電壓表，電流表測量通過燈泡的電流，電壓表測量燈泡兩端的電壓，因燈泡電阻較小，故電流表常用外接法。題中未給出電壓表，由定值電阻與電流表A1替代電壓表。為了獲得燈泡兩端更廣的電壓調節范圍，故滑動變阻器用分壓式接法，連接實物圖時要悟透電路圖，要厘清元件的連接方式、電表的接法、滑動變阻器的接法甚至電表的正、負接線柱。定量計算方面，計算燈泡兩端電壓時要注意考慮電流表A1所分擔的電壓；通過燈泡的電流則只要將兩只電流表讀數作差便可得出；計算燈泡的電阻時，要先運用上述分析的方法得出其電壓（其值為電流表A1示數乘上電流表A1和定值電阻兩者總電阻），再與通過燈泡的電流（其值為電流表A2示數減去電流表A1示數）相除便可算出燈泡的電阻。當然，為了保護燈泡，其兩端電壓不能超過其額定電壓。

【試題解析】（1）根據電路圖，先將滑動變阻器電阻絲兩端與開關、電源相連形成回路，再將電流表A1與定值電阻R0串聯后與燈泡并聯，并聯后與電流表A2串聯，再與滑動變阻器右半部分并聯接入電路。如圖5所示。

圖5 實物連線圖

（2）對R0與電流表A1支路由歐姆定律得燈泡兩端的電壓為：U=I1（R0+Rg1）；則通過燈泡 L 的電流I為：I=I2-I1，因燈泡兩端電壓不能超過3.6 V，故I1的最大值為：

小結：作為課程標準及考試說明明確要求的實驗之一，描繪燈泡的伏安特性曲線實驗是高考高頻考點之一，試題常從元件的選擇、電表內外接法選取、滑動變阻器接法及圖像的描繪、實驗誤差分析等角度設問考查。相比傳統命題規律，本例在燈泡兩端電壓的測定及電流測定上作了較大的變化與創新，將電流表A1和定值電阻兩端的總電壓作為燈泡兩端的電壓，即將電壓表測電壓轉換為電流表測電流，且考慮了電流表的分壓作用。而流過燈泡的電流則轉化為干路電流與定值電阻支路電流之差，較傳統測法更為準確，回避了傳統測燈泡電流中電壓表分流而導致的誤差，因而整體上描繪出的燈泡伏安特性曲線較傳統方法更為精確，因儀表引起的系統誤差理論上得到很好的控制。燈泡的電流與電壓這兩個物理量的測定，從當前新課標所倡導的科學思維素養角度看體現了轉換的思想。

2.3 測電池電動勢和內阻

例3（2020年北京卷）用圖6所示的甲、乙兩種方法測量某電源的電動勢和內電阻（約為1Ω）。其中R為電阻箱，電流表的內電阻約為0.1 Ω，電壓表的內電阻約為3 kΩ。

圖6 電路圖

（1）利用圖6中甲圖實驗電路測電源的電動勢E和內電阻r，所測量的實際是圖7中虛線框所示“等效電源”的電動勢E'和內電阻r'。若電流表內電阻用RA表示，請你用E、r和RA表示出E'、r'，并簡要說明理由 。

圖7 等效電源

在圖8中，對應圖甲電路分析的U-I圖像是：__________；對應圖乙電路分析的U-I圖像是：________。

圖8 U-I圖像

（3）綜合上述分析，為了減小由電表內電阻引起的實驗誤差，本實驗應選擇圖6中的________（填“甲”或“乙”）。

【思路點撥】測電池電動勢和內阻因其所用電表、變阻元件不同而導致測量方法不同，有伏安法（有電壓表、電流表和滑動變阻器）、安阻法（電流表和電阻箱組合）和伏阻法（電壓表和變阻箱組合），但不論什么方法，其原理均為閉合電路歐姆定律，其系統誤差來源均為電表的分流或分壓所致。題中的安阻法（甲）誤差來源為電流表的分壓，伏阻法（乙）誤差來源為電壓表的分流，在圖像中分析實驗中的真實值與測量值時可以從電表的分流、分壓作用視角研究。

【試題解析】（1）甲圖中，測量的對象實際是電池和電流表構成的整體，因電流表只能測量電路中的電流，不能對電路提供電能，故測量的電動勢即為電池真實的電動勢：E=E'。而電流表有內阻，故測量的內阻實質為電池內阻和電流表內阻之和：r'=r+RA。

（2）對甲圖：如圖 9，對同一電流值而言，路端電壓的測量值與真實值相差電流表兩端分得的電壓UA=IRA，又因電流表內阻RA可以看作定值，于是有 UA∝I，當電流為零時，UA=0，即 U-I圖像在縱截距上重合。一般情形下，對于同一電流值，因路端電壓的測量值小于真實值，即實線（測量值）顯示的圖線應當在虛線（真實值）顯示的圖線下方，綜上所述應選C選項。

圖9 U-I圖像

圖10 U-I圖像

（3）從因電表的分流或分壓引起的系統誤差角度看，甲方案中測得的電動勢準確，內阻偏大，乙方案中測得的電動勢和內阻均偏小。但是，由于電池內阻很小，電流表的分壓作用不能忽略，故應當選用乙方案測量更為準確。

小結：電表的內、外接法導致的系統誤差分析是測量電池電動勢和內阻實驗這一類考題的常見命題點，要會從定量、定性和圖像等角度綜合分析誤差來源對測量結果的影響。2020年北京卷電學實驗題強調從圖像的角度分析系統誤差，著力考查學生對測量電路結構的理解、誤差的分析計算。

3 結束語

科學探究能力并不是一種孤立的能力，它往往與學生的科學思維素養、科學態度與責任及物理觀念密不可分。電學實驗探究題表象上看僅僅考查學生的科學探究能力，實質對學生設計實驗、選取器材、規劃方案、測定數據、處理數據及誤差分析等所需的科學思維能力相互聯系，同時要有科學嚴謹的態度對待實驗，實驗結論對形成正確的物理觀念至關重要。縱觀2020年高考物理電學實驗題，不但重視對電路結構、實物連圖的考查，更注重對不同實驗方案綜合比較分析的考查以及突出對圖像描繪、圖像意義及結合圖像分析誤差的考查，顯示出對學生科學思維方法和科學探究能力全方位的考查。教師在日常實驗教學中，要有意識地培養學生這方面的能力，盡可能創造條件讓學生多走進實驗室，多動腦、多動手、多揣摩，體會實驗的樂趣，為培養出優秀的物理人才而不懈努力。