高三物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)針對(duì)性的思考

耿玉盛

(江蘇省揚(yáng)州市邗江區(qū)教育局教研室,江蘇 揚(yáng)州 225009)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中提出:“物理實(shí)驗(yàn)是高中物理教學(xué)的重要內(nèi)容．物理實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、探究能力、科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神方面具有特殊的地位”．物理實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)科內(nèi)綜合、聯(lián)系實(shí)際的重要方面,高考實(shí)驗(yàn)題成為考查學(xué)生聯(lián)系實(shí)際綜合運(yùn)用知識(shí)的實(shí)踐能力、區(qū)分中上程度學(xué)生的重要方面．高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較多,是高考必考的內(nèi)容,實(shí)驗(yàn)考查涉及到實(shí)驗(yàn)原理的理解、電路的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)器材的選擇、實(shí)驗(yàn)方法的確定、數(shù)據(jù)的處理以及誤差分析等．高三物理復(fù)習(xí)中要認(rèn)真研究2017年高考試卷中的電學(xué)實(shí)驗(yàn)題的特點(diǎn)以及命題思想,提高復(fù)習(xí)的針對(duì)性．

1 強(qiáng)化學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí),提高實(shí)驗(yàn)基本技能

高中物理電學(xué)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)是高考高頻考點(diǎn),實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)要強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)基本技能的訓(xùn)練．首先要注意提高學(xué)生這3個(gè)方面的基本操作:實(shí)驗(yàn)器材的選擇方法、電流表內(nèi)接法和外接法以及選擇的原則、滑動(dòng)變阻器的限流式和分壓式連接;其次是強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)故障的分析和排除;第三是重視基本儀器的使用,基本儀器的使用仍是實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ),電學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的基本儀器有電流表、電壓表、多用電表、滑動(dòng)變阻器、電阻箱、電學(xué)傳感器等等;第四注意實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、圖像的分析和處理．

例1.(2017年海南卷第12題)某同學(xué)用伏安法測(cè)量待測(cè)電阻的阻值．現(xiàn)有器材為:待測(cè)電阻R(阻值約為5Ω),電源(電動(dòng)勢(shì)3V),滑動(dòng)變阻器(阻值范圍0～10Ω),電流表(量程0.6A,3A),電壓表(量程3V,15V),開關(guān),導(dǎo)線若干．實(shí)驗(yàn)要求在測(cè)量電路中將電流表外接,滑動(dòng)變阻器起限流作用．回答下列問題:

(1) 按照實(shí)驗(yàn)要求在圖1中畫出實(shí)物連線圖．

圖1

(2) 若已按實(shí)驗(yàn)要求接線,閉合開關(guān)后移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片,電壓表的示數(shù)始終約為3V,電流表的示數(shù)始終接近0．寫出產(chǎn)生這種現(xiàn)象的一個(gè)原因________________．

(3) 在連線正確后,閉合開關(guān)．電壓表和電流表的示數(shù)分別如圖2(a)和圖2(b)所示．由圖可知,電壓表讀數(shù)為________V,電流表讀數(shù)為________A．由此可得待測(cè)電阻的阻值為________Ω(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)．

圖2

圖3

本題測(cè)量電阻是考試說明中列出的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)考點(diǎn)之一,重點(diǎn)考查的就是學(xué)生的實(shí)驗(yàn)基本技能,其中第(1)問就是考查學(xué)生電路連接的基本技能,電流表的外接法,滑動(dòng)變阻器的限流式接法,同時(shí)還要考查學(xué)生在連接電路時(shí)電表量程的選擇以及正負(fù)接線柱的連接問題,要做好本題學(xué)生要有良好的畫電路圖的習(xí)慣,先畫出正確的電路圖(如圖3所示)再根據(jù)電路圖連接實(shí)物圖．第(2)問考查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)故障的分析能力,由題意可知電路電阻很大或斷路,可能是待測(cè)電阻部分連接時(shí)斷路,也可能是電流表和電壓表的位置接反了．第(3)問的解答需要學(xué)生先正確選擇出電表的量程,然后才能正確讀出電表示數(shù)，求出待測(cè)電阻值．

例2.(2017年高考新課標(biāo)Ⅰ卷第23題)某同學(xué)研究小燈泡的伏安特性,所使用的器材有:小燈泡L(額定電壓3.8V,額定電流0.32 A);電壓表V(量程3 V,內(nèi)阻3 kΩ);電流表A(量程0.5 A,內(nèi)阻0.5 Ω);固定電阻R0(阻值1000 Ω);滑動(dòng)變阻器R(阻值0～9.0 Ω);電源E(電動(dòng)勢(shì)5 V,內(nèi)阻不計(jì));開關(guān)S;導(dǎo)線若干．

(1) 實(shí)驗(yàn)要求能夠?qū)崿F(xiàn)在0～3.8 V的范圍內(nèi)對(duì)小燈泡的電壓進(jìn)行測(cè)量,畫出實(shí)驗(yàn)電路原理圖．

(2) 實(shí)驗(yàn)測(cè)得該小燈泡伏安特性曲線如圖4所示．由實(shí)驗(yàn)曲線可知,隨著電流的增加小燈泡的電阻________(填“增大”、“不變”或“減小”),燈絲的電阻率________(填“增大”、“不變”或“減小”)．

圖4

圖5

(3) 用另一電源E0(電動(dòng)勢(shì)4 V,內(nèi)阻1.00 Ω)和題給器材連接成圖5所示的電路,調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R的阻值,可以改變小燈泡的實(shí)際功率．閉合開關(guān)S,在R的變化范圍內(nèi),小燈泡的最小功率為________W,最大功率為________W．(結(jié)果均保留2位小數(shù))

圖6

本題描繪小燈泡的伏安特性曲線是考試說明中給出的電學(xué)實(shí)驗(yàn)考點(diǎn)之一．本題的第(1)問考查學(xué)生根據(jù)題目要求設(shè)計(jì)電路是學(xué)生必須掌握的最基本電學(xué)實(shí)驗(yàn)技能之一,要求能夠?qū)崿F(xiàn)在0～3.8 V的范圍內(nèi)對(duì)小燈泡的電壓進(jìn)行測(cè)量,故滑動(dòng)變阻器用分壓式接法,小燈泡為小電阻,電流表用外接法,特別是給出的電壓表量程只有3 V,需要串聯(lián)一個(gè)定值電阻R0改裝后擴(kuò)大量程再進(jìn)行測(cè)量,這是本問的一個(gè)易錯(cuò)點(diǎn)，如圖6所示．

第(2)問和第(3)問均考查學(xué)生根據(jù)圖像分析和處理數(shù)據(jù)的能力．第(2)問中由I-U圖像可知,切線的斜率在減小(斜率的大小不等于小燈泡的電阻,但可以定性地反映電阻大小的變化趨勢(shì)),故燈泡的電阻隨電流的增大而減小,再由電阻定律R=ρL/S可知,電阻率增大;第(3)問中當(dāng)滑動(dòng)變阻器的阻值調(diào)至最大9Ω時(shí),電路的電流最小,燈泡的實(shí)際功率最小,根據(jù)閉合電路歐姆定律有

E=U+I(r+R),

得U=10I+4,在圖中作出該U-I圖線(直線)如圖7所示,交點(diǎn)坐標(biāo)約為U=1.75V,I=225mA,求得P1=UI=0.39W.

圖7

由E=U+I(r+R)整理得

當(dāng)直線的斜率最大時(shí),與燈泡的I-U曲線的交點(diǎn)坐標(biāo)最大,即燈泡消耗的功率最大．當(dāng)滑動(dòng)變阻器電阻值R=0時(shí),燈泡消耗的功率最大,此時(shí)交點(diǎn)坐標(biāo)為U=3.67V,I=0.32A,如圖8所示,最大的功率為P2=UI=1.17W．

圖8

《考試說明(全國(guó)卷)》中列出的電學(xué)考點(diǎn)有5個(gè):測(cè)定金屬的電阻率(同時(shí)練習(xí)使用螺旋測(cè)微器) 、描繪小電珠的伏安特性曲線、測(cè)定電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)、練習(xí)使用多用電表、傳感器的簡(jiǎn)單使用等．高考復(fù)習(xí)中要強(qiáng)化這些實(shí)驗(yàn)的復(fù)習(xí),要開放學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室,讓學(xué)生進(jìn)實(shí)驗(yàn)室重溫實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作,熟悉各種實(shí)驗(yàn)器材的使用．實(shí)驗(yàn)題中的實(shí)物連線,實(shí)驗(yàn)步驟排序、故障分析與排除、錯(cuò)誤的糾正以及實(shí)驗(yàn)注意點(diǎn)和誤差分析等，這些都是實(shí)際操作的全真模擬,如果學(xué)生沒有動(dòng)手做過這些實(shí)驗(yàn)就很難答好這些問題．

2 重視演示實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí),提高觀察和分析能力

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》指出:“應(yīng)發(fā)掘?qū)嶒?yàn)在培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問題能力方面的潛在價(jià)值．教師可在一些物理實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)設(shè)某種情境,讓學(xué)生在觀察和體驗(yàn)后有所發(fā)現(xiàn)、有所聯(lián)想,萌發(fā)出科學(xué)問題,還可在實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)設(shè)一些任務(wù),讓學(xué)生在完成任務(wù)中運(yùn)用科學(xué)思維,自己提煉出應(yīng)探究的科學(xué)問題．”

高中物理電學(xué)演示實(shí)驗(yàn)就是為了將抽象的電學(xué)形象化,每一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)都是配合某一個(gè)教學(xué)章節(jié)而存在的,演示實(shí)驗(yàn)的目的就是引導(dǎo)學(xué)生觀察、思考、分析,更好地理解和掌握該實(shí)驗(yàn)所體現(xiàn)的物理知識(shí),學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)的方法,并使用這些知識(shí)去解釋觀察到的物理現(xiàn)象,對(duì)日常生活中的一些現(xiàn)象進(jìn)行解釋,領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)時(shí)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度．高中物理電學(xué)演示實(shí)驗(yàn)很多,高考試題很多都是根據(jù)演示實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ透木幎傻模?017年海南卷第4、8題,2017年上海卷第11題,浙江卷第9題,江蘇卷第7題等．

例3.[2017年浙江卷第21題(加試題)](1)為完成“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數(shù)的關(guān)系”實(shí)驗(yàn),必須要選用的是________(多選)．

(A) 有閉合鐵芯的原副線圈.

(B) 無鐵芯的原副線圈.

(C) 交流電源.

(D) 直流電源.

(E) 多用電表(交流電壓擋).

(F) 多用電表(交流電流擋).

用匝數(shù)na=60匝和nb=120匝的變壓器,實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)如表1.

表1

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)可判斷連接電源的線圈是________(填na或nb)

圖9

(2) 如圖9所示的裝置做“探究感應(yīng)電流方向的規(guī)律”實(shí)驗(yàn),磁體從靠近線圈的上方靜止下落．當(dāng)磁體運(yùn)動(dòng)到如圖9所示的位置時(shí),流過線圈的感應(yīng)電流方向從________(填“a到b”或“b到a”)．在磁體穿過整個(gè)線圈的過程中,傳感器顯示的電流i隨時(shí)間t的圖像應(yīng)該是圖10中的________．

圖10

這兩條高考實(shí)驗(yàn)題均是改編課本中的演示實(shí)驗(yàn)而成的．第(1)小題是交變電流中“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數(shù)的關(guān)系”的演示實(shí)驗(yàn),需要學(xué)生理解變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理,如果復(fù)習(xí)時(shí)學(xué)生能夠回歸課本,再去閱讀課本中關(guān)于該演示實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容,就能很容易解答出該問題．第(2)小問是電磁感應(yīng)部分“探究感應(yīng)電流方向的規(guī)律”的演示實(shí)驗(yàn)改編,實(shí)際涉及兩個(gè)內(nèi)容:一是感應(yīng)電流的方向判斷;二是感應(yīng)電流大小的決定因素．如果學(xué)生對(duì)課本中研究“楞次定律”和“法拉第電磁感應(yīng)定律”部分的兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)很熟悉,本題也能夠很好地解決．

課本中電學(xué)演示實(shí)驗(yàn)很多,例如，探究電容器電容大小的決定因素、閉合電路的歐姆定律、探究安培力的大小和方向、電磁感應(yīng)產(chǎn)生的條件、自感等．但是在高三復(fù)習(xí)中我們教師組織教學(xué)時(shí),往往是突出基本概念、規(guī)律理解和應(yīng)用,在組織實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)時(shí)也很少甚至忽略了演示實(shí)驗(yàn)的復(fù)習(xí)．而實(shí)際上對(duì)演示實(shí)驗(yàn)的復(fù)習(xí)不僅能進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生對(duì)物理概念和規(guī)律的理解,提高學(xué)生應(yīng)用規(guī)律解決物理問題的能力,還可以進(jìn)一步提高學(xué)生的觀察和分析能力．

3 梳理課本小實(shí)驗(yàn)、小制作,提高實(shí)踐和應(yīng)用能力

高中物理課本人教版中有兩個(gè)欄目“做一做”和“科學(xué)漫步”,教科版中有一個(gè)欄目“發(fā)展空間”,其中包含了很多小實(shí)驗(yàn)、小制作的內(nèi)容,這些內(nèi)容重點(diǎn)就是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)所學(xué)物理知識(shí)的實(shí)踐和應(yīng)用能力,除了在新授課教學(xué)過程中要指導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手完成外,在高三物理復(fù)習(xí)中也要幫助學(xué)生進(jìn)行梳理,以提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力．

圖11

例4.(2017年江蘇卷第7題)某音響電路的簡(jiǎn)化電路圖如圖11所示,輸入信號(hào)既有高頻成分,也有低頻成分,則

(A) 電感L1的作用是通高頻.

(B) 電容G2的作用是通高頻.

(C) 揚(yáng)聲器甲用于輸出高頻成分.

(D) 揚(yáng)聲器乙用于輸出高頻成分.

本題原型來自于課本選修3-2“交流電”章節(jié)中“電容器、電感器在交流電路中的作用”部分,教科版選修3-2第47頁“發(fā)展空間”中“電感器和電容器的配合使用”的內(nèi)容:在電子技術(shù)中常將電容器和電感器配合使用,設(shè)計(jì)成不同性能的LC電路．

這些內(nèi)容在教科書中有很多,例如,人教版選修3-1“做一做”和“科學(xué)漫步”欄目有:用傳感器在計(jì)算機(jī)上觀察電容器的放電、密立根實(shí)驗(yàn)——電子電荷量的測(cè)定、范德格拉夫靜電加速器、驗(yàn)證環(huán)形電流的磁場(chǎng)、用磁傳感器研究磁場(chǎng)、旋轉(zhuǎn)的液體、課題研究——霍爾效應(yīng)等;教科版選修3-2“發(fā)展空間”欄目有:法拉第圓盤發(fā)電機(jī)、利用溫度傳感器制作水開關(guān)音樂告知器、用光敏電阻制作自動(dòng)調(diào)光臺(tái)燈等．

4 突出設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí),提高創(chuàng)新思維能力

《考試說明》中對(duì)實(shí)驗(yàn)與探究能力提出:“能運(yùn)用已學(xué)過的物理理論、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)儀器去處理問題,包括簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)”．高考實(shí)驗(yàn)考查能力較高,僅僅能獨(dú)立完成大綱規(guī)定的實(shí)驗(yàn),知道怎樣做還不夠,還應(yīng)該搞清楚為什么要這樣做,要真正領(lǐng)會(huì)其中的實(shí)驗(yàn)方法,并會(huì)將這些方法遷移到新的情景中去,在新的情景中加以應(yīng)用．高考物理實(shí)驗(yàn)試題的設(shè)計(jì) “來源于教材而不拘泥于教材”,復(fù)習(xí)中不能僅僅照搬課本實(shí)驗(yàn),要注意拓展和變化,突出實(shí)驗(yàn)方法的遷移,只有真正理解了實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法,才能達(dá)到靈活運(yùn)用學(xué)過的物理理論、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)儀器去處理實(shí)驗(yàn)相關(guān)問題的能力．在實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)中通過找各實(shí)驗(yàn)中的思維方法,能夠讓這些思維方法深入學(xué)生的腦海中,并用于那些可能遇到的探索型高考物理實(shí)驗(yàn)題．要強(qiáng)化一些基本的實(shí)驗(yàn)原理和方法,然后變化條件,讓學(xué)生再尋找另外的解決辦法,以此培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新能力．

例5.(2017年江蘇卷第11題)某同學(xué)通過實(shí)驗(yàn)制作一個(gè)簡(jiǎn)易的溫控裝置,實(shí)驗(yàn)原理電路圖如圖12圖所示,繼電器與熱敏電阻R1、滑動(dòng)變阻器R串聯(lián)接在電源E兩端,當(dāng)繼電器的電流超過15 mA時(shí),銜鐵被吸合,加熱器停止加熱,實(shí)現(xiàn)溫控．繼電器的電阻約為20 Ω,熱敏電阻的阻值Rt與溫度t的關(guān)系如表2所示.

圖12

t/℃30.040.050.060.070.080.0 Rt/Ω199.5145.4108.181.862.949.1

(1) 提供的實(shí)驗(yàn)器材有:電源E1(3 V,內(nèi)阻不計(jì))，電源E2(6 V,內(nèi)阻不計(jì))，滑動(dòng)變阻器R1(0～200 Ω)，滑動(dòng)變阻器R2(0～500 Ω)，熱敏電阻Rt,繼電器，電阻箱(0～999.9 Ω)，開關(guān)S，導(dǎo)線若干．

為使該裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)30～80℃之間任一溫度的控制,電源E應(yīng)選用________(選填“E1”或“E2”),滑動(dòng)變阻器R應(yīng)選用________(選填“R1”或“R2”)．

(2) 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電路不工作．某同學(xué)為排查電路故障,用多用電表測(cè)量各接點(diǎn)間的電壓,則應(yīng)將如圖13所示的選擇開關(guān)旋至(選填“A”、“B”、“C”或“D”)

(3) 合上開關(guān)S,用調(diào)節(jié)好的

圖13

多用電表進(jìn)行排查,在圖12中,若只有b、c間斷路,則應(yīng)發(fā)現(xiàn)表筆接入a、b時(shí)指針________(選填“偏轉(zhuǎn)”或“不偏轉(zhuǎn)”),接入a、c時(shí)指針________(選填“偏轉(zhuǎn)”或“不偏轉(zhuǎn)”)．

(4) 排除故障后,欲使銜鐵在熱敏電阻為50℃時(shí)被吸合,下列操作步驟正確順序是(填寫各步驟前的序號(hào))

① 將熱敏電阻接入電路；

② 觀察到繼電器的銜鐵被吸合；

③ 斷開開關(guān),將電阻箱從電路中移除；

④ 合上開關(guān),調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的阻值；

⑤ 斷開開關(guān),用電阻箱替換熱敏電阻,將阻值調(diào)至108.1Ω.

本題改變了傳統(tǒng)的依托“三大”電學(xué)實(shí)驗(yàn)(即電阻的測(cè)量、小燈泡伏安特性的描繪以及測(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻．)為背景的電學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題,是以“溫控裝置”為情境的一道電學(xué)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題,題目具有一定綜合性和創(chuàng)新性,考察了學(xué)生綜合運(yùn)用電學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力．第(1)問考查的知識(shí)點(diǎn)是閉合電路的歐姆定律,考查的能力是學(xué)生分析數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的能力,由表格中數(shù)據(jù)分析當(dāng)溫度為30℃和80℃時(shí)熱敏電阻的阻值以及題中給出的電流數(shù)值,兩次運(yùn)用閉合電路的歐姆定律求得電源電動(dòng)勢(shì)和滑動(dòng)變阻器的阻值,從而選出相應(yīng)的電源和滑動(dòng)變阻器;第(2)問考查的是多用電表的使用;第(3)問考查的是對(duì)電路故障的分析和判斷;第(4)問是考察實(shí)驗(yàn)操作的步驟．

高考中幾乎所有的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)題一般都是在給出實(shí)驗(yàn)器材的前提下進(jìn)行考查,而且都以不同方式或多或少的對(duì)實(shí)驗(yàn)原理作了一定的提示,以此降低一點(diǎn)難度和減少考生做題目時(shí)的盲目性,考查學(xué)生電路計(jì)算、器材選擇、實(shí)物連圖、數(shù)據(jù)處理、綜合構(gòu)思、誤差分析等多方面的分析綜合能力．

參考文獻(xiàn)：

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