王松濤

摘 要：電學(xué)實驗的思想通過電路結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。2014年高考電學(xué)實驗命題的創(chuàng)新設(shè)計首先體現(xiàn)在電路結(jié)構(gòu)和原理的變化上，而電路結(jié)構(gòu)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(yīng)變化。實驗設(shè)計的簡單創(chuàng)新，其相關(guān)實驗?zāi)芰Φ囊髤s并不簡單。

關(guān)鍵詞：高考；電學(xué)實驗；創(chuàng)新設(shè)計

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

考試大綱對實驗?zāi)芰Φ囊蟀ㄗ寣W(xué)生利用學(xué)過的原理和方法，在題設(shè)的情境下按照題設(shè)的要求獨立設(shè)計實驗方案，恰當(dāng)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(jìn)行實驗誤差分析等。其中特別值得注意的是為了適應(yīng)課程改革的需要，2007年之后考試大綱新增加了“對結(jié)論進(jìn)行分析和評價，包括簡單的設(shè)計性實驗”的內(nèi)容。解讀考試大綱的能力要求對于我們把握實驗教學(xué)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(nèi)阻的實驗。而在這六套試題中，測電源電動勢和內(nèi)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(nèi)阻的實驗是高考實驗考察的重要內(nèi)容?，F(xiàn)以2014年高考對測電源電動勢和內(nèi)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(shè)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(nèi)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(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計的呢？ 電學(xué)實驗的思想通過電路結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，那么高考試題中的電路結(jié)構(gòu)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(nèi)電阻。要求盡量減小實驗誤差。

①應(yīng)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(guān)和導(dǎo)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(yīng)選用________；滑動變阻器應(yīng)選用________。（選填相應(yīng)器材前的字母）

③某位同學(xué)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(yīng)點已經(jīng)標(biāo)在圖2的坐標(biāo)紙上，請標(biāo)出余下一組數(shù)據(jù)的對應(yīng)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(nèi)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(guān)系的是________。

本題第①問考查電流表的內(nèi)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(guān)實驗?zāi)芰M(jìn)行考察，增加的圖1乙中電表位置發(fā)生改變，導(dǎo)致誤差的結(jié)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(nèi)阻?？衫玫钠鞑挠校弘娏鞅鞟，內(nèi)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(guān)S；一端連有鱷魚夾P的導(dǎo)線1，其他導(dǎo)線若干。某同學(xué)設(shè)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(biāo)出導(dǎo)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(yīng)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(biāo)紙上將所缺數(shù)據(jù)點補(bǔ)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(nèi)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(jié)構(gòu)中電表的位置進(jìn)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(nèi)阻測量值就包含了電流表的內(nèi)阻，減去此電流表的內(nèi)阻才能正確得出電源的內(nèi)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(xué)生往往會出現(xiàn)錯誤。

2 電路中加入保護(hù)電阻

2014年福建卷：某研究性學(xué)習(xí)小組利用伏安法測定某一電池組的電動勢和內(nèi)阻，實驗原理如圖7所示。其中，虛線框內(nèi)為用靈敏電流計G改裝的電流表A，V為標(biāo)準(zhǔn)電壓表，E為待測電池組，S為開關(guān)，R為滑動變阻器，R0是標(biāo)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(nèi)阻rg=2.0 kΩ，若要改裝后的電流表滿偏電流為200 mA，應(yīng)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(dǎo)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(yùn)動”實驗中計算加速度的方法（逐差法），計算出電池組的內(nèi)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(chǔ)上，為探究圖7電路中各元器件的實際阻值對測量結(jié)果的影響，用一已知電動勢和內(nèi)阻的標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)阻的測量值總是偏大。若測量過程無誤，則內(nèi)阻測量值總是偏大的原因是________。（填選項前的字母）

A.電壓表內(nèi)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(biāo)稱值偏大

與教材原始實驗對比，福建考題在電路結(jié)構(gòu)的設(shè)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(hù)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(hù)電阻帶來的影響。

2014年海南卷：用伏安法測量一電池的內(nèi)阻。已知該待測電池的電動勢E約為9 V，內(nèi)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(guān)S；導(dǎo)線若干。

測量數(shù)據(jù)如坐標(biāo)紙上U-I圖線所示。

①在答題卡相應(yīng)的虛線方框內(nèi)畫出合理的電路原理圖，并標(biāo)明所選器材的符號。

②在設(shè)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(nèi)阻為 Ω。

④在你設(shè)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(dāng)了保護(hù)電阻，但與福建考題不同的是保護(hù)電阻的位置不同。本題電路設(shè)計的要點在于對保護(hù)電阻的分析判斷，包括需不需要保護(hù)電阻的判斷、保護(hù)電阻的選擇和保護(hù)電阻位置的確定。

2014年上海卷：在“用DIS測電源電動勢和內(nèi)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(dǎo)線連接成電路如圖11所示，圖中未接導(dǎo)線的A端應(yīng)接在____點（選填：“B”、“C”、“D”或“E”）。

②實驗得到的U-I關(guān)系如圖12中的直線I所示，則電池組的電動勢為____V，內(nèi)電阻阻值為____Ω。

③為了測量定值電阻的阻值，應(yīng)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(guān)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(jìn)行實驗，但其物理實質(zhì)仍然是伏安法測電源電動勢和內(nèi)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(hù)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(hù)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(hù)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(xué)實驗來說，在給定實驗?zāi)康牡臈l件下這種變化首先體現(xiàn)在電路結(jié)構(gòu)和原理的變化上。通過總結(jié)2014年高考對測電源電動勢和內(nèi)阻實驗的考察來看，電路結(jié)構(gòu)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(hù)電阻后保護(hù)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(shè)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(shè)計實驗”的體現(xiàn)。但是，電路結(jié)構(gòu)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(yīng)變化，這就要求考生能隨考題情境的改變靈活應(yīng)對，恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行知識遷移以解決新的問題。因此，所謂實驗設(shè)計的簡單創(chuàng)新，其相關(guān)實驗?zāi)芰Φ囊髤s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(yùn)含有創(chuàng)新的思想，背實驗只會讓學(xué)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(xué)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(qiáng)化學(xué)生基本的實驗技能，同時又要適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行變化以培養(yǎng)學(xué)生的知識遷移能力和創(chuàng)新思維能力。

（欄目編輯 陳 潔）