吳 健

福建省三明市第二中學(xué)，福建 三明 365000

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，物理觀念的構(gòu)建、科學(xué)思維的發(fā)展都是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)達(dá)成的。作為為高校選拔輸送優(yōu)秀人才的高考，對實(shí)驗(yàn)的考查歷來十分重視，2020年全國高考及自主命題省市的高考物理試題也不例外。本文就2020年高考物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)題部分，從考查內(nèi)容、命題特點(diǎn)及部分真題剖析三個方面進(jìn)行分析概括，供教師教學(xué)時參考。

1 2020年全國卷及京、蘇、浙、津、魯自主命題電學(xué)實(shí)驗(yàn)題考查統(tǒng)計（表1）

表1 2020年全國卷及京、蘇、浙、津、魯自主命題電學(xué)實(shí)驗(yàn)題考查統(tǒng)計

通過表1對2020年全國及各自主命題省市的電學(xué)實(shí)驗(yàn)題考查內(nèi)容的統(tǒng)計分析，從中不難發(fā)現(xiàn)一定的規(guī)律,現(xiàn)歸納如下。

1.1 重視對電路結(jié)構(gòu)、實(shí)物連圖的考查

對基本電路結(jié)構(gòu)的正確理解與掌握是學(xué)習(xí)電學(xué)、研究電學(xué)甚至發(fā)展電學(xué)的重要基礎(chǔ)，尤其是通過研究電路的基本結(jié)構(gòu)可以了解電路中各電學(xué)量間的相互約束關(guān)系，從而為研究動態(tài)電路和在實(shí)際應(yīng)用中設(shè)計電路打下良好的基礎(chǔ)。鑒于此，對電路結(jié)構(gòu)的理解與實(shí)物連圖的考查一直是高考電學(xué)問題的熱門考點(diǎn)之一。

表1中統(tǒng)計的2020年八個電學(xué)實(shí)驗(yàn)題中，涉及對電路結(jié)構(gòu)的理解及電路圖或?qū)嵨飯D連線的有六道，占比高達(dá)75%，分別是全國卷II、全國卷III、江蘇卷、山東卷、天津卷和浙江卷。

盡管都是考查對電路結(jié)構(gòu)的理解，但六道電學(xué)實(shí)驗(yàn)題的考查仍有一定的差異。全國卷II在給出實(shí)驗(yàn)電路圖的前提下，按電路圖連接實(shí)物圖，實(shí)物圖中未連有任何導(dǎo)線，暫定為“全線連圖”。但因其實(shí)物元件與電路圖中的對應(yīng)元件擺放位置幾乎相同，因而難度不大，學(xué)生容易上手，唯一容易出錯的是滑動變阻器的分壓式接法。全國卷III相比全國卷II而言，顯得有所不同。全國卷III僅僅給出整個實(shí)驗(yàn)要用到的電學(xué)元件，將其按一定的順序呈現(xiàn)給考生，但電表的內(nèi)外接法、滑動變阻器的分壓或限流式接法的選擇題目并未告之，需要考生通過分析推理得出正確的連圖方式，較全國卷II難度上略有上升。相比較全國卷的電路連線，江蘇卷考題則較為簡單，僅有一定值電阻未連入電路，且其電學(xué)元件的擺放次序與電路圖大體一致。山東卷的連線問題設(shè)置在全題的最后一小問，是在針對電壓變化不明顯而提出的優(yōu)化方案下的連圖，即在電路中與電池串聯(lián)一定值電阻，如若學(xué)生不能分析出電路中電壓變化不明顯的原因是電池內(nèi)阻較小，那么這一問的設(shè)問無疑有一定的難度。天津卷對電路結(jié)構(gòu)及連線的考查則獨(dú)樹一幟，將已連好的實(shí)物圖中的導(dǎo)線進(jìn)行編號，要求指出連接不當(dāng)?shù)膶?dǎo)線編號，其實(shí)質(zhì)是對測電池電動勢和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)中電表內(nèi)外接法的考查。浙江卷的考查更具特色，直接給出連接好的實(shí)物圖，要求畫出相應(yīng)的電路圖，滑動變阻器為傳統(tǒng)的限流式接法，難度最低。

1.2 注重對不同實(shí)驗(yàn)方案綜合比較分析的考查

通常來講，設(shè)計不同的實(shí)驗(yàn)方案，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響便不同，實(shí)驗(yàn)前通常要分析推理甚至演算，得出最為合適的實(shí)驗(yàn)方案，以便取得較為理想的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或結(jié)論。2020年全國卷I、浙江卷及北京卷便是運(yùn)用兩種不同的實(shí)驗(yàn)方案對物理量進(jìn)行測量后進(jìn)行比較分析設(shè)問考查。

全國卷I中的伏安法測電阻，題目給出部分電路圖及電表的內(nèi)外兩種接法的實(shí)驗(yàn)圖像，要求對號入座并分析誤差，評估兩種方案的精準(zhǔn)性。浙江卷中測量電池的電動勢和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)，題目給出兩種實(shí)驗(yàn)方案：相對于電源而言的電流表的內(nèi)接法和電流表的外接法，并繪制出兩種實(shí)驗(yàn)方案下的電源的伏安特性曲線，要求從圖像中推理分析電池的電動勢和內(nèi)阻。北京卷與浙江卷大同小異，均是測電池電動勢和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)，本質(zhì)都是對實(shí)驗(yàn)方案的誤差分析。

1.3 突出對圖像描繪、圖像意義及結(jié)合圖像分析誤差的考查

圖像是反映物理量之間定性或定量變化關(guān)系的重要形式，物理中圖像的交點(diǎn)、橫縱截距、斜率甚至面積往往都有一定的意義，因而研究圖像、分析圖像有利于幫助我們理解物理規(guī)律、物理定理，尤其是物理量間的約束關(guān)系。鑒于此，2020年全國高考物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)題中，八道電學(xué)實(shí)驗(yàn)題中涉及到圖像的有七道，其考查方法各有不同。有圖像的描繪，有要求學(xué)生從圖像中提取相關(guān)信息及加工信息，有要求根據(jù)圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差的分析，等等。

2 典型真題剖析

2.1 伏安法測電阻

例1（2020年全國卷I）某同學(xué)用伏安法測量一阻值為幾十歐姆的電阻Rx，所用電壓表的內(nèi)阻為1 kΩ，電流表的內(nèi)阻為0.5 Ω。該同學(xué)采用兩種測量方案，一種是將電壓表跨接在圖1所示電路的O、P兩點(diǎn)之間，另一種是跨接在O、Q兩點(diǎn)之間。測量得到如圖2所示的兩條U-I圖線，其中U與I分別為電壓表和電流表的示數(shù)。

圖1 電路圖

回答下列問題：

（1）圖2中標(biāo)記為II的圖線是采用電壓表跨接在 ________（填“O、P”或“O、Q”）兩點(diǎn)的方案測量得到的。

圖2 U-I圖像

（2）根據(jù)所用實(shí)驗(yàn)器材和圖2可判斷，由圖線 ________（填“I”或“II”）得到的結(jié)果更接近待測電阻的真實(shí)值，結(jié)果為________Ω（保留1位小數(shù)）。

（3）考慮到實(shí)驗(yàn)中電表內(nèi)阻的影響，需對（2）中得到的結(jié)果進(jìn)行修正，修正后待測電阻的阻值為________Ω（保留1位小數(shù)）。

【思路點(diǎn)撥】伏安法測電阻的內(nèi)、外接法系統(tǒng)誤差主要來源于電表的分流或分壓。電流表內(nèi)接時，電流表的示數(shù)能真實(shí)反映通過待測電阻的電流，電壓表示數(shù)實(shí)際測量的是待測電阻和電流表兩端的總電壓，因而電壓的測量值偏大，導(dǎo)致電阻的測量值大于實(shí)際值。而電流表外接時則相反，電壓表所測值能真實(shí)反映待測電阻兩端的電壓，電流表示數(shù)則為通過待測電阻電流和電壓表電流之和，因而電流的測量值偏大，導(dǎo)致電阻的測量值小于真實(shí)值，在U-I圖像上表現(xiàn)為斜率較小。據(jù)兩個圖像的斜率大小關(guān)系可以確定內(nèi)、外接法。根據(jù)“大內(nèi)小外”的選取原則確定系統(tǒng)誤差較小的接法。

【試題解析】（1）將電壓表接O、P兩點(diǎn)之間時的圖像斜率小于電壓表接在O、Q兩點(diǎn)之間時的圖像斜率，故圖線II是采用電壓表跨接在O、P兩點(diǎn)之間。

（3）對U-I圖像中的圖線I，計算其斜率可得：

（4）通過上述分析易知，當(dāng)電流表內(nèi)接時，即電壓表應(yīng)跨接在O、Q兩點(diǎn)之間，測得的結(jié)果更準(zhǔn)確，其系統(tǒng)誤差來源于電流表的分壓。若考慮分析電流表分壓，則待測電阻的理論值為Rx真=Rx-RA=50.5-0.5=50.0 Ω，式中 Rx真、Rx、RA分別表示待測電阻的真實(shí)值、測量值及電流表的內(nèi)阻。

小結(jié)：本題的創(chuàng)新之處在于將電表的實(shí)際接法與給定的圖像相關(guān)聯(lián)，考查學(xué)生結(jié)合圖像分析伏安法測電阻時電表內(nèi)、外接法引起的系統(tǒng)誤差和運(yùn)用歐姆定律對測量結(jié)果進(jìn)行修正的能力。

2.2 伏安特性曲線

例2（2020年全國卷II）某同學(xué)要研究一小燈泡L（3.6 V，0.30 A）的伏安特性。所用器材有：電流表 A1（量程 200 mA，內(nèi)阻 Rg1=10.0 Ω）、電流表A2（量程 500 mA，內(nèi)阻 Rg2=1.0 Ω）、定值電阻 R0（阻值 R0=10.0 Ω）、滑動變阻器 R1（最大阻值 10 Ω）、電源E（電動勢4.5 V，內(nèi)阻很?。㈤_關(guān)S和若干導(dǎo)線。該同學(xué)設(shè)計的電路如圖3所示。

（1）根據(jù)圖3，在圖4的實(shí)物圖中畫出連線。

圖3 電路圖

圖4 實(shí)物圖

（2）若 I1、I2分別為流過電流表 A1和 A2的電流，利用 I1、I2、Rg1和 R0寫出：小燈泡兩端的電壓U=_______，流過小燈泡的電流I=_______。為保證小燈泡的安全，I1不能超過_______mA。

（3）實(shí)驗(yàn)時，調(diào)節(jié)滑動變阻器，使開關(guān)閉合后兩電流表的示數(shù)為零。逐次改變滑動變阻器滑片位置并讀取相應(yīng)的I1和I2。所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在表2中給出。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可算得，當(dāng)I1=173 mA時，燈絲電阻R=________Ω（保留1位小數(shù)）。

（4）如果用另一個電阻替代定值電阻R0，其他不變，為了能夠測量完整的伏安特性曲線，所用電阻的阻值不能小于________Ω（保留1位小數(shù)）。

【思路點(diǎn)撥】研究燈泡的伏安特性通常要有電流表和電壓表，電流表測量通過燈泡的電流，電壓表測量燈泡兩端的電壓，因燈泡電阻較小，故電流表常用外接法。題中未給出電壓表，由定值電阻與電流表A1替代電壓表。為了獲得燈泡兩端更廣的電壓調(diào)節(jié)范圍，故滑動變阻器用分壓式接法，連接實(shí)物圖時要悟透電路圖，要厘清元件的連接方式、電表的接法、滑動變阻器的接法甚至電表的正、負(fù)接線柱。定量計算方面，計算燈泡兩端電壓時要注意考慮電流表A1所分擔(dān)的電壓；通過燈泡的電流則只要將兩只電流表讀數(shù)作差便可得出；計算燈泡的電阻時，要先運(yùn)用上述分析的方法得出其電壓（其值為電流表A1示數(shù)乘上電流表A1和定值電阻兩者總電阻），再與通過燈泡的電流（其值為電流表A2示數(shù)減去電流表A1示數(shù)）相除便可算出燈泡的電阻。當(dāng)然，為了保護(hù)燈泡，其兩端電壓不能超過其額定電壓。

【試題解析】（1）根據(jù)電路圖，先將滑動變阻器電阻絲兩端與開關(guān)、電源相連形成回路，再將電流表A1與定值電阻R0串聯(lián)后與燈泡并聯(lián)，并聯(lián)后與電流表A2串聯(lián)，再與滑動變阻器右半部分并聯(lián)接入電路。如圖5所示。

圖5 實(shí)物連線圖

（2）對R0與電流表A1支路由歐姆定律得燈泡兩端的電壓為：U=I1（R0+Rg1）；則通過燈泡 L 的電流I為：I=I2-I1，因燈泡兩端電壓不能超過3.6 V，故I1的最大值為：

小結(jié)：作為課程標(biāo)準(zhǔn)及考試說明明確要求的實(shí)驗(yàn)之一，描繪燈泡的伏安特性曲線實(shí)驗(yàn)是高考高頻考點(diǎn)之一，試題常從元件的選擇、電表內(nèi)外接法選取、滑動變阻器接法及圖像的描繪、實(shí)驗(yàn)誤差分析等角度設(shè)問考查。相比傳統(tǒng)命題規(guī)律，本例在燈泡兩端電壓的測定及電流測定上作了較大的變化與創(chuàng)新，將電流表A1和定值電阻兩端的總電壓作為燈泡兩端的電壓，即將電壓表測電壓轉(zhuǎn)換為電流表測電流，且考慮了電流表的分壓作用。而流過燈泡的電流則轉(zhuǎn)化為干路電流與定值電阻支路電流之差，較傳統(tǒng)測法更為準(zhǔn)確，回避了傳統(tǒng)測燈泡電流中電壓表分流而導(dǎo)致的誤差，因而整體上描繪出的燈泡伏安特性曲線較傳統(tǒng)方法更為精確，因儀表引起的系統(tǒng)誤差理論上得到很好的控制。燈泡的電流與電壓這兩個物理量的測定，從當(dāng)前新課標(biāo)所倡導(dǎo)的科學(xué)思維素養(yǎng)角度看體現(xiàn)了轉(zhuǎn)換的思想。

2.3 測電池電動勢和內(nèi)阻

例3（2020年北京卷）用圖6所示的甲、乙兩種方法測量某電源的電動勢和內(nèi)電阻（約為1Ω）。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6 電路圖

（1）利用圖6中甲圖實(shí)驗(yàn)電路測電源的電動勢E和內(nèi)電阻r，所測量的實(shí)際是圖7中虛線框所示“等效電源”的電動勢E'和內(nèi)電阻r'。若電流表內(nèi)電阻用RA表示，請你用E、r和RA表示出E'、r'，并簡要說明理由 。

圖7 等效電源

在圖8中，對應(yīng)圖甲電路分析的U-I圖像是：__________；對應(yīng)圖乙電路分析的U-I圖像是：________。

圖8 U-I圖像

（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6中的________（填“甲”或“乙”）。

【思路點(diǎn)撥】測電池電動勢和內(nèi)阻因其所用電表、變阻元件不同而導(dǎo)致測量方法不同，有伏安法（有電壓表、電流表和滑動變阻器）、安阻法（電流表和電阻箱組合）和伏阻法（電壓表和變阻箱組合），但不論什么方法，其原理均為閉合電路歐姆定律，其系統(tǒng)誤差來源均為電表的分流或分壓所致。題中的安阻法（甲）誤差來源為電流表的分壓，伏阻法（乙）誤差來源為電壓表的分流，在圖像中分析實(shí)驗(yàn)中的真實(shí)值與測量值時可以從電表的分流、分壓作用視角研究。

【試題解析】（1）甲圖中，測量的對象實(shí)際是電池和電流表構(gòu)成的整體，因電流表只能測量電路中的電流，不能對電路提供電能，故測量的電動勢即為電池真實(shí)的電動勢：E=E'。而電流表有內(nèi)阻，故測量的內(nèi)阻實(shí)質(zhì)為電池內(nèi)阻和電流表內(nèi)阻之和：r'=r+RA。

（2）對甲圖：如圖 9，對同一電流值而言，路端電壓的測量值與真實(shí)值相差電流表兩端分得的電壓UA=IRA，又因電流表內(nèi)阻RA可以看作定值，于是有 UA∝I，當(dāng)電流為零時，UA=0，即 U-I圖像在縱截距上重合。一般情形下，對于同一電流值，因路端電壓的測量值小于真實(shí)值，即實(shí)線（測量值）顯示的圖線應(yīng)當(dāng)在虛線（真實(shí)值）顯示的圖線下方，綜上所述應(yīng)選C選項。

圖9 U-I圖像

圖10 U-I圖像

（3）從因電表的分流或分壓引起的系統(tǒng)誤差角度看，甲方案中測得的電動勢準(zhǔn)確，內(nèi)阻偏大，乙方案中測得的電動勢和內(nèi)阻均偏小。但是，由于電池內(nèi)阻很小，電流表的分壓作用不能忽略，故應(yīng)當(dāng)選用乙方案測量更為準(zhǔn)確。

小結(jié)：電表的內(nèi)、外接法導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差分析是測量電池電動勢和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)這一類考題的常見命題點(diǎn)，要會從定量、定性和圖像等角度綜合分析誤差來源對測量結(jié)果的影響。2020年北京卷電學(xué)實(shí)驗(yàn)題強(qiáng)調(diào)從圖像的角度分析系統(tǒng)誤差，著力考查學(xué)生對測量電路結(jié)構(gòu)的理解、誤差的分析計算。

3 結(jié)束語

科學(xué)探究能力并不是一種孤立的能力，它往往與學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任及物理觀念密不可分。電學(xué)實(shí)驗(yàn)探究題表象上看僅僅考查學(xué)生的科學(xué)探究能力，實(shí)質(zhì)對學(xué)生設(shè)計實(shí)驗(yàn)、選取器材、規(guī)劃方案、測定數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)及誤差分析等所需的科學(xué)思維能力相互聯(lián)系，同時要有科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對待實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)論對形成正確的物理觀念至關(guān)重要。縱觀2020年高考物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)題，不但重視對電路結(jié)構(gòu)、實(shí)物連圖的考查，更注重對不同實(shí)驗(yàn)方案綜合比較分析的考查以及突出對圖像描繪、圖像意義及結(jié)合圖像分析誤差的考查，顯示出對學(xué)生科學(xué)思維方法和科學(xué)探究能力全方位的考查。教師在日常實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，要有意識地培養(yǎng)學(xué)生這方面的能力，盡可能創(chuàng)造條件讓學(xué)生多走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，多動腦、多動手、多揣摩，體會實(shí)驗(yàn)的樂趣，為培養(yǎng)出優(yōu)秀的物理人才而不懈努力。