李勝?gòu)?qiáng)

(江蘇省鄭集高級(jí)中學(xué)城區(qū)校區(qū) 221116)

原題研究小組利用下表中的實(shí)驗(yàn)器材測(cè)量電流表A1的內(nèi)阻r1.

器材規(guī)格電流表A1量程為10 mA,內(nèi)阻r1待測(cè)(約為40 Ω)電流表A2量程為500μA,內(nèi)阻r2=750 Ω電壓表V量程為6 V,內(nèi)阻r3=3 kΩ電阻R1阻值約為100 Ω滑動(dòng)變阻器R2總電阻約為10 Ω電池E電動(dòng)勢(shì)為1.5 V,內(nèi)阻很小開(kāi)關(guān)S,導(dǎo)線(xiàn)若干

(1)兩位同學(xué)分別設(shè)計(jì)了如圖1甲和乙所示電路,小組討論后發(fā)現(xiàn)兩電路均存在問(wèn)題,請(qǐng)指出兩電路存在的問(wèn)題:

(2)另一位同學(xué)對(duì)電路乙進(jìn)行優(yōu)化后做實(shí)驗(yàn),得到若干組數(shù)據(jù),如下表所示.請(qǐng)你根據(jù)數(shù)據(jù)在圖2的坐標(biāo)紙中畫(huà)出I1-I2的關(guān)系圖線(xiàn).

I1/mA2.004.006.007.008.009.00I2/μA110210320370430480

(3)根據(jù)所描圖線(xiàn)可知待測(cè)電流表的內(nèi)阻為_(kāi)___Ω.

(4)請(qǐng)你畫(huà)出優(yōu)化后的電路圖.

第(2)小問(wèn)考查實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力，電流表A1和A2的橫縱坐標(biāo)已經(jīng)建好，要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)合理選擇標(biāo)度，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出六個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)構(gòu)建通過(guò)原點(diǎn)的傾斜直線(xiàn)，根據(jù)所描圖線(xiàn)選擇合適的兩個(gè)點(diǎn)求解出圖像的斜率，進(jìn)而求出待測(cè)電流表的內(nèi)阻.

典型錯(cuò)誤分析第(1)小問(wèn)指出圖1甲乙兩電路存在的問(wèn)題，學(xué)生有以下幾種回答：

①滑動(dòng)變阻器應(yīng)使用限流式接法，

②電壓表會(huì)分流或電流表會(huì)分壓會(huì)造成實(shí)驗(yàn)誤差，

③兩個(gè)電流表不能并聯(lián)只能串聯(lián)，

④大內(nèi)偏大，小外偏小，

⑤電壓表測(cè)量的不是路端電壓，

⑥電流表測(cè)量的不是干路電流，

⑦電流表短路不能測(cè)電壓無(wú)法完成實(shí)驗(yàn)，

⑧測(cè)量值偏大或偏小，

⑨電壓表斷路，電流表短路，

⑩電源電動(dòng)勢(shì)太大或滑動(dòng)變阻器阻值太小.

第(2)小問(wèn)根據(jù)數(shù)據(jù)在圖2的坐標(biāo)紙中畫(huà)出I1-I2的關(guān)系圖線(xiàn)，學(xué)生主要有以下不妥：①橫縱坐標(biāo)缺少單位，②橫縱坐標(biāo)標(biāo)度選擇不合理，③六個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的點(diǎn)跡不清晰，④繪制的圖線(xiàn)未適當(dāng)延長(zhǎng)，讓圖線(xiàn)充滿(mǎn)整個(gè)表格，⑤繪制的圖線(xiàn)未經(jīng)過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，⑥繪制的圖線(xiàn)不是傾斜直線(xiàn)，是折線(xiàn)或曲線(xiàn)，⑦繪制的圖線(xiàn)點(diǎn)跡太粗，覆蓋了原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，⑧看錯(cuò)坐標(biāo)，將I1-I2的關(guān)系圖線(xiàn)繪制成I2-I1的關(guān)系圖線(xiàn)，⑨繪制的圖線(xiàn)沒(méi)有滿(mǎn)足絕大多數(shù)點(diǎn)分別在圖線(xiàn)上，不在圖線(xiàn)上的均勻分別在兩側(cè)，⑩定值電阻未使用.

核心素養(yǎng)分析物理學(xué)科的核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)態(tài)度和責(zé)任.“物理觀念”包括物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)觀念、相互作用觀念、能量觀念及其應(yīng)用等要素.“科學(xué)思維”主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.本題要求結(jié)合實(shí)驗(yàn)器材測(cè)量電流表A1的內(nèi)阻r1，實(shí)驗(yàn)原理屬于伏安法測(cè)電阻，只要盡可能精準(zhǔn)測(cè)量電流和電壓即可，而電流表A1的作用價(jià)值之一就是測(cè)量自身電流，故只需要用合適的電壓表測(cè)量電流表A1的電壓即可.圖1甲中實(shí)驗(yàn)原理是可行的，只是電壓表的量程不合適而已，本實(shí)驗(yàn)又沒(méi)有合適的電壓表可以直接應(yīng)用，圖1乙中電流表A2的作用價(jià)值和圖1甲中電壓表是一樣的，只是電流表A1和電流表A2的量程都太小，不便于實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行.本題要求學(xué)生能僅僅抓住伏安法測(cè)電阻的原理，選擇合適的電路和電表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)圖1甲和圖1乙兩電路存在問(wèn)題的問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)論證，通過(guò)模型建構(gòu)、科學(xué)推理指出圖1甲和圖1乙兩電路不合理的地方，并通過(guò)質(zhì)疑創(chuàng)新對(duì)乙電路進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的途徑很多：一是對(duì)電源進(jìn)行優(yōu)化(減小電源的電動(dòng)勢(shì))，二是對(duì)滑動(dòng)變阻器進(jìn)行優(yōu)化(增大滑動(dòng)變阻器的阻值)，三是對(duì)定值電阻的分壓作用進(jìn)行優(yōu)化(直接分電源的電壓或者分分壓式電路的電壓)，四是對(duì)電路進(jìn)行整體優(yōu)化.本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)很好的體現(xiàn)了核心素養(yǎng)對(duì)科學(xué)思維的考查.

“實(shí)驗(yàn)探究”主要包括問(wèn)題、證據(jù)、解釋、交流等要素.本實(shí)驗(yàn)首先提出問(wèn)題——利用表中的實(shí)驗(yàn)器材測(cè)量電流表A1的內(nèi)阻r1，接著對(duì)兩位同學(xué)設(shè)計(jì)的圖1甲和圖1乙兩電路存在問(wèn)題進(jìn)行解釋、交流和優(yōu)化，這考查了學(xué)生的分析問(wèn)題的能力和對(duì)比意識(shí)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解強(qiáng)化了伏安法測(cè)電阻的變式思維.通過(guò)對(duì)兩個(gè)方案的比較以及原題提供的實(shí)驗(yàn)器材的逐一篩查，發(fā)現(xiàn)定值電阻還沒(méi)有使用，通過(guò)自我交流和物理思考，體會(huì)定值電阻的分壓作用，一個(gè)小小的定值電阻解決了實(shí)驗(yàn)的安全問(wèn)題.

“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”主要包括科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、科學(xué)倫理、STSE等要素.本實(shí)驗(yàn)的科學(xué)本質(zhì)是伏安法測(cè)電阻，通過(guò)對(duì)圖1甲乙兩實(shí)驗(yàn)方案的問(wèn)題分析考查學(xué)生的科學(xué)態(tài)度，要求學(xué)生能基于事實(shí)，結(jié)合電源的電動(dòng)勢(shì)以及滑動(dòng)變阻器的分壓作用體會(huì)控制電路的電壓的變化情況，結(jié)合電流表A1、電流表A2以及電壓表的具體參數(shù)體會(huì)量程問(wèn)題，對(duì)于電源電壓過(guò)大而電表量程較小的問(wèn)題，只能選擇合適的定值電阻分壓來(lái)解決問(wèn)題，這都體現(xiàn)了對(duì)學(xué)生科學(xué)態(tài)度和科學(xué)倫理的考查.

本題不難、不偏、不怪，除考查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的基本素養(yǎng)，還考查了學(xué)生對(duì)伏安法的深入理解，同時(shí)考查了“實(shí)驗(yàn)探究”中的問(wèn)題、證據(jù)、解釋、交流等要素，“科學(xué)思維”中的模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素，“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”中的科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、科學(xué)倫理、STSE等要素，是一道可遇不可求的好題.