2014年高考电学实验的创新设计思想

王松涛

摘 要：电学实验的思想通过电路结构来实现。2014年高考电学实验命题的创新设计首先体现在电路结构和原理的变化上，而电路结构和原理的变化又会引起操作方法、数据处理和误差分析等相应变化。实验设计的简单创新，其相关实验能力的要求却并不简单。

关键词：高考；电学实验；创新设计

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）4-0050-4

考试大纲对实验能力的要求包括让学生利用学过的原理和方法，在题设的情境下按照题设的要求独立设计实验方案，恰当选择实验器材，合理安排实验步骤，正确处理实验数据及进行实验误差分析等。其中特别值得注意的是为了适应课程改革的需要，2007年之后考试大纲新增加了“对结论进行分析和评价，包括简单的设计性实验”的内容。解读考试大纲的能力要求对于我们把握实验教学的方向，贯彻新课改的精神，提高高考备考的针对性都十分重要。

在2014年教育部考试中心统一命题及各省自主命题的全部十五套高考试题中，共有六套试题考察了测电源电动势和内阻的实验。而在这六套试题中，测电源电动势和内阻的分值占这六套试题实验分值的63%，可见测电源电动势和内阻的实验是高考实验考察的重要内容。现以2014年高考对测电源电动势和内阻实验的考察为例，通过与教材原始实验对比，探讨创新设计思想在高考命题中的体现。

教材中介绍的测电源电动势和内阻的实验采用的是伏安法，电路如图1中的甲图所示。实验器材的一般配置为一节干电池，电压表（0 ～ 3 V），电流表（0 ～ 0.6 A），滑动变阻器（0 ～ 10 Ω）。统计显示在2014年高考试题中，考察该实验的六套试题中有五套采用的是伏安法。对于这一基本的实验方法，高考试题是如何进行创新设计的呢？ 电学实验的思想通过电路结构来实现，那么高考试题中的电路结构有哪些变化呢？

1 电路中电表位置变化

2014年北京卷：利用电流表和电压表测定一节干电池的电动势和内电阻。要求尽量减小实验误差。

①应该选择的实验电路是图1中的_____（选填“甲”或“乙”）。

②现有电流表（0～0.6 A） 、开关和导线若干，以及以下器材：

A.电压表（0～15 V）；B.电压表（0～3 V）；C.滑动变阻器（0～50 Ω）；D. 滑动变阻器（0～500 Ω）。

实验中电压表应选用________；滑动变阻器应选用________。（选填相应器材前的字母）

③某位同学记录的6组数据如下表所示，其中5组数据的对应点已经标在图2的坐标纸上，请标出余下一组数据的对应点，并画出U-I图线。

④根据③中所画图线可得出干电池的电动势E=________V，内电阻r=________Ω。

⑤实验中，随着滑动变阻器滑片的移动，电压表的示数U及干电池的输出功率P都会发生变化。图3的各示意图中正确反映P-U关系的是________。

本题第①问考查电流表的内外接法；第②问考查仪器的选择；第③问考查作图；第④问考查图像法的数据处理；第⑤问考查输出功率。本题基本以教材原始实验为原型对相关实验能力进行考察，增加的图1乙中电表位置发生改变，导致误差的结果不同，解答此问仍要基于对课本原始实验中误差分析的正确理解。

2014年全国大纲卷：现要测量某电源的电动势和内阻。可利用的器材有：电流表A，内阻为1.00 Ω； 电压表V；阻值未知的定值电阻R1、R2、R3、R4、R5；开关S；一端连有鳄鱼夹P的导线1，其他导线若干。某同学设计的测量电路如图4所示。

①按图4在实物图5中画出连线，并标出导线1和其P端。

②测量时，改变鳄鱼夹P所夹的位置，使R1、R2、R3、R4、R5依次串入电路，记录对应的电压表的示数U和电流表的示数I。数据如下表所示。根据表中数据，在图6中的坐标纸上将所缺数据点补充完整，并画出U-I图线。

③根据U-I图线求出电源的电动势E= V，内阻r=___Ω。（保留两位有效数字）

与北京考题类似，本题将电路结构中电表的位置进行了改变，由此利用图像法处理实验数据时，由图线斜率绝对值得出的内阻测量值就包含了电流表的内阻，减去此电流表的内阻才能正确得出电源的内阻值。这种变化使得死记书本原始实验数据处理方法的学生往往会出现错误。

2 电路中加入保护电阻

2014年福建卷：某研究性学习小组利用伏安法测定某一电池组的电动势和内阻，实验原理如图7所示。其中，虚线框内为用灵敏电流计G改装的电流表A，V为标准电压表，E为待测电池组，S为开关，R为滑动变阻器，R0是标称值为4.0 Ω的定值电阻。

①已知灵敏电流计G的满偏电流Ig=100 μA，内阻rg=2.0 kΩ，若要改装后的电流表满偏电流为200 mA，应并联一只阻值为________Ω（保留一位小数）的定值电阻R1；

②根据图7，用笔画线代替导线将图8连接成完整电路；

③某次实验的数据如下表所示：

该小组借鉴“研究匀变速直线运动”实验中计算加速度的方法（逐差法），计算出电池组的内阻r=________Ω（保留两位小数）；为减小偶然误差，逐差法在数据处理方面体现出的主要优点是______________________。

④该小组在前面实验的基础上，为探究图7电路中各元器件的实际阻值对测量结果的影响，用一已知电动势和内阻的标准电池组，通过上述方法多次测量后发现：电动势的测量值与已知值几乎相同，但内阻的测量值总是偏大。若测量过程无误，则内阻测量值总是偏大的原因是________。（填选项前的字母）

A.电压表内阻的影响

B.滑动变阻器的最大阻值偏小

C.R1的实际阻值比计算值偏小

D.R0的实际阻值比标称值偏大

与教材原始实验对比，福建考题在电路结构的设计上除了将电表改装简单融入外，就是在电路中加入了保护电阻。这样在数据处理和误差分析环节就必须考虑保护电阻带来的影响。

2014年海南卷：用伏安法测量一电池的内阻。已知该待测电池的电动势E约为9 V，内阻约数十欧，允许输出的最大电流为50 mA，可选用的实验器材有：

电压表V1（量程5 V）；电压表V2（量程10 V）；电流表A1（量程50 mA）；电流表A2（量程100 mA）；滑动变阻器R（最大电阻300 Ω）；定值电阻R1（阻值为200 Ω，额定功率为1/8 W）；定值电阻R2（阻值为200 Ω，额定功率为1 W）；开关S；导线若干。

测量数据如坐标纸上U-I图线所示。

①在答题卡相应的虚线方框内画出合理的电路原理图，并标明所选器材的符号。

②在设计的电路中，选择定值电阻的根据是

。

③由U-I图线求得待测电池的内阻为 Ω。

④在你设计的电路中，产生系统误差的主要原因是 。

合理的电路原理图如图10，和福建考题类似，海南考题中定值电阻充当了保护电阻，但与福建考题不同的是保护电阻的位置不同。本题电路设计的要点在于对保护电阻的分析判断，包括需不需要保护电阻的判断、保护电阻的选择和保护电阻位置的确定。

2014年上海卷：在“用DIS测电源电动势和内阻”的实验中：

①将待测电池组、滑动变阻器、电流传感器、电压传感器、定值电阻、电键及若干导线连接成电路如图11所示，图中未接导线的A端应接在____点（选填：“B”、“C”、“D”或“E”）。

②实验得到的U-I关系如图12中的直线I所示，则电池组的电动势为____V，内电阻阻值为____Ω。

③为了测量定值电阻的阻值，应在图11中将“A”重新连接到____点（选填：“B”、“C”、“D”或“E”），所得到的U-I关系如图12中的直线II所示，则定值电阻的阻值为____Ω。

上海考题采用新的实验手段DIS进行实验，但其物理实质仍然是伏安法测电源电动势和内阻，与教材原始实验比较，本题电路的变化和福建、海南的高考题类似，即添加了保护电阻；但与福建、海南的高考题不同的是，本题同时考察了保护电阻的两种接法，如图13和图14所示，通过两种接法的对比计算出保护电阻的阻值。

综上分析，2014年高考实验命题仍然体现“来源于教材而又不拘泥于教材”的理念，实验的考察相对于教材原始实验均有所变化。对于电学实验来说，在给定实验目的的条件下这种变化首先体现在电路结构和原理的变化上。通过总结2014年高考对测电源电动势和内阻实验的考察来看，电路结构的变化相对于教材原始实验而言，只表现在电表位置的改变和添加保护电阻后保护电阻位置的改变等比较基本和常规的变化，这种创新设计的思想源自对教材原始实验的理解和对实验基本操作技能的掌握，而这正是考试大纲所谓“简单的设计实验”的体现。但是，电路结构的变化通常会引起操作方法、数据处理和误差分析等相应变化，这就要求考生能随考题情境的改变灵活应对，恰当地进行知识迁移以解决新的问题。因此，所谓实验设计的简单创新，其相关实验能力的要求却并不简单。

鉴于此，对新一轮高考实验的备考需要注意避免两种倾向：一是避免死记教材原始实验，高考对实验的考察源自教材但一定蕴含有创新的思想，背实验只会让学生固步自封，自缚手脚。二是避免为创新而创新。片面追求变化而去做大量偏、难、怪的实验题，会让学生迷失方向，茫然而不知所措。

所以，高考实验的备考需要抓住教材原始实验强化学生基本的实验技能，同时又要适当地进行变化以培养学生的知识迁移能力和创新思维能力。

（栏目编辑 陈 洁）