于海娜 李長(zhǎng)輝

(1. 北京師范大學(xué)密云實(shí)驗(yàn)中學(xué)，北京 101500； 2. 北京市密云區(qū)教師研修學(xué)院，北京 101500)

2020年是北京等級(jí)考的落地之年，物理卷命題進(jìn)一步深化考試內(nèi)容改革，在豐富試題選材范圍、創(chuàng)新試題呈現(xiàn)方式、深化學(xué)科能力考查以及探索核心素養(yǎng)的考查方式等方面進(jìn)行了有益的嘗試，逐步完善命題技術(shù)，提升命題質(zhì)量.北京卷始終把對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ目疾閿[在十分突出的位置，引導(dǎo)中學(xué)物理教學(xué)重視通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和探究能力.本次等級(jí)考涉及到4個(gè)實(shí)驗(yàn)，同歷年高考試題相比，實(shí)驗(yàn)考查分值占比最高，內(nèi)容包含力學(xué)和電學(xué)，實(shí)驗(yàn)類(lèi)型涵蓋學(xué)生實(shí)驗(yàn)和探究活動(dòng).筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)第16題的答案及其分析，從試題命制和今后的教學(xué)兩個(gè)方面進(jìn)行了思考，也為今后復(fù)習(xí)提供了一些思路.

1 試題與解析

原題.用圖1所示的甲、乙兩種方法測(cè)量某電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻(約為1 Ω)，其中R為電阻箱，電流表的內(nèi)電阻約為0.1 Ω，電壓表的內(nèi)電阻約為3 kΩ.

圖1

圖2

(1) 利用圖1中(甲)圖實(shí)驗(yàn)電路測(cè)電源的電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)電阻r,所測(cè)量的實(shí)際是圖2中虛線(xiàn)框所示“等效電源”的電動(dòng)勢(shì)E′和內(nèi)電阻r′．若電流表內(nèi)電阻用RA表示,請(qǐng)你用E、r和RA表示出E′、r′,并簡(jiǎn)要說(shuō)明理由．

圖3

在圖3中,對(duì)應(yīng)圖甲電路分析的U-I圖像是________;對(duì)應(yīng)圖乙電路分析的U-I圖像是________．

(3) 綜合上述分析,為了減小由電表內(nèi)電阻引起的實(shí)驗(yàn)誤差,本實(shí)驗(yàn)應(yīng)選擇圖1中的________(填“甲”或“乙”)．

解析： (1) 等效電源的內(nèi)電阻比較容易獲得,考慮了電流表內(nèi)電阻后,電阻箱相當(dāng)于外電阻,那么電流表電阻就相當(dāng)于等效電源的內(nèi)電阻了,所以有r′=RA+r.

(2) 方法1:利用圖像解析式分析.

對(duì)甲圖,考慮電表內(nèi)阻時(shí),根據(jù)閉合電路歐姆定律得U=-(r+RA)I+E.

不考慮電流表內(nèi)阻直接通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得數(shù)據(jù),根據(jù)閉合電路歐姆定律得E=U外+U內(nèi)=U+I(r+RA),U=-rI+E.類(lèi)比數(shù)學(xué)的一次函數(shù)解析式y(tǒng)=kx+b,圖像與縱軸截距均為電源電動(dòng)勢(shì)E(這里也印證了第一問(wèn)中的“等效電源”的電動(dòng)勢(shì)等于電源的電動(dòng)勢(shì)E)虛線(xiàn)對(duì)應(yīng)的斜率大小為r,實(shí)線(xiàn)對(duì)應(yīng)的斜率大小為(r+RA),所以對(duì)應(yīng)圖甲電路分析的U-I圖像是(C).

對(duì)乙圖,考慮電表內(nèi)阻時(shí)(即虛線(xiàn)對(duì)應(yīng)的情況),根據(jù)閉合電路歐姆定律得

方法2:利用圖像特殊點(diǎn)分析.

考慮電表內(nèi)阻后分析對(duì)電源的路端電壓U隨電流I變化的U-I圖像的影響.

圖甲中電流表有分壓作用,當(dāng)電流為0時(shí),不分壓,此時(shí)測(cè)量的外電壓準(zhǔn)確,所以圖像與縱軸交點(diǎn)準(zhǔn)確;電路正常工作時(shí),對(duì)于參考點(diǎn)電流值對(duì)應(yīng)的外電壓沒(méi)有考慮電流表的分壓所以偏小,實(shí)際的外電壓要大一些,所以該點(diǎn)的真實(shí)值要向上平移一點(diǎn),如圖4虛線(xiàn)所示,所以對(duì)應(yīng)圖甲電路分析的U-I圖像是(C).

圖乙中電壓表有分流作用,當(dāng)電壓為0時(shí),不分流,此時(shí)測(cè)量的電流準(zhǔn)確,所以圖像與橫軸交點(diǎn)準(zhǔn)確;電路正常工作時(shí),對(duì)于參考點(diǎn)外電壓值對(duì)應(yīng)的電流沒(méi)有考慮電壓表的分流所以偏小,實(shí)際的電流要大一些,所以該點(diǎn)的真實(shí)值要向右平移一點(diǎn),如圖5虛線(xiàn)所示,所以對(duì)應(yīng)圖乙電路分析的U-I圖像是(A).

圖4

圖5

(3) 圖甲所示電路圖雖然測(cè)量的電源電動(dòng)勢(shì)準(zhǔn)確,但電流表分壓較為明顯,所以?xún)?nèi)阻測(cè)量的誤差很大;圖乙所示電路圖雖然電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻測(cè)量均偏小,但是電壓表內(nèi)阻很大,分流不明顯,所以電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的測(cè)量誤差較小,所以選擇圖乙可以減小由電表內(nèi)電阻引起的實(shí)驗(yàn)誤差．

答案： (1)E′=E,r′=r+RA; (2) (C)(A); (3) 乙.

評(píng)析： 本題是以教材中的學(xué)生實(shí)驗(yàn)“測(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻”為基礎(chǔ),突破思維局限,拓展思維模式具有一定的創(chuàng)新性．本題器材與原有實(shí)驗(yàn)不同,要求學(xué)生具有獲得數(shù)據(jù)的能力和具有能用多種方法分析數(shù)據(jù)的能力．題目要求學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理及誤差分析的基礎(chǔ)上,綜合分析才能正確得出結(jié)論．本題沒(méi)有過(guò)多的復(fù)雜情景和繁瑣的數(shù)據(jù)處理,“等效電源”有一定的創(chuàng)新性,問(wèn)法比較新穎,考察了學(xué)生的遷移能力、類(lèi)比能力及物理概念的理解等;后面的問(wèn)題比較常規(guī),考察了學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)解決物理問(wèn)題的能力,利用解析式法和特殊點(diǎn)法進(jìn)行誤差分析,做到了在積極“適應(yīng)變”的同時(shí)努力“把握穩(wěn)”．

2 教學(xué)啟示

筆者分別為一線(xiàn)教師和北京市的區(qū)域教研員,這道題給兩位筆者很大的感觸,也為今后的一線(xiàn)備考和區(qū)域教研提供了思路和方向.

(1) 引導(dǎo)教師重視知識(shí)的呈現(xiàn)過(guò)程,輕視機(jī)械的背誦結(jié)論.

本題的電路圖與教材原有實(shí)驗(yàn)不同,考查了實(shí)驗(yàn)誤差的定性分析和討論、實(shí)驗(yàn)結(jié)論的評(píng)價(jià)等實(shí)驗(yàn)分析能力．教學(xué)中要轉(zhuǎn)變觀念,從“解題”向“解決問(wèn)題”轉(zhuǎn)變,重視知識(shí)的形成過(guò)程,教會(huì)學(xué)生解決問(wèn)題的方法,教會(huì)學(xué)生理解教材中的實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)象,能解釋和遷移相關(guān)的知識(shí)和規(guī)律,面對(duì)試題創(chuàng)新之處才能從容進(jìn)行知識(shí)遷移．在區(qū)級(jí)層面的考試中要注重考查學(xué)生是否透徹理解實(shí)驗(yàn)原理和數(shù)據(jù)處理及誤差分析中所蘊(yùn)含的實(shí)驗(yàn)方法,引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維習(xí)慣.

(2) 引導(dǎo)教師重視對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和誤差分析方法的深入理解.

實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)處理是科學(xué)探究的關(guān)鍵,圖像法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更易于探究實(shí)驗(yàn)規(guī)律．一般依據(jù)“化曲為直”的方法,同時(shí)結(jié)合圖像對(duì)應(yīng)的解析式正確的選取坐標(biāo)軸對(duì)應(yīng)的物理量．教學(xué)中要重點(diǎn)關(guān)注圖像中的斜率、截距、面積與交點(diǎn)等所表示的物理意義.這對(duì)實(shí)驗(yàn)的誤差分析往往起著決定性的作用．可以利用區(qū)域項(xiàng)目或課題深入研究實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理方法和實(shí)驗(yàn)的誤差來(lái)源及減小誤差的方法,引導(dǎo)教師重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和探究能力．

(3) 引導(dǎo)教師重視物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng).

本題注重考查了科學(xué)創(chuàng)新思維、科學(xué)探究思維及解決問(wèn)題時(shí)需要的遷移能力,為發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)起到了很好的促進(jìn)作用．建議區(qū)域備考減少對(duì)記憶性實(shí)驗(yàn)結(jié)論的考查,增加實(shí)驗(yàn)中遇到的實(shí)際問(wèn)題的分析研究和學(xué)科核心素養(yǎng)導(dǎo)向的教研活動(dòng)．增強(qiáng)引導(dǎo)學(xué)生利用圖像獲取更多信息及分析誤差的能力,培養(yǎng)學(xué)生做真實(shí)驗(yàn)、收集真數(shù)據(jù)、分析真誤差的過(guò)程中提升創(chuàng)新與探究的核心素養(yǎng)．

2020年等級(jí)考物理試卷命題立足落實(shí)立德樹(shù)人的根本任務(wù),堅(jiān)持能力立意,重點(diǎn)考查物理學(xué)科本質(zhì),重在解決綜合性問(wèn)題中考查考生的素養(yǎng)發(fā)展水平,是新高考背景下等級(jí)性考試命題的一次新探索.