基礎(chǔ)與能力兼顧 落實(shí)物理核心素養(yǎng)

洪英蘭 施生晶

《高考考試大綱》要求考查物理的5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(wèn)題能力、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?2021年全國(guó)甲卷電學(xué)實(shí)驗(yàn)題內(nèi)容豐富，對(duì)考生的綜合能力要求較高，試題重視實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)性、實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)等關(guān)鍵能力，很好地考查考生“科學(xué)探究”素養(yǎng)，對(duì)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和高考電學(xué)實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)具有積極導(dǎo)向作用.

一、2021年全國(guó)甲卷實(shí)驗(yàn)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2.5V，額定電流0.3A）

電壓表（量程300mV，內(nèi)阻300Ω）

電流表（量程300mA，內(nèi)阻0.27Ω）

定值電阻R0

滑動(dòng)變阻器R1（阻值0-20Ω）

電阻箱R2（最大阻值9999.9Ω）

電源E（電動(dòng)勢(shì)6V，內(nèi)阻不計(jì)）

開(kāi)關(guān)S、導(dǎo)線若干.

完成下列填空：

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

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

（3）在流過(guò)電流表的電流較小時(shí)，將電阻箱R2的阻值置零，改變滑動(dòng)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(guò)電流表的電流為10mA時(shí)，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(shí)對(duì)應(yīng)于小燈泡兩端的電壓為3V，該同學(xué)經(jīng)計(jì)算知，應(yīng)將R2的阻值調(diào)整為Ω.然后調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R1，測(cè)得數(shù)據(jù)如表1所示.

表1

U/mV24.046.076.0110.0128.0152.0184.0216.0250.0I/mA140.0160.0180.0200.0220.0

240.0260.0280.0300.0

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

（6）該同學(xué)觀測(cè)到小燈泡剛開(kāi)始發(fā)光時(shí)流過(guò)電流表的電流為160mA，可得此時(shí)小燈泡電功率P1=W（保留2位有效數(shù)字）;當(dāng)流過(guò)電流表的電流為300mA時(shí)，小燈泡的電功率為P2，則P2P1=（保留至整數(shù)）.

命題意圖 試題要求考生用伏安法，測(cè)量小燈泡工作時(shí)的實(shí)際電壓U與電流I，利用U-I圖像和列表法求小燈泡實(shí)際電阻和實(shí)際功率.命題者創(chuàng)設(shè)情境：提供電壓表的2個(gè)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(kuò)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(diǎn)與歐姆定律等知識(shí)解決問(wèn)題，考查考生對(duì)基本概念和規(guī)律的理解，很好地實(shí)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(diǎn)，考查考生邏輯推理能力.

圖3

小燈泡的額定電壓2.5V，可判斷AB部分（見(jiàn)圖3）并聯(lián)電壓范圍，0

（2）考查控制電路——滑動(dòng)變阻器分壓式特點(diǎn).

描繪小燈泡U-I曲線，電壓應(yīng)從0開(kāi)始測(cè)量，滑動(dòng)變阻器采用分壓式接法，閉合開(kāi)關(guān)前，滑動(dòng)變阻器的滑片置于的a端，接入電壓為0;

（3）考查測(cè)量電路，考查考生分析和處理誤差的能力.

根據(jù)小燈泡的銘牌，知正常發(fā)光的電阻R燈=U額I額=2.50.3=8.3（Ω），將電阻箱R2調(diào)為零，因RVR燈=3008.3=36，判斷RVR燈，電壓表在AB部分分流作用很小，可怱略不計(jì)，電流表示數(shù)近似等于通過(guò)小燈泡的電流.

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

圖4

根據(jù)圖2坐標(biāo)系內(nèi)描出的點(diǎn)，畫(huà)U-I曲線（見(jiàn)圖4），讀出小燈泡電流為10mA時(shí)，電壓為7mV，利用歐姆定律R=U實(shí)I實(shí)=7×10-310×10-3=0.7Ω.

（4）考查改裝電壓表的能力，考查運(yùn)用數(shù)學(xué)推理運(yùn)算能力，題中提供的電壓表（量程300mV，內(nèi)阻300Ω）參數(shù)，電壓表量程300mV（0.3V）太小，需要擴(kuò)大量程;題中要求電壓表滿量程（0.3V）時(shí)對(duì)應(yīng)于小燈泡兩端的電壓為3 V時(shí)， 電壓表量程擴(kuò)大n=3V0.3V=10倍;分析R2分擔(dān)最大電壓U2=3-0.3=2.7（V）（見(jiàn)圖1），根據(jù)串聯(lián)電路特點(diǎn)I=U2R2=UVRV，代入數(shù)據(jù) 2.7R2=0.3300，求得R2=2700Ω.

（5）考查考生從圖像獲取信息、分析數(shù)據(jù)能力.

圖線上的點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)連線用光滑的曲線處理數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖5），U-I圖線上的點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)連線的斜率表示燈泡的電阻，因斜率增大燈絲的電阻增大;根據(jù)表（見(jiàn)題目）中U、I測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算UI的值，發(fā)現(xiàn)電阻變大的規(guī)律，判斷燈絲的電阻增大.

圖5

（6）考查考生處理數(shù)據(jù)能力.

分析表中數(shù)據(jù)：I1=160mA，電壓表示數(shù)U1′=46mV，因改裝后電壓表量程擴(kuò)大10倍，判斷小燈泡兩端電壓U1=0.46A，小燈泡實(shí)際功率P1=U1I1=0.46×0.16≈0.074（W）;同理，I2=300mA， U1′=250mV時(shí)，小燈泡兩端電壓U2=2.5V，小燈泡電功率P2=U2I2=2.5×0.3=0.75（W），求得P2P1=0.750.074=10.

啟示 試題沒(méi)有復(fù)雜的背景，對(duì)知識(shí)點(diǎn)覆蓋全面，設(shè)問(wèn)層層遞進(jìn)，具有很強(qiáng)“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(shí)驗(yàn)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(jìn)行遷移，要利用串并聯(lián)電路、歐姆定律等基本原理，對(duì)電表進(jìn)行改裝，會(huì)利用題中測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)問(wèn)題計(jì)算.試題很好地考查考生的邏輯思維和運(yùn)用數(shù)學(xué)處理數(shù)據(jù)等能力，很好落實(shí)物理學(xué)科的學(xué)科素養(yǎng).

二、教學(xué)建議

電學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，考查比較綜合全面，對(duì)考生的綜合能力要求較高， 從歷年考生反饋：實(shí)驗(yàn)是考生失分較多的題目，得分率相對(duì)偏低，因此電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和高三備考的過(guò)程中，師生要注重電學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本知識(shí)、基本方法，找出規(guī)律，進(jìn)行歸類整理，要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(duì)性和實(shí)效性.

1.重視基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)技能

考綱要求考生掌握5個(gè)基礎(chǔ)電學(xué)實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)表2），考生要能獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，要在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中提高發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題等能力，提升物理學(xué)科素養(yǎng).

表2

序號(hào)基礎(chǔ)電學(xué)實(shí)驗(yàn)理論基礎(chǔ)

實(shí)驗(yàn)技能

1測(cè)定金屬的電阻率

測(cè)電阻、電阻定律、歐姆定律

電流表的接法，滑動(dòng)變阻器限流式接法，電流表、電壓表的讀數(shù)，螺旋測(cè)微器的讀數(shù)

2描繪小燈珠的伏安特性曲線測(cè)電流、電壓電流表的接法，滑動(dòng)變阻器分壓式接法，電流表、電壓表的讀數(shù)，畫(huà)U-I圖像及圖像含義

3測(cè)定電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻閉合電路的歐姆定律電流表的接法，電流表、電壓表的讀數(shù)，公式法和圖像法求E和r的特點(diǎn)，誤差的分析是難點(diǎn)

4多用電表的原理及使用串聯(lián)、并聯(lián)電路的特點(diǎn)，部分、閉合電路的歐姆定律三表（電流表、電壓表、歐姆表）的結(jié)構(gòu)、原理、讀數(shù)、使用

5傳感器的簡(jiǎn)單應(yīng)用各類傳感器的特性利用傳感器的電學(xué)性質(zhì)設(shè)計(jì)電路

高考試題在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行變換、組合、改進(jìn)、創(chuàng)新與拓展，考生要對(duì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)原理理解透徹，對(duì)電學(xué)儀器構(gòu)造、性能、原理等了如指掌，就能熟練使用、讀數(shù)，不斷提高實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力、提高基本的實(shí)驗(yàn)技能.

2.加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)電路的復(fù)習(xí)

電學(xué)實(shí)驗(yàn)電路主要由控制電路和測(cè)量電路組成.控制電路涉及到滑動(dòng)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.如：2021全國(guó)甲卷，2016全國(guó)卷Ⅰ、2017全國(guó)卷Ⅱ、2018全國(guó)卷Ⅰ，考生只要熟悉兩種接法的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)要求，進(jìn)行正確儀器連接，問(wèn)題便可迎刃而解.測(cè)量電路主要由被測(cè)元件、電流表、電壓表、電阻箱（定值電阻）等構(gòu)成，電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)測(cè)量，核心問(wèn)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(cè)量精度.如：2014全國(guó)卷Ⅱ、 2017全國(guó)卷Ⅰ涉及電流表接法;2015全國(guó)卷Ⅰ、2018全國(guó)卷Ⅱ涉及改裝電流表;2016全國(guó)卷Ⅰ、2017全國(guó)卷Ⅱ、今年全國(guó)甲卷涉及改裝電壓表;2017全國(guó)卷Ⅲ涉及改裝多用電表.

3.加強(qiáng)對(duì)電阻測(cè)量的復(fù)習(xí)

電學(xué)實(shí)驗(yàn)的核心是測(cè)量電阻.測(cè)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(cè)電阻的函數(shù)表達(dá)式，或根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)運(yùn)用數(shù)學(xué)計(jì)算出被測(cè)電阻.如：2017全國(guó)卷Ⅰ，2018全國(guó)卷Ⅲ，涉及利用電表測(cè)電阻;2018全國(guó)卷Ⅰ， 涉及等效替代法測(cè)電阻;2015全國(guó)卷Ⅱ，2016全國(guó)卷Ⅱ， 涉及半偏法測(cè)電阻;2017全國(guó)卷Ⅱ， 涉及電橋電路測(cè)電阻.測(cè)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(duì)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(wèn)題，難度較大.如：2017全國(guó)卷Ⅰ，今年全國(guó)乙卷.

4.加強(qiáng)對(duì)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(xiàng)基本實(shí)驗(yàn)技能.如何記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)？如：不同的電表按照不同規(guī)則進(jìn)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，2017全國(guó)卷Ⅰ、卷Ⅱ、卷Ⅲ，2018全國(guó)卷Ⅰ、卷Ⅱ涉及數(shù)據(jù)的記錄.處理數(shù)據(jù)主要方法有：列表法、計(jì)算法、平均值法、圖像法等.圖像法直觀，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(diǎn)物理意義.如： 2018全國(guó)卷Ⅰ，2021年全國(guó)乙卷，涉及利用圖像處理數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)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(jìn)課程改革的使命，落實(shí)“立德樹(shù)人”任務(wù).教師關(guān)注并研究高考試題的特點(diǎn)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.

（收稿日期：2021-09-12）