基础与能力兼顾 落实物理核心素养

洪英兰 施生晶

《高考考试大纲》要求考查物理的5种能力：理解能力、推理能力、分析综合能力、应用数学处理物理问题能力、实验能力.2021年全国甲卷电学实验题内容丰富，对考生的综合能力要求较高，试题重视实验的基础性、实验素养等关键能力，很好地考查考生“科学探究”素养，对高中物理实验教学和高考电学实验复习具有积极导向作用.

一、2021年全国甲卷实验题赏析及启示

原题呈现 某同学用图1所示电路探究小灯泡的伏安特性，所用器材有：

图1

小灯泡（额定电压2.5V，额定电流0.3A）

电压表（量程300mV，内阻300Ω）

电流表（量程300mA，内阻0.27Ω）

定值电阻R0

滑动变阻器R1（阻值0-20Ω）

电阻箱R2（最大阻值9999.9Ω）

电源E（电动势6V，内阻不计）

开关S、导线若干.

完成下列填空：

（1）有3个阻值分别为10Ω、20Ω、30Ω的定值电阻可供选择，为了描绘小灯泡电流在0～300mA的U-I曲线，R0应选取阻值为Ω的定值电阻;

（2）闭合开关前，滑动变阻器的滑片应置于变阻器的（填“a”或“b”）端;

（3）在流过电流表的电流较小时，将电阻箱R2的阻值置零，改变滑动变阻器滑片的位置，读取电压表和电流表的示数U、I，结果如图2所示.当流过电流表的电流为10mA时，小灯泡的电阻为Ω（保留1位有效数字）;

图2

（4）为使得电压表满量程时对应于小灯泡两端的电压为3V，该同学经计算知，应将R2的阻值调整为Ω.然后调节滑动变阻器R1，测得数据如表1所示.

表1

U/mV24.046.076.0110.0128.0152.0184.0216.0250.0I/mA140.0160.0180.0200.0220.0

240.0260.0280.0300.0

（5）由图2和表1可知，随流过小灯泡电流的增加，其灯丝的电阻（填“增大”“减小”或“不变”）;

（6）该同学观测到小灯泡刚开始发光时流过电流表的电流为160mA，可得此时小灯泡电功率P1=W（保留2位有效数字）;当流过电流表的电流为300mA时，小灯泡的电功率为P2，则P2P1=（保留至整数）.

命题意图 试题要求考生用伏安法，测量小灯泡工作时的实际电压U与电流I，利用U-I图像和列表法求小灯泡实际电阻和实际功率.命题者创设情境：提供电压表的2个参数（电压与电阻），让考生分析并判断，因电压表量程太小，需要改装扩大量程;因电压表内阻远大于小灯泡电阻，不考虑电压表的分流作用;让考生应用串联电路的特点与欧姆定律等知识解决问题，考查考生对基本概念和规律的理解，很好地实现了试题的选拔功能.

试题解析

（1）考查串、并联电路的特点，考查考生逻辑推理能力.

图3

小灯泡的额定电压2.5V，可判断AB部分（见图3）并联电压范围，0

（2）考查控制电路——滑动变阻器分压式特点.

描绘小灯泡U-I曲线，电压应从0开始测量，滑动变阻器采用分压式接法，闭合开关前，滑动变阻器的滑片置于的a端，接入电压为0;

（3）考查测量电路，考查考生分析和处理误差的能力.

根据小灯泡的铭牌，知正常发光的电阻R灯=U额I额=2.50.3=8.3（Ω），将电阻箱R2调为零，因RVR灯=3008.3=36，判断RVR灯，电压表在AB部分分流作用很小，可怱略不计，电流表示数近似等于通过小灯泡的电流.

关键能力 部分考生考虑电压表的分流作用，不会处理误差，就造成解题障碍，影响得分.

图4

根据图2坐标系内描出的点，画U-I曲线（见图4），读出小灯泡电流为10mA时，电压为7mV，利用欧姆定律R=U实I实=7×10-310×10-3=0.7Ω.

（4）考查改装电压表的能力，考查运用数学推理运算能力，题中提供的电压表（量程300mV，內阻300Ω）参数，电压表量程300mV（0.3V）太小，需要扩大量程;题中要求电压表满量程（0.3V）时对应于小灯泡两端的电压为3 V时， 电压表量程扩大n=3V0.3V=10倍;分析R2分担最大电压U2=3-0.3=2.7（V）（见图1），根据串联电路特点I=U2R2=UVRV，代入数据 2.7R2=0.3300，求得R2=2700Ω.

（5）考查考生从图像获取信息、分析数据能力.

图线上的点与坐标原点连线用光滑的曲线处理数据（见图5），U-I图线上的点与坐标原点连线的斜率表示灯泡的电阻，因斜率增大灯丝的电阻增大;根据表（见题目）中U、I测量数据，计算UI的值，发现电阻变大的规律，判断灯丝的电阻增大.

图5

（6）考查考生处理数据能力.

分析表中数据：I1=160mA，电压表示数U1′=46mV，因改装后电压表量程扩大10倍，判断小灯泡两端电压U1=0.46A，小灯泡实际功率P1=U1I1=0.46×0.16≈0.074（W）;同理，I2=300mA， U1′=250mV时，小灯泡两端电压U2=2.5V，小灯泡电功率P2=U2I2=2.5×0.3=0.75（W），求得P2P1=0.750.074=10.

启示 试题没有复杂的背景，对知识点覆盖全面，设问层层递进，具有很强“选拔性”功能.分析清楚电路的结构是解题的前提，理解实验原理是解题的关键，试题创新度较高，考生要把熟悉模型进行迁移，要利用串并联电路、欧姆定律等基本原理，对电表进行改装，会利用题中测量的数据进行相关问题计算.试题很好地考查考生的逻辑思维和运用数学处理数据等能力，很好落实物理学科的学科素养.

二、教学建议

电学实验内容丰富，考查比较综合全面，对考生的综合能力要求较高， 从历年考生反馈：实验是考生失分较多的题目，得分率相对偏低，因此电学实验教学和高三备考的过程中，师生要注重电学实验的基本知识、基本方法，找出规律，进行归类整理，要引导学生进行实验拓展创新和变式训练，培养学生科学思维能力，在备考复习中要有针对性和实效性.

1.重视基础实验，提高实验技能

考纲要求考生掌握5个基础电学实验（见表2），考生要能独立完成实验，要在实验过程中提高发现问题、解决问题等能力，提升物理学科素养.

表2

序號基础电学实验理论基础

实验技能

1测定金属的电阻率

测电阻、电阻定律、欧姆定律

电流表的接法，滑动变阻器限流式接法，电流表、电压表的读数，螺旋测微器的读数

2描绘小灯珠的伏安特性曲线测电流、电压电流表的接法，滑动变阻器分压式接法，电流表、电压表的读数，画U-I图像及图像含义

3测定电源的电动势和内阻闭合电路的欧姆定律电流表的接法，电流表、电压表的读数，公式法和图像法求E和r的特点，误差的分析是难点

4多用电表的原理及使用串联、并联电路的特点，部分、闭合电路的欧姆定律三表（电流表、电压表、欧姆表）的结构、原理、读数、使用

5传感器的简单应用各类传感器的特性利用传感器的电学性质设计电路

高考试题在基础实验上进行变换、组合、改进、创新与拓展，考生要对基础实验原理理解透彻，对电学仪器构造、性能、原理等了如指掌，就能熟练使用、读数，不断提高实验动手能力、提高基本的实验技能.

2.加强对实验电路的复习

电学实验电路主要由控制电路和测量电路组成.控制电路涉及到滑动变阻器限流式和分压式的接法，起到调节电路中的电压和电流.如：2021全国甲卷，2016全国卷Ⅰ、2017全国卷Ⅱ、2018全国卷Ⅰ，考生只要熟悉两种接法的优缺点，结合实验要求，进行正确仪器连接，问题便可迎刃而解.测量电路主要由被测元件、电流表、电压表、电阻箱（定值电阻）等构成，电学实验中的数据测量，核心问题是电表有内阻的情况下，仪表如何连接，如何改装，如何提高测量精度.如：2014全国卷Ⅱ、 2017全国卷Ⅰ涉及电流表接法;2015全国卷Ⅰ、2018全国卷Ⅱ涉及改装电流表;2016全国卷Ⅰ、2017全国卷Ⅱ、今年全国甲卷涉及改装电压表;2017全国卷Ⅲ涉及改装多用电表.

3.加强对电阻测量的复习

电学实验的核心是测量电阻.测电路中元件的电阻，方法有：伏安法、等效替代法、电流（电压）半偏法、电桥法等，考生要利用部分电路欧姆定律推导出被测电阻的函数表达式，或根据测量数据运用数学计算出被测电阻.如：2017全国卷Ⅰ，2018全国卷Ⅲ，涉及利用电表测电阻;2018全国卷Ⅰ， 涉及等效替代法测电阻;2015全国卷Ⅱ，2016全国卷Ⅱ， 涉及半偏法测电阻;2017全国卷Ⅱ， 涉及电桥电路测电阻.测电源的内阻，方法有：伏安法、安阻法、伏阻法等，考生要利用闭合电路欧姆定律推导出内阻的函数表达式，结合对应的图像，明确斜率和截距的物理意义，用图像法求出电源的内阻，该类型很好地考查考生应用数学处理物理问题，难度较大.如：2017全国卷Ⅰ，今年全国乙卷.

4.加强对数据记录、分析和处理的复习

数据采集、记录数据、分析和处理数据、得出结论，是考生的一项基本实验技能.如何记录实验数据？如：不同的电表按照不同规则进行读数和记录;题中明确要求保留几位小数或几位有效数字，2017全国卷Ⅰ、卷Ⅱ、卷Ⅲ，2018全国卷Ⅰ、卷Ⅱ涉及数据的记录.处理数据主要方法有：列表法、计算法、平均值法、图像法等.图像法直观，容易判断物理量之间线性或非线性关系，要理解图像的斜率与坐标轴交点物理意义.如： 2018全国卷Ⅰ，2021年全国乙卷，涉及利用图像处理数据，得出实验结论.

发展学生的核心素养是深化课程改革的目标，高考命题承担推进课程改革的使命，落实“立德树人”任务.教师关注并研究高考试题的特点及变化，探寻高考备考的有效方法，重视学生关键能力的培养，提高学生物理学科素养，让学生在高考中发挥最佳水平.

（收稿日期：2021-09-12）