時(shí)迎彪

(山東省鄒城市第一中學(xué),山東鄒城 273500)

“簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)”是高考物理考試說明對(duì)考生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ拿鞔_要求.筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn):學(xué)生應(yīng)對(duì)高考題中的“簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”時(shí),感到不是很簡(jiǎn)單;教師在高考復(fù)習(xí)中對(duì)“簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)”指導(dǎo)也感覺不容易.全國(guó)高考試題中對(duì)實(shí)驗(yàn)的考查也在逐步轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),它必將是今后高考物理實(shí)驗(yàn)命題的熱點(diǎn).如何更好地指導(dǎo)考生做好設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題目,是擺在中學(xué)教學(xué)面前的一個(gè)難題,筆者愿與各位同仁一起探討這一問題.

最近3年的各地高考題中,設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)頻頻出現(xiàn),題目如表1所示.

表1

我們先來認(rèn)識(shí)一下設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),及其設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)思路.

1 什么是設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn),是依據(jù)課本中已經(jīng)出現(xiàn)過的物理實(shí)驗(yàn)的基本原理、所使用的基本器材、以及在這些實(shí)驗(yàn)中學(xué)過的有關(guān)方法等,根據(jù)提供有關(guān)的實(shí)驗(yàn)器材以及實(shí)驗(yàn)要求,去設(shè)計(jì)一些新的實(shí)驗(yàn)方案,并按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及要求,完成實(shí)驗(yàn)有關(guān)內(nèi)容.

2 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則

(1)合理性原則:實(shí)驗(yàn)方案所依據(jù)的原理應(yīng)當(dāng)符合物理學(xué)的基本原理,實(shí)驗(yàn)裝置或電路能夠圓滿完成實(shí)驗(yàn)的要求.

(2)安全性原則:實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的過程中不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置和器材造成損壞,不會(huì)對(duì)人身造成危害.如每個(gè)電路元件上的電流、電壓、電功率不超過元件的額定值,電源的電流不能超過電源允許輸出的最大電流,電壓表、電流表不能超過其量程.

(3)準(zhǔn)確性原則:根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要,選用精度合適的測(cè)量工具,但對(duì)某個(gè)實(shí)驗(yàn)來講,精確程度夠用即可,并不是精度越高越好.對(duì)各種電表,一般要求它的實(shí)際讀數(shù)不小于量程的使用歐姆表盡可能使指針在中心刻度附近;為減少測(cè)量的影響,應(yīng)選擇內(nèi)阻較小的電流表和內(nèi)阻較大的電壓表.

(4)方便性原則:實(shí)驗(yàn)時(shí)需考慮調(diào)節(jié)方便,便于操作,如滑動(dòng)變阻器的選擇,既要考慮它的額定電流,又要考慮它有阻值范圍,在兩者都能滿足實(shí)驗(yàn)要求的情況下,還要考慮阻值大小對(duì)實(shí)驗(yàn)操作中是否調(diào)節(jié)方便的影響.

3 設(shè)計(jì)思路

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程可用圖1表示.

圖1

解決設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)問題的關(guān)鍵是確定實(shí)驗(yàn)原理,它是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的根本依據(jù)和起點(diǎn),它決定應(yīng)當(dāng)測(cè)量那些物理量、如何安排實(shí)驗(yàn)步驟、如何處理數(shù)據(jù)等.實(shí)驗(yàn)原理的確定,要根據(jù)問題的要求和給出的條件,回顧分組實(shí)驗(yàn)和演示實(shí)驗(yàn),尋找能夠遷移應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)原理,或者回顧物理原理,尋找有關(guān)的物理規(guī)律,設(shè)法創(chuàng)設(shè)相關(guān)的物理情景,并根據(jù)已掌握的基本儀器核對(duì)是否能夠測(cè)出必須測(cè)定的物理量.因此,掌握基本儀器的使用方法、基本的實(shí)驗(yàn)方法和基本物理原理是解答設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)題的基礎(chǔ).

4 典例分析

例1.(2009年寧夏卷第23題)青島奧運(yùn)會(huì)帆船賽場(chǎng)采用風(fēng)力發(fā)電給蓄電池充電,為路燈提供電能.用光敏電阻作為傳感器控制路燈電路的開關(guān),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制.光敏電阻的阻值隨照射光的強(qiáng)弱而變化,作為簡(jiǎn)化模型,可以近似認(rèn)為,照射光較強(qiáng)(如白天)時(shí)電阻幾乎為0,照射光較弱(如黑天)時(shí)電阻接近于無窮大.利用光敏電阻作為傳感器,借助電磁開關(guān),可以實(shí)現(xiàn)路燈自動(dòng)在白天關(guān)閉,黑天打開.電磁開關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示.1、2兩接線柱之間是勵(lì)磁線圈,3、4兩接線柱分別與彈簧片和觸點(diǎn)連接.當(dāng)勵(lì)磁線圈中電流大于50 mA時(shí),電磁鐵吸合鐵片,彈簧片和觸點(diǎn)分離,3、4斷開;電流小于50 mA時(shí),3、4接通.勵(lì)磁線圈中允許通過的最大電流為100 mA.

利用以下器材設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)控制路燈的電路,畫出電路原理圖.

光敏電阻 R1,符號(hào) ;燈泡 L,額定功率40 W,額定電壓36 V,符號(hào)?;保護(hù)電阻 R2,符號(hào) ;電磁開關(guān),符號(hào) ;蓄電池 E,電壓36 V,內(nèi)阻很小;開關(guān)S;導(dǎo)線若干.

圖2

答案:(1)電路原理如圖3所示.

解析:要使光敏電阻能夠?qū)﹄娐愤M(jìn)行控制,且有光照時(shí)路燈熄滅,光敏電阻應(yīng)與1,2串聯(lián),3,4與路燈串聯(lián);則電路圖如圖3所示.

此例題中,光敏電阻和電磁開關(guān)相結(jié)合,完成電路設(shè)計(jì),學(xué)生在應(yīng)對(duì)時(shí)也需細(xì)心思考.

例2.(2009年山東卷第23題)為了節(jié)能和環(huán)保,一些公共場(chǎng)所使用光控開關(guān)控制照明系統(tǒng).光控開頭可采用光敏電阻來控制,光敏電阻是阻值隨著光的照度而發(fā)生變化的元件(照度可以反映光的強(qiáng)弱,光越強(qiáng)照度越大,照度單位為lx).某光敏電阻Rp在不同照度下的阻值表2.

圖3

表2

如圖4所示,當(dāng)1、2兩端所加電壓上升至2 V時(shí),控制開關(guān)自動(dòng)啟動(dòng)照明系統(tǒng),請(qǐng)利用下列器材設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單電路.給1、2兩端提供電壓,要求當(dāng)天色漸暗照度降低至1.0lx時(shí)啟動(dòng)照明系統(tǒng),在虛線框內(nèi)完成電路原理圖.(不考慮控制開關(guān)對(duì)所設(shè)計(jì)電路的影響)

提供的器材如下:

光敏電源 E(電動(dòng)勢(shì)3 V,內(nèi)阻不計(jì));定值電阻:R1=10 kΩ,R2=20 kΩ,R3=40 kΩ(限選其中之一并在圖中標(biāo)出);開關(guān)S及導(dǎo)線若干.

圖4

圖5

答案:電路原理圖如圖5所示.

解析:給1、2兩端提供電壓,要求當(dāng)天色漸暗照度降低至1.0lx時(shí)啟動(dòng)照明系統(tǒng),即此時(shí)光敏電阻阻值為20 kΩ,兩端電壓為2 V,電源電動(dòng)勢(shì)為3 V,所以應(yīng)加上一個(gè)分壓電阻,分壓電阻阻值為10 kΩ,即選用 R1.

例3.(2008年上海卷第18題)某學(xué)生利用圖6(a)所示的電路研究燈泡 L1(6 V,1.5 W)、L2(6 V,10 W)的發(fā)光情況(假設(shè)燈泡電阻恒定),圖6(b)為實(shí)物圖.

圖6

(1)他分別將L1、L2接入圖6(a)中的虛線框位置,移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片P,當(dāng)電壓表示數(shù)為6 V時(shí),發(fā)現(xiàn)燈泡均能正常發(fā)光.在圖6(b)中用筆線代替導(dǎo)線將電路連線補(bǔ)充完整.

(2)接著他將L1和 L2串聯(lián)后接入圖6(a)中的虛線框位置,移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片 P,當(dāng)電壓表示數(shù)為6 V時(shí),發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)燈泡亮而另一個(gè)燈泡不亮,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是________.

現(xiàn)有如下器材:電源 E(6 V,內(nèi)阻不計(jì)),燈泡L1(6 V,1.5 W)、L2(6 V,10 W),L2(6 V,10 W),單刀雙擲開關(guān) S.在圖6(c)中設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)動(dòng)車轉(zhuǎn)向燈的控制電路:當(dāng)單刀雙擲開關(guān)S與1相接時(shí),信號(hào)燈 L1亮,右轉(zhuǎn)向燈 L2亮而左轉(zhuǎn)向燈L3不亮;當(dāng)單刀雙擲開關(guān)S與2相接時(shí),信號(hào)燈L1亮,左轉(zhuǎn)向燈L3亮而右轉(zhuǎn)向燈 L2不亮.

答案:(1)如圖7.

(2)由于 RL1比RL2小得多,燈泡L2分得的電壓很小,雖然有電流流過,但功率很小,不能發(fā)光.

圖7

圖8

(3)如圖8.

解析:本例題中第2個(gè)問題是對(duì)第3問題中設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的一個(gè)提示,如果沒有第2問作鋪墊,第3問的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)考生來講將更加困難.

5 應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題目的策略

完整的設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn),要經(jīng)歷多個(gè)環(huán)節(jié),在實(shí)際考查中,一般不會(huì)考查全部環(huán)節(jié),而是只考查其中的幾個(gè)環(huán)節(jié),有的題目給出條件和實(shí)驗(yàn)器材,要求闡述實(shí)驗(yàn)原理;有的給出實(shí)驗(yàn)電路圖,要求領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)原理,確定需測(cè)物理量及計(jì)算公式;有的則要求考生根據(jù)操作步驟及測(cè)定的物理量判斷出實(shí)驗(yàn)原理……雖然考查方式不盡相同,但目前高考中幾乎所有的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)題都有一個(gè)共同點(diǎn),都是在給出實(shí)驗(yàn)器材的前提下進(jìn)行考查的,而且都以不同方式或多或少的對(duì)實(shí)驗(yàn)原理作一定的提示.

為更好的讓學(xué)生在高考中從容應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)問題,我們緊跟課程改革步伐,認(rèn)真研讀新課標(biāo)要求,領(lǐng)悟新課標(biāo)理念,落實(shí)新課標(biāo)精神,加強(qiáng)設(shè)計(jì)性問題的教學(xué).首先,要加強(qiáng)課本中已有實(shí)驗(yàn)的教學(xué),讓學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理,領(lǐng)悟?qū)嶒?yàn)思想,掌握實(shí)驗(yàn)方法.其次,要結(jié)合教學(xué)內(nèi)容,不斷提出有價(jià)值的設(shè)計(jì)性問題,讓學(xué)生利用已有的實(shí)驗(yàn)器材、儀器設(shè)備,或身邊的物品和器具,設(shè)計(jì)方案,努力提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力.

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)試題源于教材,又高于教材.我們?cè)谄綍r(shí)的教學(xué)中既要立足于課本,又要不拘泥于課本;既要關(guān)注課本中的實(shí)驗(yàn),又要關(guān)注課本中的理論;既要做好課內(nèi)實(shí)驗(yàn),又要指導(dǎo)學(xué)生開展課外活動(dòng),進(jìn)行方案設(shè)計(jì);要把實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與開展研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)和科學(xué)探究活動(dòng)整合起來;要在做好課本中基本實(shí)驗(yàn)的同時(shí),適時(shí)地對(duì)所做實(shí)驗(yàn)進(jìn)行變化、拓展、引伸;要讓學(xué)生通過實(shí)踐課本中的實(shí)驗(yàn)去獲取重要的原理、方法,并把獲取的原理和方法遷移到新情景中加以應(yīng)用,努力提高學(xué)生的遷移能力.

以上是筆者對(duì)高考中簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一些思考及想法不是很成熟,愿與各位同行一起展開討論.