2014年高考電學實驗的創(chuàng)新設計思想

王松濤

摘 要：電學實驗的思想通過電路結構來實現(xiàn)。2014年高考電學實驗命題的創(chuàng)新設計首先體現(xiàn)在電路結構和原理的變化上，而電路結構和原理的變化又會引起操作方法、數(shù)據(jù)處理和誤差分析等相應變化。實驗設計的簡單創(chuàng)新，其相關實驗能力的要求卻并不簡單。

關鍵詞：高考；電學實驗；創(chuàng)新設計

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）4-0050-4

考試大綱對實驗能力的要求包括讓學生利用學過的原理和方法，在題設的情境下按照題設的要求獨立設計實驗方案，恰當選擇實驗器材，合理安排實驗步驟，正確處理實驗數(shù)據(jù)及進行實驗誤差分析等。其中特別值得注意的是為了適應課程改革的需要，2007年之后考試大綱新增加了“對結論進行分析和評價，包括簡單的設計性實驗”的內容。解讀考試大綱的能力要求對于我們把握實驗教學的方向，貫徹新課改的精神，提高高考備考的針對性都十分重要。

在2014年教育部考試中心統(tǒng)一命題及各省自主命題的全部十五套高考試題中，共有六套試題考察了測電源電動勢和內阻的實驗。而在這六套試題中，測電源電動勢和內阻的分值占這六套試題實驗分值的63%，可見測電源電動勢和內阻的實驗是高考實驗考察的重要內容。現(xiàn)以2014年高考對測電源電動勢和內阻實驗的考察為例，通過與教材原始實驗對比，探討創(chuàng)新設計思想在高考命題中的體現(xiàn)。

教材中介紹的測電源電動勢和內阻的實驗采用的是伏安法，電路如圖1中的甲圖所示。實驗器材的一般配置為一節(jié)干電池，電壓表（0 ～ 3 V），電流表（0 ～ 0.6 A），滑動變阻器（0 ～ 10 Ω）。統(tǒng)計顯示在2014年高考試題中，考察該實驗的六套試題中有五套采用的是伏安法。對于這一基本的實驗方法，高考試題是如何進行創(chuàng)新設計的呢？ 電學實驗的思想通過電路結構來實現(xiàn)，那么高考試題中的電路結構有哪些變化呢？

1 電路中電表位置變化

2014年北京卷：利用電流表和電壓表測定一節(jié)干電池的電動勢和內電阻。要求盡量減小實驗誤差。

①應該選擇的實驗電路是圖1中的_____（選填“甲”或“乙”）。

②現(xiàn)有電流表（0～0.6 A） 、開關和導線若干，以及以下器材：

A.電壓表（0～15 V）；B.電壓表（0～3 V）；C.滑動變阻器（0～50 Ω）；D. 滑動變阻器（0～500 Ω）。

實驗中電壓表應選用________；滑動變阻器應選用________。（選填相應器材前的字母）

③某位同學記錄的6組數(shù)據(jù)如下表所示，其中5組數(shù)據(jù)的對應點已經(jīng)標在圖2的坐標紙上，請標出余下一組數(shù)據(jù)的對應點，并畫出U-I圖線。

④根據(jù)③中所畫圖線可得出干電池的電動勢E=________V，內電阻r=________Ω。

⑤實驗中，隨著滑動變阻器滑片的移動，電壓表的示數(shù)U及干電池的輸出功率P都會發(fā)生變化。圖3的各示意圖中正確反映P-U關系的是________。

本題第①問考查電流表的內外接法；第②問考查儀器的選擇；第③問考查作圖；第④問考查圖像法的數(shù)據(jù)處理；第⑤問考查輸出功率。本題基本以教材原始實驗為原型對相關實驗能力進行考察，增加的圖1乙中電表位置發(fā)生改變，導致誤差的結果不同，解答此問仍要基于對課本原始實驗中誤差分析的正確理解。

2014年全國大綱卷：現(xiàn)要測量某電源的電動勢和內阻?？衫玫钠鞑挠校弘娏鞅鞟，內阻為1.00 Ω； 電壓表V；阻值未知的定值電阻R1、R2、R3、R4、R5；開關S；一端連有鱷魚夾P的導線1，其他導線若干。某同學設計的測量電路如圖4所示。

①按圖4在實物圖5中畫出連線，并標出導線1和其P端。

②測量時，改變鱷魚夾P所夾的位置，使R1、R2、R3、R4、R5依次串入電路，記錄對應的電壓表的示數(shù)U和電流表的示數(shù)I。數(shù)據(jù)如下表所示。根據(jù)表中數(shù)據(jù)，在圖6中的坐標紙上將所缺數(shù)據(jù)點補充完整，并畫出U-I圖線。

③根據(jù)U-I圖線求出電源的電動勢E= V，內阻r=___Ω。（保留兩位有效數(shù)字）

與北京考題類似，本題將電路結構中電表的位置進行了改變，由此利用圖像法處理實驗數(shù)據(jù)時，由圖線斜率絕對值得出的內阻測量值就包含了電流表的內阻，減去此電流表的內阻才能正確得出電源的內阻值。這種變化使得死記書本原始實驗數(shù)據(jù)處理方法的學生往往會出現(xiàn)錯誤。

2 電路中加入保護電阻

2014年福建卷：某研究性學習小組利用伏安法測定某一電池組的電動勢和內阻，實驗原理如圖7所示。其中，虛線框內為用靈敏電流計G改裝的電流表A，V為標準電壓表，E為待測電池組，S為開關，R為滑動變阻器，R0是標稱值為4.0 Ω的定值電阻。

①已知靈敏電流計G的滿偏電流Ig=100 μA，內阻rg=2.0 kΩ，若要改裝后的電流表滿偏電流為200 mA，應并聯(lián)一只阻值為________Ω（保留一位小數(shù)）的定值電阻R1；

②根據(jù)圖7，用筆畫線代替導線將圖8連接成完整電路；

③某次實驗的數(shù)據(jù)如下表所示：

該小組借鑒“研究勻變速直線運動”實驗中計算加速度的方法（逐差法），計算出電池組的內阻r=________Ω（保留兩位小數(shù)）；為減小偶然誤差，逐差法在數(shù)據(jù)處理方面體現(xiàn)出的主要優(yōu)點是______________________。

④該小組在前面實驗的基礎上，為探究圖7電路中各元器件的實際阻值對測量結果的影響，用一已知電動勢和內阻的標準電池組，通過上述方法多次測量后發(fā)現(xiàn)：電動勢的測量值與已知值幾乎相同，但內阻的測量值總是偏大。若測量過程無誤，則內阻測量值總是偏大的原因是________。（填選項前的字母）

A.電壓表內阻的影響

B.滑動變阻器的最大阻值偏小

C.R1的實際阻值比計算值偏小

D.R0的實際阻值比標稱值偏大

與教材原始實驗對比，福建考題在電路結構的設計上除了將電表改裝簡單融入外，就是在電路中加入了保護電阻。這樣在數(shù)據(jù)處理和誤差分析環(huán)節(jié)就必須考慮保護電阻帶來的影響。

2014年海南卷：用伏安法測量一電池的內阻。已知該待測電池的電動勢E約為9 V，內阻約數(shù)十歐，允許輸出的最大電流為50 mA，可選用的實驗器材有：

電壓表V1（量程5 V）；電壓表V2（量程10 V）；電流表A1（量程50 mA）；電流表A2（量程100 mA）；滑動變阻器R（最大電阻300 Ω）；定值電阻R1（阻值為200 Ω，額定功率為1/8 W）；定值電阻R2（阻值為200 Ω，額定功率為1 W）；開關S；導線若干。

測量數(shù)據(jù)如坐標紙上U-I圖線所示。

①在答題卡相應的虛線方框內畫出合理的電路原理圖，并標明所選器材的符號。

②在設計的電路中，選擇定值電阻的根據(jù)是

。

③由U-I圖線求得待測電池的內阻為 Ω。

④在你設計的電路中，產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的主要原因是 。

合理的電路原理圖如圖10，和福建考題類似，海南考題中定值電阻充當了保護電阻，但與福建考題不同的是保護電阻的位置不同。本題電路設計的要點在于對保護電阻的分析判斷，包括需不需要保護電阻的判斷、保護電阻的選擇和保護電阻位置的確定。

2014年上海卷：在“用DIS測電源電動勢和內阻”的實驗中：

①將待測電池組、滑動變阻器、電流傳感器、電壓傳感器、定值電阻、電鍵及若干導線連接成電路如圖11所示，圖中未接導線的A端應接在____點（選填：“B”、“C”、“D”或“E”）。

②實驗得到的U-I關系如圖12中的直線I所示，則電池組的電動勢為____V，內電阻阻值為____Ω。

③為了測量定值電阻的阻值，應在圖11中將“A”重新連接到____點（選填：“B”、“C”、“D”或“E”），所得到的U-I關系如圖12中的直線II所示，則定值電阻的阻值為____Ω。

上?？碱}采用新的實驗手段DIS進行實驗，但其物理實質仍然是伏安法測電源電動勢和內阻，與教材原始實驗比較，本題電路的變化和福建、海南的高考題類似，即添加了保護電阻；但與福建、海南的高考題不同的是，本題同時考察了保護電阻的兩種接法，如圖13和圖14所示，通過兩種接法的對比計算出保護電阻的阻值。

綜上分析，2014年高考實驗命題仍然體現(xiàn)“來源于教材而又不拘泥于教材”的理念，實驗的考察相對于教材原始實驗均有所變化。對于電學實驗來說，在給定實驗目的的條件下這種變化首先體現(xiàn)在電路結構和原理的變化上。通過總結2014年高考對測電源電動勢和內阻實驗的考察來看，電路結構的變化相對于教材原始實驗而言，只表現(xiàn)在電表位置的改變和添加保護電阻后保護電阻位置的改變等比較基本和常規(guī)的變化，這種創(chuàng)新設計的思想源自對教材原始實驗的理解和對實驗基本操作技能的掌握，而這正是考試大綱所謂“簡單的設計實驗”的體現(xiàn)。但是，電路結構的變化通常會引起操作方法、數(shù)據(jù)處理和誤差分析等相應變化，這就要求考生能隨考題情境的改變靈活應對，恰當?shù)剡M行知識遷移以解決新的問題。因此，所謂實驗設計的簡單創(chuàng)新，其相關實驗能力的要求卻并不簡單。

鑒于此，對新一輪高考實驗的備考需要注意避免兩種傾向：一是避免死記教材原始實驗，高考對實驗的考察源自教材但一定蘊含有創(chuàng)新的思想，背實驗只會讓學生固步自封，自縛手腳。二是避免為創(chuàng)新而創(chuàng)新。片面追求變化而去做大量偏、難、怪的實驗題，會讓學生迷失方向，茫然而不知所措。

所以，高考實驗的備考需要抓住教材原始實驗強化學生基本的實驗技能，同時又要適當?shù)剡M行變化以培養(yǎng)學生的知識遷移能力和創(chuàng)新思維能力。

（欄目編輯 陳 潔）