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        注重科學(xué)思維考查 提升學(xué)生科學(xué)探究能力*——以 2021年1月浙江省選考物理實驗題為例

        2021-07-26 04:52:10葉晟波
        物理通報 2021年8期
        關(guān)鍵詞:電路圖內(nèi)阻小車

        葉晟波 戎 杰 陳 瓊

        (浙江省慈溪中學(xué) 浙江 寧波 315300)

        物理學(xué)是基于觀察和實驗的一門自然學(xué)科,高中物理課程提倡學(xué)生具有科學(xué)探究意識,了解和掌握探索自然科學(xué)的科學(xué)思維與方法,而物理實驗是訓(xùn)練學(xué)生進行科學(xué)探究的最佳途徑,實驗?zāi)芰σ彩俏锢怼陡呖伎荚嚧缶V》明確要求考查的“五種能力”之一.2021年1月浙江省物理選考試題中的兩個實驗題,既強調(diào)基本知識、基本方法和基本規(guī)律,又適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生拓展創(chuàng)新和變式訓(xùn)練,考查了學(xué)生的物理實驗基本技能和科學(xué)思維,提升了學(xué)生物理核心素養(yǎng)中的科學(xué)探究能力.

        1 探究性實驗考查學(xué)生思維

        1.1 基于教材的力學(xué)探究性實驗

        高中物理實驗可以大致分為驗證性實驗、探究性實驗和測量性實驗,其中探究性實驗是人類探索未知的重要手段,它側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的思維方式和方法.

        【例1】(2021年1月浙江省普通高校招生選考物理試題第17題力學(xué)實驗題[1])(1)用如圖1所示裝置進行“探究功與速度變化的關(guān)系”實驗.裝有砝碼的盤用繞過滑輪的細(xì)線牽引小車,盤和砝碼的重力可當(dāng)作牽引力.小車運動的位移和速度可以由打點紙帶測出,以小車為研究對象,改變砝碼質(zhì)量,便可探究牽引力所做的功與小車速度變化的關(guān)系.

        (1)關(guān)于這個實驗,下列說法正確的是______;

        A.需要補償小車受到阻力的影響

        B.該實驗裝置可以“驗證機械能守恒定律”

        C.需要通過調(diào)節(jié)定滑輪使細(xì)線與長木板平行

        D.需要滿足盤和砝碼的總質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量

        圖1 “探究功與速度變化的關(guān)系”實驗裝置圖

        (2)如圖2所示是兩條紙帶,實驗時打出的應(yīng)是第______條(填寫“Ⅰ”或“Ⅱ”)紙帶;

        圖2 實驗打出的兩條紙帶

        (3)根據(jù)實驗數(shù)據(jù),在坐標(biāo)紙上畫出的W-v2圖像是一條過原點的直線,據(jù)此圖像______(填“能”或“不能”)求出小車的質(zhì)量.

        “探究功與速度變化的關(guān)系”是普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理2第七章中的一節(jié)實驗探究課,課程目標(biāo)是通過實驗讓學(xué)生認(rèn)識功和速度變化的關(guān)系,為下節(jié)課定量描述動能和動能定理打下基礎(chǔ).教材中提供了兩種實驗方案:分別從“恒力做功與速度變化的關(guān)系”和“變力做功與速度變化關(guān)系”兩個角度對這一規(guī)律進行探究,本次選考的力學(xué)實驗從恒力做功的角度進行了測試.功的大小等于小車所受的合力與小車位移的乘積,當(dāng)盤和砝碼的總質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量及補償小車受到阻力后,功的大小等于盤和砝碼的重力與小車位移的乘積即W=Fx≈mgx[2].

        那么如何改變恒力做功?采用控制變量法:(1)不改變小車?yán)?,測量不同位移下的速度變化,在拉力確定的情況下,功與位移成正比,測出砝碼和盤的質(zhì)量m,測出不同位移x及其對應(yīng)的小車速度v.這種方案可以分兩種,在表1中具體討論.(2)通過改變質(zhì)量m改變小車?yán),測出小車不同拉力F下功W與所對應(yīng)的速度v.這節(jié)實驗課重在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維,下面從實驗原理、是否平衡摩擦、如何減小系統(tǒng)誤差、圖像法處理實驗數(shù)據(jù)、如何形成合理結(jié)論5個方面,分析此實驗對學(xué)生科學(xué)思維的考查,如表1所示.

        表1 分析學(xué)生科學(xué)思維的考查表

        1.2 高于課本的電磁學(xué)探究性實驗

        【例2】(2021年1月浙江省普通高校招生選考物理試題第18題電學(xué)實驗題[1])(2)在“探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數(shù)的關(guān)系”實驗中,可拆變壓器如圖3所示.為了減小渦流在鐵芯中產(chǎn)生的熱量,鐵芯是由相互絕緣的硅鋼片平行疊成.硅鋼片應(yīng)平行于______(單選).

        圖3 可拆變壓器

        A.平面abcdB.平面abfe

        C.平面abghD.平面aehd

        “探究變壓器線圈兩端的電壓與匝數(shù)的關(guān)系”是普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理選修3-2第五章中的一節(jié)學(xué)生實驗探究課.實驗考查的角度比較新穎,通過可拆變壓器硅鋼片的疊放位置考查學(xué)生對實驗儀器的熟悉程度和如何減小渦流.教材中有“可拆變壓器零部件”和“組裝后的變壓器”兩幅圖[3],如果學(xué)生親自拆裝過變壓器,那么自然會知道變壓器的硅鋼片如何疊放,也會在實驗情境中發(fā)現(xiàn)和提煉問題,硅鋼片為什么這么疊放?能讓學(xué)生在觀察和體驗后有所發(fā)現(xiàn)、有所聯(lián)想,萌發(fā)出科學(xué)問題,這有利于學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng).學(xué)生解決問題能力的高低,取決于學(xué)生將實驗情境與知識相聯(lián)系的水平,本題中學(xué)生需要立足教材的基本概念與規(guī)律,分析鐵芯中的磁路,用能量觀念思考并運用科學(xué)思維分析,當(dāng)鐵芯疊放和磁路方向垂直時,產(chǎn)生的渦流通過的電阻面積最小,電阻最大,從而使渦流引起的能量損耗最小.

        高考探究性實驗題對科學(xué)思維的考查,對中學(xué)教師課堂教學(xué)有積極導(dǎo)向作用.它促使教師設(shè)計高階學(xué)習(xí)活動培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力和素養(yǎng),對提高學(xué)生科學(xué)思維、應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理實際問題的能力以及創(chuàng)新思維有極大的益處.

        2 設(shè)計性電學(xué)實驗的考查提升科學(xué)探究能力

        電學(xué)實驗的測量方法具有多樣性、開放性、探究性的特點,有助于培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和科學(xué)探究能力,從而提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

        【例3】(2021年1月浙江省普通高校招生選考物理試題第18題電學(xué)實驗題[1])(1)在“測定電池的電動勢和內(nèi)阻”實驗中:1)用如圖4所示的電路圖測量,得到的一條實驗數(shù)據(jù)擬合線如圖5所示,則該電池的電動勢E=______V(保留3位有效數(shù)字);內(nèi)阻r=______Ω(保留2位有效數(shù)字).

        圖4 實驗電路圖

        圖5 實驗數(shù)據(jù)擬合線

        2)現(xiàn)有如圖6所示的實驗器材,照片中電阻箱阻值可調(diào)范圍為0~9 999 Ω,滑動變阻器阻值變化范圍為0~10 Ω,電流表G的量程為0~3 mA、內(nèi)阻為200 Ω,電壓表的量程有0~3 V和0~15 V.請在圖6中選擇合適的器材,在答題紙相應(yīng)方框中畫出兩種測定一節(jié)干電池的電動勢和內(nèi)阻的電路圖.

        圖6 實驗器材

        2.1 突出電學(xué)實驗的基礎(chǔ)性 鼓勵學(xué)生探究

        “伏安”法測電阻,是高考電學(xué)實驗試題常見的一類試題,它注重考查學(xué)生基礎(chǔ)知識的掌握情況和應(yīng)變能力.類比伏安法測定值電阻,本實驗(1) 中的第1)題采用“伏安法”測電源的電動勢和內(nèi)阻.試題給出了實驗電路圖和體現(xiàn)實驗規(guī)律的U-I圖像,學(xué)生需要理解相關(guān)概念,搞清楚實驗所根據(jù)的物理知識,再用物理知識把物理問題通過U-I圖像轉(zhuǎn)譯成物理規(guī)律,賦予斜率、截距圖像元素內(nèi)阻和電動勢的物理意義,從而簡捷、合理地測出干電池的電動勢和內(nèi)阻.第1)題考查的問題能很好地體現(xiàn)學(xué)生對基本方法的掌握情況,該題重視實驗的基礎(chǔ),積極鼓勵學(xué)生掌握物理基本理論,引導(dǎo)教師在物理實驗教學(xué)中注重基本實驗技能、實驗的教學(xué)和實踐操作的指導(dǎo),從而提高學(xué)生實驗原理應(yīng)用能力和科學(xué)探究能力.此題還考查了有效數(shù)字,任何測量都是有誤差的,有效數(shù)字運算的確定原則比較復(fù)雜[4],中學(xué)階段不做要求,但其對學(xué)生養(yǎng)成正確記錄與計算實驗數(shù)據(jù)的習(xí)慣,培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維和實驗探究的素養(yǎng)有重要作用,所以高中階段需要學(xué)生理解誤差和有效數(shù)字概念,而實驗運算結(jié)果一般取2位或3位有效數(shù)字就可以了.

        2.2 增強實驗設(shè)計方案的開放性 提升科學(xué)思維

        第18題的第2)題是采用現(xiàn)場拍攝實驗場景,將照片呈現(xiàn)在考生面前,讓學(xué)生身臨其境.照片給出7種電學(xué)實驗器材,讓考生選擇合適的器材,設(shè)計測定一節(jié)干電池的電動勢和內(nèi)阻的2種方案.與以往相比,除了注重對實驗基本原理、數(shù)據(jù)處理的考查,新增了實驗設(shè)計能力的考查,此題學(xué)生的錯誤率還是比較高的,我們先來看一下學(xué)生出錯的幾個主要原因.

        (1)由于滑動變阻器具體阻值未知,學(xué)生設(shè)計的電路無法測出E和r,最常見的滑動變阻器分壓接法如圖7(a)所示,流過滑動變阻器的電流未知如圖7(b)和(c)所示.這種錯誤,學(xué)生根本不理解實驗的原理.

        圖7 常見的錯誤電路圖

        圖8 常見的錯誤電路圖

        (3)在第18題第1)題中,由圖像得到電池的電動勢E=1.45~1.47 V;內(nèi)阻r=0.63~0.67 Ω.如圖8(b),若G表兩端的電壓達到滿偏0.6 V,電源(假設(shè)E=1.45 V,內(nèi)阻r=0.65 Ω)內(nèi)阻分得的電壓約為0.85 V,那么G表和電阻箱的并聯(lián)電阻為0.45 Ω,電阻箱的電阻約為0.45 Ω,而照片中的學(xué)生用電阻箱最小擋位是1 Ω,不能調(diào)到零點幾歐,因此不符合實際情況.

        (4)如圖8(c)把G表和變阻箱并聯(lián),改裝成較大量程的電流表,再把滑動變阻器作為定值電阻使用進行串聯(lián),顯然學(xué)生沒有搞清楚滑動變阻器的工作原理,也無法測出電池的電動勢和內(nèi)阻.

        (5)還出現(xiàn)的一些常見錯誤,如學(xué)生對滑動變阻器、電阻箱電路符號不會畫;電路原理圖上沒有加開關(guān);沒有弄清題意,如電路圖中出現(xiàn)多個相同用電器;題中出現(xiàn)了沒有給的用電器;將G表畫成安培表等.

        圖9 教材中的3種基本實驗電路圖

        再向“創(chuàng)新”要成績.本實驗設(shè)計方案源于教材但不拘泥于教材,將3個基本方案與題目中問題信息相互作用,利用題中已有信息,得出2種合理的方案.“伏安法”需要合適量程的電壓表和安培表,已給的G表的量程為3 mA可以并聯(lián)一個電阻箱,阻值約為1 Ω,改裝成量程為0.6 A的電流表,如圖10(a)所示.“伏阻法”可以根據(jù)教材基本電路圖用變阻箱和電壓表來測電源的電動勢和內(nèi)阻如圖9(b)所示,類比伏阻法,圖10中(b)、(c)、(d)也可以測量.那么此題能否用變阻箱和電流表利用“安阻法”來測定呢?從誤差角度來看,電學(xué)實驗的電路設(shè)計方案需要考慮測量結(jié)果的精確度,“安阻法”可以準(zhǔn)確測定電動勢,但測得的內(nèi)阻r測實際為電源內(nèi)阻r真和安培表內(nèi)阻rg之和,而安培表內(nèi)阻為200 Ω,那么r真=r測-rg=r測-200,實驗中由于儀器、讀數(shù)、數(shù)據(jù)處理方式等引起的誤差會全部降落在電源內(nèi)阻上,加之電源內(nèi)阻比較小,有可能為負(fù)值,此方法測量電源內(nèi)阻誤差可能會比較大,所以此題的電路圖用伏安法、伏阻法比較合適.學(xué)生如能對3種基本電路圖原理清楚,必能靈活遷移.

        圖10 其他可行的電路圖

        順應(yīng)教育發(fā)展的高中物理教育應(yīng)以發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)為目標(biāo)[6],我們的高考實驗試題應(yīng)緊隨社會發(fā)展,順應(yīng)時代變化,指導(dǎo)教師結(jié)合學(xué)科核心素養(yǎng)要求開展科學(xué)探究活動.(1)堅持物理概念、規(guī)律與方法的深度學(xué)習(xí),理解知識的本質(zhì),建構(gòu)知識的意義,形成科學(xué)探究的基本素養(yǎng).(2)把實驗活動的思想、方法轉(zhuǎn)化為學(xué)生的認(rèn)識能力和思維方式.(3)通過對探究性實驗和設(shè)計性實驗的考查,使教師的物理教學(xué)過程成為學(xué)生科學(xué)探究能力的形成過程,使學(xué)生學(xué)會方法遷移,加強對知識的感悟,精心培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和高階思維能力,最終提升學(xué)生的物理素養(yǎng).

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