關于浙江省2021年1月高考設計性實驗題的賞析與啟示

鄧明富

摘要：高考實驗題中最難的考題就是設計實驗。在設計性電學實驗題中，電路選擇是本、是綱。如何正確選擇實驗器材、選擇測量電路、選擇控制電路是解題的關鍵。本文就電路選擇進行專題分析，幫助學生掌握基本方法，做到電路設計思想融會貫通。

關鍵詞：設計性實驗;控制電路;測量電路;限流電路;分壓電路

縱觀近十年浙江高考實驗題，被所有專家考生點贊，其考查核心內容是儀器識別、操作規(guī)范、數據分析等，沒有涉及到高難度的設計性實驗要求，往往難度不大，這樣的試題能有效地考查出動手做過實驗與沒做過實驗的學生差別，能讓動手做過真實驗的學生得到高分，以引導教學中重視動手實驗，培養(yǎng)學生的動手能力和科學探究素養(yǎng)。然而在2021年1月選考18題中再次回歸了設計性實驗考點，由于平時學習中學生對設計性實驗不夠重視，強化練習不到位，對實驗試題中出現的這一新變化不適應，導致這個考點得分率不高。筆者在所教選考尖子生班中問卷調查顯示，很多物理水平較高的學生也害怕遇到設計性實驗題，原因除了學習中對設計性實驗問題有所弱化不夠重視之外，還與試題本身的高綜合性、高創(chuàng)設性有關，設計性實驗綜合考查的核心要素很多，需要學生有很強的應用分析能力，綜合要素解決問題能力，可以有效考查學生的物理學習水平和能力。

這次浙江省選考實驗題透露出的信息來看，設計性實驗又將是考查的一個重點熱點，在教與學的過程中要注重解決技巧和思想方法的歸納優(yōu)化，拓展提升。下面以2021年1月高考物理實驗18題為例，作簡略的分析與探討。

一、原題賞析

原題：在測定電池的電動勢和內阻實驗中，現有如圖1左所示的實驗器材，照片中電阻箱阻值可調范圍為0～9999Ω，滑動變阻器阻值變化范圍為0～10Ω，電流表G的量程為0～3mA、內阻為200Ω，電壓表的量程有0～3V和0～15V。請在圖中選擇合適的器材，在答題紙相應方框中畫出兩種測定一節(jié)干電池的電動勢和內阻的電路圖。

教學解構：回歸課本

人教版教材給出圖2三種方案測定電池的電動勢和內阻，伏安法、伏阻法、安阻法進行測量。一般優(yōu)先考慮用伏安法測量，若選擇滑動變阻器改變電路總阻值，電路最小電流約為7mA，電流表量程太小會燒表;若選擇電阻箱改變電路總阻值，電流表雖然安全，但是電源內阻小、電流表最大電流小，電源分到的內壓很小，改變電阻時外電壓幾乎不變，不利于測量多組電壓數據。綜上所述，電流表需要串聯電阻改裝成大量程電流表用，如參考答案伏安法和伏阻法可行。

點評優(yōu)化：誤差分析

筆者認為，參考答案并不是最優(yōu)方案，既然是開放性設計實驗題，就要找到最優(yōu)方案為好。由于電壓表內阻未知，參考答案中電壓表的分流作用導致存在系統誤差，電源電動勢和內阻測量值均偏小。由于改裝后的電流表內阻已知，若采用改裝后的電流表接在電壓表外（如圖3方案），可以精確測量電路的干路電流，電壓表精確測量等效電源的路端電壓，不存在由于電表內阻引起的系統誤差，電動勢和內阻測量值為真實值。

二、備考啟示：夯實經典教學片斷

在電路設計實驗中，有圖4四種基本電路，從本質上說，只要學會選擇這4種組合，也就理解了電路設計的基本技巧。 我們把其中電燈、電流表、電壓表、電源、電鍵、滑動變阻器六個元件分成兩組設計：電燈、電流表、電壓表為“測量電路”，電源、電鍵、滑動變阻器為“控制電路”?！皽y量電路”涉及到電表選擇和電流表內外接問題，需要考量的因素是測什么，為什么測，怎樣測，測的結果是否準確;“控制電路”涉及到滑動變阻器的分壓和限流問題，需要考量的因素是控什么，為什么控，怎樣控，控的結果是否有效方便。

教學片斷一：“測量電路”設計要素，電流表內外接問題，伏安法基本原理：。

師問：理想電表圖5兩種電路中有沒有差別？生答：沒有。問：理想電表在電路中作如何處理？答：電流表電阻為零當作導線，電壓表電阻無窮大當作斷路。問：實際上，電流表只是一個可以測量自身電流的小電阻，內阻不是零，只是非常小，典型的數據是“0.6A，RA≈0.2”，電壓表只是一個可以測量自身電壓的大電阻，內阻不是無窮大，只是非常大。典型的數據是“3V，RV≈20k”。非理想電表內阻考慮，不同連接方法誤差大小就不同，設計電路需要考慮電路誤差最小。

內接法：在內接法電路圖5左中標出典型數據：0.6A，RA≈0.2;3V，RV≈20k;Rx=2k。問：內接法有沒有系統誤差？答：有，電流表分壓引起的。問：誤差可否忽略？答：只有，不到0.01%，符合實驗精度要求。測量電阻Rx測=Rx+RA實為電流表與被測電阻串聯電阻，阻值偏大。 外接法：在外接法電路圖5右中標出典型數據：0.6A，RA≈0.2;3V，RV≈20k;Rx=2k。問：外接法有沒有系統誤差？答：有，電壓表分流引起的。問：誤差可否忽略？答：只有，不到0.01%，符合實驗精度要求。測量電阻實為電壓表與被測電阻并聯電阻，阻值偏小。問：在內接法電路圖中把Rx=2k換成Rx=2，行不行？答：不行，誤差達到，接近10%。問：在外接法電路圖中把Rx=2換成Rx=2k，行不行？答：不行，誤差達到，接近10%。

學生小結：大電阻適合用內接法測量，測量值偏大;小電阻適合用外接法測量，測量值偏小。口訣：大內大，小外小。

教學片斷二：“控制電路”設計要素，滑動變阻器的分壓限流問題，基本原理：串并聯分壓規(guī)律。限流式：圖6為限流電路及等效電路圖，典型數據：Rx=10，R=10，E=10V，r=0。Rx上的電壓Ux與滑動變阻器左邊電阻RL的關系公式：。根據公式，學生計算滑片在左端、左、右、右端時的Ux，為形象直觀，教師在黑板上畫出Ux-RL圖，體會變化趨勢。 問：改變參數Rx=10，R=20，E=10V，r=0。限流可行嗎？限不住不方便，畫出Ux-RL圖，體會變化趨勢。問：改變參數Rx=100，R=10，E=10V，r=0。限流可行嗎？限不住不方便，畫出Ux-RL圖，體會變化趨勢。問：改變參數Rx=10，R=500，E=10V，r=0。限流可行嗎？可控不方便，畫出Ux-RL圖，體會變化趨勢。總結上面幾組參數的限流效果，當滑動變阻器總阻值較大于被測電阻幾倍時，電路中被測電壓與滑動變阻器有效電阻成線性關系，限流效果好，方便可控、便于采集多組數據。

分壓式：圖7為分壓電路及等效電路，典型數據：Rx=10，R=10，E=10V，r=0。Rx上的電壓Ux與滑動變阻器左邊電阻RL的關系公式：。 根據公式，學生計算滑片在左端、左、右、右端時的Ux，為形象直觀，可用計算機 XLS 工作表畫出Ux-RL圖（如圖8），體會變化趨勢。課堂上用 XLS 工作表分別畫出下列各組參數Ux-RL圖，讓學會充分感受體會滑動變阻器總阻大小對分壓效果的影響。參數1：Rx=100，R=10，E=10V，r=0。參數2：Rx=10，R=100，E=10V，r=0。參數3：Rx=10，R=1000，E=10V，r=0。參：4：Rx=10，R=10000，E=10V，r=0。

總結上面幾組分壓參數發(fā)現，分壓式電路的特點是電壓可從零開始調節(jié)，調節(jié)范圍大。對高阻值的變阻器，當滑動片在前端大幅度滑動時，分壓電壓幾乎不變;當滑動片在后端稍有移動時，分壓電壓變化很大的，不方便調節(jié)和測量多組數據，或說靈敏度不夠，不宜采用。當滑動變阻器總阻值較小時，分到電壓與滑動變阻器分壓部分電阻成線性關系，分壓效果好，便于采集多組數據，分壓電路應選用總阻值小的變阻器。當總阻值相同，有效長度大的，即單位長度上的電阻小，這樣分壓效果好，方便調節(jié)和測量多組數據，優(yōu)先選擇。