基礎(chǔ)與能力兼顧 落實物理核心素養(yǎng)
——2021年高考全國甲卷電學(xué)實驗試題賞析及啟示

福建 洪英蘭 施生晶

《普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試大綱》要求考查物理學(xué)科的五種能力：理解能力、推理能力、分析綜合能力、應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理問題能力、實驗?zāi)芰Α?021年全國甲卷電學(xué)實驗題內(nèi)容豐富，對考生的綜合能力要求較高，很好地考查考生“科學(xué)探究”素養(yǎng)，對高中物理實驗教學(xué)和高考電學(xué)實驗復(fù)習(xí)具有積極導(dǎo)向作用。

1.2021年全國甲卷實驗題賞析及啟示

原題呈現(xiàn)：某同學(xué)用圖1所示電路探究小燈泡的伏安特性，所用器材有：

圖1

小燈泡(額定電壓2.5 V，額定電流0.3 A)

電壓表(量程300 mV，內(nèi)阻300 Ω)

電流表(量程300 mA，內(nèi)阻0.27 Ω)

定值電阻R0

滑動變阻器R1(阻值0～20 Ω)

電阻箱R2(最大阻值9 999.9 Ω)

電源E(電動勢6 V，內(nèi)阻不計)

開關(guān)S、導(dǎo)線若干。

完成下列填空：

(1)有3個阻值分別為10 Ω、20 Ω、30 Ω的定值電阻可供選擇，為了描繪小燈泡電流在0～300 mA的U-I曲線，R0應(yīng)選取阻值為________Ω的定值電阻；

(2)閉合開關(guān)前，滑動變阻器的滑片應(yīng)置于變阻器的________(填“a”或“b”)端；

(3)在流過電流表的電流較小時，將電阻箱R2的阻值置零，改變滑動變阻器滑片的位置，讀取電壓表和電流表的示數(shù)U、I，結(jié)果如圖2所示。當(dāng)流過電流表的電流為10 mA時，小燈泡的電阻為________Ω(保留1位有效數(shù)字)；

圖2

(4)為使得電壓表滿量程時對應(yīng)于小燈泡兩端的電壓為3 V，該同學(xué)經(jīng)計算知，應(yīng)將R2的阻值調(diào)整為________Ω。然后調(diào)節(jié)滑動變阻器R1，測得數(shù)據(jù)如表1所示：

表1

(5)由圖2和表1可知，隨流過小燈泡電流的增加，其燈絲的電阻________(填“增大”“減小”或“不變”)；

【命題意圖】試題要求考生用伏安法測量小燈泡工作時的實際電壓U與電流I，利用U-I圖像和列表法求小燈泡實際電阻和實際功率。命題者創(chuàng)設(shè)情境：提供電壓表的2個參數(shù)(電壓與電阻)，讓考生分析并判斷，因電壓表量程太小，需要改裝擴大量程；因電壓表內(nèi)阻遠(yuǎn)大于小燈泡電阻，不考慮電壓表的分流作用；讓考生應(yīng)用串聯(lián)電路的特點與歐姆定律等知識解決問題，考查考生對基本概念和規(guī)律的理解，很好地實現(xiàn)了試題的選拔功能。

【試題解析】

(1)考查串、并聯(lián)電路的特點，考查考生邏輯推理能力

圖3

(2)考查控制電路滑動變阻器分壓式特點

描繪小燈泡U-I曲線，電壓應(yīng)從0開始測量，滑動變阻器采用分壓式接法，閉合開關(guān)前，滑動變阻器的滑片置于a端，接入電壓為0。

(3)考查考生測量電路，分析和處理誤差的能力

關(guān)鍵能力：部分考生考慮電壓表的分流作用，不會處理誤差，就造成解題障礙，影響得分。

圖4

(4)考查改裝電壓表的能力，考查運用數(shù)學(xué)知識分析物理問題的能力

(5)考查考生從圖像獲取信息、分析數(shù)據(jù)能力

圖5

(6)考查考生處理數(shù)據(jù)能力

【啟示】試題沒有復(fù)雜的背景，對知識點覆蓋全面，設(shè)問層層遞進，具有很強“選拔性”功能。分析清楚電路的結(jié)構(gòu)是解題的前提，理解實驗原理是解題的關(guān)鍵，試題創(chuàng)新度較高，考生要把熟悉模型進行遷移，要利用串并聯(lián)電路、歐姆定律等基本原理，對電表進行改裝，會利用題中測量的數(shù)據(jù)進行相關(guān)問題計算。試題很好地考查了考生的邏輯思維和運用數(shù)學(xué)方法處理數(shù)據(jù)的能力，很好地提高了考生物理學(xué)科素養(yǎng)。

2.教學(xué)建議

電學(xué)實驗內(nèi)容豐富，考查比較綜合全面，對考生的綜合能力要求較高，從歷年考生反饋來看，實驗題是考生失分較多的地方，得分率相對偏低，因此電學(xué)實驗教學(xué)和高三備考的過程中，學(xué)生要注重電學(xué)實驗的基本知識、基本方法，找出規(guī)律，進行歸類整理，老師要引導(dǎo)學(xué)生進行實驗拓展創(chuàng)新和變式訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力，在備考復(fù)習(xí)中要有針對性和實效性。

2.1 重視基礎(chǔ)實驗，提高實驗技能

考生需掌握五個基礎(chǔ)電學(xué)實驗(見表2)，要能獨立完成實驗，要在實驗過程中提高發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，提升物理學(xué)科素養(yǎng)。

表2

高考試題在基礎(chǔ)實驗上進行變換、組合、改進、創(chuàng)新與拓展，考生要對基礎(chǔ)實驗原理理解透徹，對電學(xué)儀器構(gòu)造、性能、原理了如指掌，不斷提高實驗動手能力、提高基本的實驗技能。

2.2 加強對實驗電路的復(fù)習(xí)

電學(xué)實驗電路主要由控制電路和測量電路組成。控制電路涉及滑動變阻器限流式和分壓式的接法，起到調(diào)節(jié)電路中的電壓和電流的作用。如：2021全國甲卷、2016全國卷Ⅰ、2017全國卷Ⅱ、2018全國卷Ⅰ，考生只要熟悉兩種接法的優(yōu)缺點，結(jié)合實驗要求，進行正確儀器連接，問題便可迎刃而解。測量電路主要由被測元件、電流表、電壓表、電阻箱(定值電阻)等構(gòu)成，電學(xué)實驗中的數(shù)據(jù)測量，核心問題是電表有內(nèi)阻的情況下，儀表如何連接，如何改裝，如何提高測量精度。如：2014全國卷Ⅱ、2017全國卷Ⅰ涉及電流表接法；2015全國卷Ⅰ、2018全國卷Ⅱ涉及改裝電流表；2016全國卷Ⅰ、2017全國卷Ⅱ、2021年全國甲卷涉及改裝電壓表；2017全國卷Ⅲ涉及改裝多用電表。

2.3 加強對電阻測量的復(fù)習(xí)

電學(xué)實驗的核心是測量電阻。測電路中元件的電阻，方法有：伏安法、等效替代法、電流(電壓)半偏法、電橋法等，考生要利用部分電路歐姆定律推導(dǎo)出被測電阻的函數(shù)表達(dá)式，或根據(jù)測量數(shù)據(jù)運用數(shù)學(xué)知識計算出被測電阻。如：2017全國卷Ⅰ，2018全國卷Ⅲ，涉及利用電表測電阻；2018全國卷Ⅰ，涉及等效替代法測電阻；2015全國卷Ⅱ，2016全國卷Ⅱ，涉及半偏法測電阻；2017全國卷Ⅱ，涉及電橋電路測電阻。測電源的內(nèi)阻，方法有：伏安法、安阻法、伏阻法等，考生要利用閉合電路歐姆定律推導(dǎo)出內(nèi)阻的函數(shù)表達(dá)式，結(jié)合對應(yīng)的圖像，明確斜率和截距的物理意義，用圖像法求出電源的內(nèi)阻，該類型很好地考查考生應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理問題的能力，難度較大。如：2017全國卷Ⅰ，2021年全國乙卷。

2.4 加強對數(shù)據(jù)記錄、分析和處理的復(fù)習(xí)

數(shù)據(jù)采集、記錄數(shù)據(jù)、分析和處理數(shù)據(jù)、得出結(jié)論，是考生的一項基本實驗技能。如何記錄實驗數(shù)據(jù)？如：不同的電表按照不同規(guī)則進行讀數(shù)和記錄，題中明確要求保留幾位小數(shù)或幾位有效數(shù)字。處理數(shù)據(jù)主要方法有：列表法、計算法、平均值法、圖像法等。圖像法最直觀，容易判斷物理量之間線性或非線性關(guān)系，要理解圖像的斜率與坐標(biāo)軸交點的物理意義。如：2018全國卷Ⅰ，2021年全國乙卷，涉及利用圖像處理數(shù)據(jù)，得出實驗結(jié)論。

發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)是深化課程改革的目標(biāo)，高考命題承擔(dān)推進課程改革的使命，落實“立德樹人”工作。教師應(yīng)關(guān)注并研究高考試題的特點及變化，探尋高考備考的有效方法，重視學(xué)生關(guān)鍵能力的培養(yǎng)，提高學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)，讓學(xué)生在高考中發(fā)揮最佳水平。