高三物理电学实验复习针对性的思考

耿玉盛

(江苏省扬州市邗江区教育局教研室,江苏 扬州 225009)

《普通高中物理课程标准》中提出:“物理实验是高中物理教学的重要内容．物理实验在培养学生的科学思维、探究能力、科学态度和科学精神方面具有特殊的地位”．物理实验是物理学科内综合、联系实际的重要方面,高考实验题成为考查学生联系实际综合运用知识的实践能力、区分中上程度学生的重要方面．高中物理电学实验内容较多,是高考必考的内容,实验考查涉及到实验原理的理解、电路的设计、实验器材的选择、实验方法的确定、数据的处理以及误差分析等．高三物理复习中要认真研究2017年高考试卷中的电学实验题的特点以及命题思想,提高复习的针对性．

1 强化学生分组实验复习,提高实验基本技能

高中物理电学学生分组实验是高考高频考点,实验复习要强化实验基本技能的训练．首先要注意提高学生这3个方面的基本操作:实验器材的选择方法、电流表内接法和外接法以及选择的原则、滑动变阻器的限流式和分压式连接;其次是强化实验故障的分析和排除;第三是重视基本仪器的使用,基本仪器的使用仍是实验的基础,电学实验中常用的基本仪器有电流表、电压表、多用电表、滑动变阻器、电阻箱、电学传感器等等;第四注意实验数据、图像的分析和处理．

例1.(2017年海南卷第12题)某同学用伏安法测量待测电阻的阻值．现有器材为:待测电阻R(阻值约为5Ω),电源(电动势3V),滑动变阻器(阻值范围0～10Ω),电流表(量程0.6A,3A),电压表(量程3V,15V),开关,导线若干．实验要求在测量电路中将电流表外接,滑动变阻器起限流作用．回答下列问题:

(1) 按照实验要求在图1中画出实物连线图．

图1

(2) 若已按实验要求接线,闭合开关后移动滑动变阻器的滑片,电压表的示数始终约为3V,电流表的示数始终接近0．写出产生这种现象的一个原因________________．

(3) 在连线正确后,闭合开关．电压表和电流表的示数分别如图2(a)和图2(b)所示．由图可知,电压表读数为________V,电流表读数为________A．由此可得待测电阻的阻值为________Ω(结果保留3位有效数字)．

图2

图3

本题测量电阻是考试说明中列出的学生分组实验考点之一,重点考查的就是学生的实验基本技能,其中第(1)问就是考查学生电路连接的基本技能,电流表的外接法,滑动变阻器的限流式接法,同时还要考查学生在连接电路时电表量程的选择以及正负接线柱的连接问题,要做好本题学生要有良好的画电路图的习惯,先画出正确的电路图(如图3所示)再根据电路图连接实物图．第(2)问考查学生对实验故障的分析能力,由题意可知电路电阻很大或断路,可能是待测电阻部分连接时断路,也可能是电流表和电压表的位置接反了．第(3)问的解答需要学生先正确选择出电表的量程,然后才能正确读出电表示数，求出待测电阻值．

例2.(2017年高考新课标Ⅰ卷第23题)某同学研究小灯泡的伏安特性,所使用的器材有:小灯泡L(额定电压3.8V,额定电流0.32 A);电压表V(量程3 V,内阻3 kΩ);电流表A(量程0.5 A,内阻0.5 Ω);固定电阻R0(阻值1000 Ω);滑动变阻器R(阻值0～9.0 Ω);电源E(电动势5 V,内阻不计);开关S;导线若干．

(1) 实验要求能够实现在0～3.8 V的范围内对小灯泡的电压进行测量,画出实验电路原理图．

(2) 实验测得该小灯泡伏安特性曲线如图4所示．由实验曲线可知,随着电流的增加小灯泡的电阻________(填“增大”、“不变”或“减小”),灯丝的电阻率________(填“增大”、“不变”或“减小”)．

图4

图5

(3) 用另一电源E0(电动势4 V,内阻1.00 Ω)和题给器材连接成图5所示的电路,调节滑动变阻器R的阻值,可以改变小灯泡的实际功率．闭合开关S,在R的变化范围内,小灯泡的最小功率为________W,最大功率为________W．(结果均保留2位小数)

图6

本题描绘小灯泡的伏安特性曲线是考试说明中给出的电学实验考点之一．本题的第(1)问考查学生根据题目要求设计电路是学生必须掌握的最基本电学实验技能之一,要求能够实现在0～3.8 V的范围内对小灯泡的电压进行测量,故滑动变阻器用分压式接法,小灯泡为小电阻,电流表用外接法,特别是给出的电压表量程只有3 V,需要串联一个定值电阻R0改装后扩大量程再进行测量,这是本问的一个易错点，如图6所示．

第(2)问和第(3)问均考查学生根据图像分析和处理数据的能力．第(2)问中由I-U图像可知,切线的斜率在减小(斜率的大小不等于小灯泡的电阻,但可以定性地反映电阻大小的变化趋势),故灯泡的电阻随电流的增大而减小,再由电阻定律R=ρL/S可知,电阻率增大;第(3)问中当滑动变阻器的阻值调至最大9Ω时,电路的电流最小,灯泡的实际功率最小,根据闭合电路欧姆定律有

E=U+I(r+R),

得U=10I+4,在图中作出该U-I图线(直线)如图7所示,交点坐标约为U=1.75V,I=225mA,求得P1=UI=0.39W.

图7

由E=U+I(r+R)整理得

当直线的斜率最大时,与灯泡的I-U曲线的交点坐标最大,即灯泡消耗的功率最大．当滑动变阻器电阻值R=0时,灯泡消耗的功率最大,此时交点坐标为U=3.67V,I=0.32A,如图8所示,最大的功率为P2=UI=1.17W．

图8

《考试说明(全国卷)》中列出的电学考点有5个:测定金属的电阻率(同时练习使用螺旋测微器) 、描绘小电珠的伏安特性曲线、测定电源的电动势和内阻实验、练习使用多用电表、传感器的简单使用等．高考复习中要强化这些实验的复习,要开放学校的实验室,让学生进实验室重温实验的实际操作,熟悉各种实验器材的使用．实验题中的实物连线,实验步骤排序、故障分析与排除、错误的纠正以及实验注意点和误差分析等，这些都是实际操作的全真模拟,如果学生没有动手做过这些实验就很难答好这些问题．

2 重视演示实验复习,提高观察和分析能力

《普通高中物理课程标准》指出:“应发掘实验在培养学生发现和提出问题能力方面的潜在价值．教师可在一些物理实验中创设某种情境,让学生在观察和体验后有所发现、有所联想,萌发出科学问题,还可在实验中创设一些任务,让学生在完成任务中运用科学思维,自己提炼出应探究的科学问题．”

高中物理电学演示实验就是为了将抽象的电学形象化,每一个演示实验都是配合某一个教学章节而存在的,演示实验的目的就是引导学生观察、思考、分析,更好地理解和掌握该实验所体现的物理知识,学会实验的方法,并使用这些知识去解释观察到的物理现象,对日常生活中的一些现象进行解释,领会实验时严谨的科学态度．高中物理电学演示实验很多,高考试题很多都是根据演示实验模型改编而成的．例如2017年海南卷第4、8题,2017年上海卷第11题,浙江卷第9题,江苏卷第7题等．

例3.[2017年浙江卷第21题(加试题)](1)为完成“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”实验,必须要选用的是________(多选)．

(A) 有闭合铁芯的原副线圈.

(B) 无铁芯的原副线圈.

(C) 交流电源.

(D) 直流电源.

(E) 多用电表(交流电压挡).

(F) 多用电表(交流电流挡).

用匝数na=60匝和nb=120匝的变压器,实验测量数据如表1.

表1

根据测量数据可判断连接电源的线圈是________(填na或nb)

图9

(2) 如图9所示的装置做“探究感应电流方向的规律”实验,磁体从靠近线圈的上方静止下落．当磁体运动到如图9所示的位置时,流过线圈的感应电流方向从________(填“a到b”或“b到a”)．在磁体穿过整个线圈的过程中,传感器显示的电流i随时间t的图像应该是图10中的________．

图10

这两条高考实验题均是改编课本中的演示实验而成的．第(1)小题是交变电流中“探究变压器线圈两端的电压与匝数的关系”的演示实验,需要学生理解变压器的结构和工作原理,如果复习时学生能够回归课本,再去阅读课本中关于该演示实验的内容,就能很容易解答出该问题．第(2)小问是电磁感应部分“探究感应电流方向的规律”的演示实验改编,实际涉及两个内容:一是感应电流的方向判断;二是感应电流大小的决定因素．如果学生对课本中研究“楞次定律”和“法拉第电磁感应定律”部分的两个演示实验很熟悉,本题也能够很好地解决．

课本中电学演示实验很多,例如，探究电容器电容大小的决定因素、闭合电路的欧姆定律、探究安培力的大小和方向、电磁感应产生的条件、自感等．但是在高三复习中我们教师组织教学时,往往是突出基本概念、规律理解和应用,在组织实验复习时也很少甚至忽略了演示实验的复习．而实际上对演示实验的复习不仅能进一步强化学生对物理概念和规律的理解,提高学生应用规律解决物理问题的能力,还可以进一步提高学生的观察和分析能力．

3 梳理课本小实验、小制作,提高实践和应用能力

高中物理课本人教版中有两个栏目“做一做”和“科学漫步”,教科版中有一个栏目“发展空间”,其中包含了很多小实验、小制作的内容,这些内容重点就是培养学生对所学物理知识的实践和应用能力,除了在新授课教学过程中要指导学生动手完成外,在高三物理复习中也要帮助学生进行梳理,以提高学生解决实际问题的能力．

图11

例4.(2017年江苏卷第7题)某音响电路的简化电路图如图11所示,输入信号既有高频成分,也有低频成分,则

(A) 电感L1的作用是通高频.

(B) 电容G2的作用是通高频.

(C) 扬声器甲用于输出高频成分.

(D) 扬声器乙用于输出高频成分.

本题原型来自于课本选修3-2“交流电”章节中“电容器、电感器在交流电路中的作用”部分,教科版选修3-2第47页“发展空间”中“电感器和电容器的配合使用”的内容:在电子技术中常将电容器和电感器配合使用,设计成不同性能的LC电路．

这些内容在教科书中有很多,例如,人教版选修3-1“做一做”和“科学漫步”栏目有:用传感器在计算机上观察电容器的放电、密立根实验——电子电荷量的测定、范德格拉夫静电加速器、验证环形电流的磁场、用磁传感器研究磁场、旋转的液体、课题研究——霍尔效应等;教科版选修3-2“发展空间”栏目有:法拉第圆盘发电机、利用温度传感器制作水开关音乐告知器、用光敏电阻制作自动调光台灯等．

4 突出设计性实验复习,提高创新思维能力

《考试说明》中对实验与探究能力提出:“能运用已学过的物理理论、实验方法和实验仪器去处理问题,包括简单的设计性实验”．高考实验考查能力较高,仅仅能独立完成大纲规定的实验,知道怎样做还不够,还应该搞清楚为什么要这样做,要真正领会其中的实验方法,并会将这些方法迁移到新的情景中去,在新的情景中加以应用．高考物理实验试题的设计 “来源于教材而不拘泥于教材”,复习中不能仅仅照搬课本实验,要注意拓展和变化,突出实验方法的迁移,只有真正理解了实验原理和实验方法,才能达到灵活运用学过的物理理论、实验方法和实验仪器去处理实验相关问题的能力．在实验复习中通过找各实验中的思维方法,能够让这些思维方法深入学生的脑海中,并用于那些可能遇到的探索型高考物理实验题．要强化一些基本的实验原理和方法,然后变化条件,让学生再寻找另外的解决办法,以此培养和提高学生的创新能力．

例5.(2017年江苏卷第11题)某同学通过实验制作一个简易的温控装置,实验原理电路图如图12图所示,继电器与热敏电阻R1、滑动变阻器R串联接在电源E两端,当继电器的电流超过15 mA时,衔铁被吸合,加热器停止加热,实现温控．继电器的电阻约为20 Ω,热敏电阻的阻值Rt与温度t的关系如表2所示.

图12

t/℃30.040.050.060.070.080.0 Rt/Ω199.5145.4108.181.862.949.1

(1) 提供的实验器材有:电源E1(3 V,内阻不计)，电源E2(6 V,内阻不计)，滑动变阻器R1(0～200 Ω)，滑动变阻器R2(0～500 Ω)，热敏电阻Rt,继电器，电阻箱(0～999.9 Ω)，开关S，导线若干．

为使该装置实现对30～80℃之间任一温度的控制,电源E应选用________(选填“E1”或“E2”),滑动变阻器R应选用________(选填“R1”或“R2”)．

(2) 实验发现电路不工作．某同学为排查电路故障,用多用电表测量各接点间的电压,则应将如图13所示的选择开关旋至(选填“A”、“B”、“C”或“D”)

(3) 合上开关S,用调节好的

图13

多用电表进行排查,在图12中,若只有b、c间断路,则应发现表笔接入a、b时指针________(选填“偏转”或“不偏转”),接入a、c时指针________(选填“偏转”或“不偏转”)．

(4) 排除故障后,欲使衔铁在热敏电阻为50℃时被吸合,下列操作步骤正确顺序是(填写各步骤前的序号)

① 将热敏电阻接入电路；

② 观察到继电器的衔铁被吸合；

③ 断开开关,将电阻箱从电路中移除；

④ 合上开关,调节滑动变阻器的阻值；

⑤ 断开开关,用电阻箱替换热敏电阻,将阻值调至108.1Ω.

本题改变了传统的依托“三大”电学实验(即电阻的测量、小灯泡伏安特性的描绘以及测量电源的电动势和内电阻．)为背景的电学设计性实验题,是以“温控装置”为情境的一道电学综合设计性实验题,题目具有一定综合性和创新性,考察了学生综合运用电学知识解决实际问题的能力．第(1)问考查的知识点是闭合电路的欧姆定律,考查的能力是学生分析数据和处理数据的能力,由表格中数据分析当温度为30℃和80℃时热敏电阻的阻值以及题中给出的电流数值,两次运用闭合电路的欧姆定律求得电源电动势和滑动变阻器的阻值,从而选出相应的电源和滑动变阻器;第(2)问考查的是多用电表的使用;第(3)问考查的是对电路故障的分析和判断;第(4)问是考察实验操作的步骤．

高考中几乎所有的设计型实验题一般都是在给出实验器材的前提下进行考查,而且都以不同方式或多或少的对实验原理作了一定的提示,以此降低一点难度和减少考生做题目时的盲目性,考查学生电路计算、器材选择、实物连图、数据处理、综合构思、误差分析等多方面的分析综合能力．

参考文献：

1 蒋鹏.高三物理电学实验复习方法探索[J].中学教育，2017：127.

2 金修成.高三物理创新性实验复习策略[J].物理教师，2008(11)：64-65.