拓展素材來源,引領實驗教學
——2023年湖南省普通高中學業水平選擇性考試物理第12題的分析與變式

楊宗禮

(湖南省湘陰縣第一中學)

【真題展示】某探究小組利用半導體薄膜壓力傳感器等元件設計了一個測量微小壓力的裝置,其電路如圖1所示,R1、R2、R3為電阻箱,RF為半導體薄膜壓力傳感器,C、D間連接電壓傳感器(內阻無窮大)。

圖1

(1)先用歐姆表“×100”擋粗測RF的阻值,示數如圖2所示,對應的讀數是________Ω;

圖2

(2)適當調節R1、R2、R3,使電壓傳感器示數為0,此時,RF的阻值為________(用R1、R2、R3表示);

(3)依次將0.5 g的標準砝碼加載到壓力傳感器上(壓力傳感器上所受壓力大小等于砝碼重力大小),讀出電壓傳感器示數U,所測數據如表所示:

次數123456砝碼質量m/g0.00.51.01.52.02.5電壓U/mV057115168220280

根據表中數據在圖3上描點,繪制U-m關系圖線;

圖3

(4)完成前面三步的實驗工作后,該測量微小壓力的裝置即可投入使用。在半導體薄膜壓力傳感器上施加微小壓力F0,電壓傳感器示數為200 mV,則F0大小是________N(重力加速度取9.8 m/s2,保留2位有效數字);

(5)若在步驟(4)中換用非理想毫伏表測量C、D間電壓,在半導體薄膜壓力傳感器上施加微小壓力F1,此時非理想毫伏表讀數為200 mV,則F1________(填“>”“=”或“<”)F0。

圖4

【試題解析】(1)歐姆表讀數為10×100 Ω=1 000 Ω

(2)當電壓傳感器讀數為零時,C、D兩點電勢相等,即UCB=UDB

(3)繪出U-m圖像如圖4所示

(4)由圖4可知,當電壓傳感器的讀數為U=200 mV 時,所放物體質量為m≈1.80 g,則

F0=mg≈1.80×10-2N

(5)可將C、D以外的電路等效為新的電源,C、D兩點電壓看作路端電壓,因為換用非理想電壓傳感器當讀數為200 mV時,實際C、D間斷路(接理想電壓傳感器時)的電壓大于200 mV,則此時壓力傳感器的讀數F1>F0。

【試題評價】本題以人教版新教材選擇性必修第二冊P109課題研究樣例:半導體薄膜壓力傳感器特性的實驗研究為素材命制,創新實驗情境,考查了歐姆表的讀數、壓阻電橋原理、數據處理等實驗技能,考查了學生的實驗素養。打破了電學實驗出自必修三學生實驗的慣例,拓寬了實驗的選材范圍,命題者在反套路反機械刷題上下足了功夫,同時符合湖南省教育廳要求從今年開始在全省中小學全面開展拓展實驗的要求,必將引領實驗教學。

【改編變式練】某課外物理興趣小組的同學利用熱敏電阻等元件設計了一個探究熱敏電阻的阻值與環境溫度變化關系的裝置,其電路如圖5所示,R1、R2、R3為電阻箱,RT為熱敏電阻,C、D間連接電流傳感器(內阻為零)。

圖5

(1)將熱敏電阻放置在恒溫箱中,調節恒溫箱的溫度為t℃時,閉合開關,適當調節R1、R2、R3,使電流傳感器示數為0,此時,RT的阻值為________(用R1、R2、R3表示);

(2)改變恒溫箱的溫度,同時適當調節R1、R2、R3使電流傳感器示數始終為0,記錄多阻恒溫箱的溫度,并求出每次對應的熱敏電阻的阻值,如下表所示。

t/℃25304050607080RT/Ω900679499389320270240

(3)在圖6的坐標紙上補齊數據表中所給數據點,并作出RT-t曲線;并說明該熱敏電阻的阻值隨溫度升高而________(填“增大”或“減小”)。

圖6

(4)興趣小組的同學用該熱敏電阻設計出自動報警裝置,電路圖如圖7所示。報警器兩端的電壓升到某特定值時,報警裝置會自動報警,為增加報警器的靈敏程度應________(填“增大”或“減小”)R的電阻值。

圖7

【改編意圖】以探究熱敏電阻的阻值與環境溫度變化關系為情境,從對電橋法測電阻原理的理解、實驗數據的處理、實驗結論的得出、實驗方案的設計與解釋等方面考查學生的實驗能力和科學探究能力,意在考查學生靈活運用相關知識解決實際實驗問題的能力。

(3)由題給數據描完點后如圖8所示,觀察這些點的分布規律,應畫一條平滑曲線,讓盡可能多的點落在線上,不在線上的點要均勻分布在線的兩側。由描出的圖像可看出隨著溫度升高,該熱敏電阻的阻值減小。

圖8

【教學啟示】1.加強實驗教學,提高解決實驗問題的能力是物理學科的重要教學任務。要結合課本實驗及其相關實驗問題的解決與訓練,使學生真正理解課本實驗的目的、原理、原則,熟悉課本實驗的正確操作步驟等,培養學生設計實驗、收集數據、處理數據、科學探究能力。

2.實驗教學要從講實驗向做實驗轉變,要把學生拉回實驗室,熟練實驗操作,在動手中關注實驗細節,無論是儀器的安裝和調節,還是電路的連接,都需要采取正確的方法,學生有了真實的實驗體驗,才能提高實驗探究能力。

3.數據分析和處理是物理實驗考查的重點,是實驗題獲取高分的關鍵。數據分析和處理是指從獲得數據開始到得出最后結論的整個加工過程,包括數據記錄、整理、計算、分析和繪制圖表等,這就要求學生平時每次做完實驗撰寫好實驗報告,“隨風潛入夜,潤物細無聲”,數據分析和處理的能力在一次次實驗報告的撰寫中得到提升。