拓展素材来源,引领实验教学——2023年湖南省普通高中学业水平选择性考试物理第12题的分析与变式

杨宗礼

(湖南省湘阴县第一中学)

【真题展示】某探究小组利用半导体薄膜压力传感器等元件设计了一个测量微小压力的装置,其电路如图1所示,R1、R2、R3为电阻箱,RF为半导体薄膜压力传感器,C、D间连接电压传感器(内阻无穷大)。

图1

(1)先用欧姆表“×100”挡粗测RF的阻值,示数如图2所示,对应的读数是________Ω;

图2

(2)适当调节R1、R2、R3,使电压传感器示数为0,此时,RF的阻值为________(用R1、R2、R3表示);

(3)依次将0.5 g的标准砝码加载到压力传感器上(压力传感器上所受压力大小等于砝码重力大小),读出电压传感器示数U,所测数据如表所示:

次数123456砝码质量m/g0.00.51.01.52.02.5电压U/mV057115168220280

根据表中数据在图3上描点,绘制U-m关系图线;

图3

(4)完成前面三步的实验工作后,该测量微小压力的装置即可投入使用。在半导体薄膜压力传感器上施加微小压力F0,电压传感器示数为200 mV,则F0大小是________N(重力加速度取9.8 m/s2,保留2位有效数字);

(5)若在步骤(4)中换用非理想毫伏表测量C、D间电压,在半导体薄膜压力传感器上施加微小压力F1,此时非理想毫伏表读数为200 mV,则F1________(填“>”“=”或“<”)F0。

图4

【试题解析】(1)欧姆表读数为10×100 Ω=1 000 Ω

(2)当电压传感器读数为零时,C、D两点电势相等,即UCB=UDB

(3)绘出U-m图像如图4所示

(4)由图4可知,当电压传感器的读数为U=200 mV 时,所放物体质量为m≈1.80 g,则

F0=mg≈1.80×10-2N

(5)可将C、D以外的电路等效为新的电源,C、D两点电压看作路端电压,因为换用非理想电压传感器当读数为200 mV时,实际C、D间断路(接理想电压传感器时)的电压大于200 mV,则此时压力传感器的读数F1>F0。

【试题评价】本题以人教版新教材选择性必修第二册P109课题研究样例:半导体薄膜压力传感器特性的实验研究为素材命制,创新实验情境,考查了欧姆表的读数、压阻电桥原理、数据处理等实验技能,考查了学生的实验素养。打破了电学实验出自必修三学生实验的惯例,拓宽了实验的选材范围,命题者在反套路反机械刷题上下足了功夫,同时符合湖南省教育厅要求从今年开始在全省中小学全面开展拓展实验的要求,必将引领实验教学。

【改编变式练】某课外物理兴趣小组的同学利用热敏电阻等元件设计了一个探究热敏电阻的阻值与环境温度变化关系的装置,其电路如图5所示,R1、R2、R3为电阻箱,RT为热敏电阻,C、D间连接电流传感器(内阻为零)。

图5

(1)将热敏电阻放置在恒温箱中,调节恒温箱的温度为t℃时,闭合开关,适当调节R1、R2、R3,使电流传感器示数为0,此时,RT的阻值为________(用R1、R2、R3表示);

(2)改变恒温箱的温度,同时适当调节R1、R2、R3使电流传感器示数始终为0,记录多阻恒温箱的温度,并求出每次对应的热敏电阻的阻值,如下表所示。

t/℃25304050607080RT/Ω900679499389320270240

(3)在图6的坐标纸上补齐数据表中所给数据点,并作出RT-t曲线;并说明该热敏电阻的阻值随温度升高而________(填“增大”或“减小”)。

图6

(4)兴趣小组的同学用该热敏电阻设计出自动报警装置,电路图如图7所示。报警器两端的电压升到某特定值时,报警装置会自动报警,为增加报警器的灵敏程度应________(填“增大”或“减小”)R的电阻值。

图7

【改编意图】以探究热敏电阻的阻值与环境温度变化关系为情境,从对电桥法测电阻原理的理解、实验数据的处理、实验结论的得出、实验方案的设计与解释等方面考查学生的实验能力和科学探究能力,意在考查学生灵活运用相关知识解决实际实验问题的能力。

(3)由题给数据描完点后如图8所示,观察这些点的分布规律,应画一条平滑曲线,让尽可能多的点落在线上,不在线上的点要均匀分布在线的两侧。由描出的图像可看出随着温度升高,该热敏电阻的阻值减小。

图8

【教学启示】1.加强实验教学,提高解决实验问题的能力是物理学科的重要教学任务。要结合课本实验及其相关实验问题的解决与训练,使学生真正理解课本实验的目的、原理、原则,熟悉课本实验的正确操作步骤等,培养学生设计实验、收集数据、处理数据、科学探究能力。

2.实验教学要从讲实验向做实验转变,要把学生拉回实验室,熟练实验操作,在动手中关注实验细节,无论是仪器的安装和调节,还是电路的连接,都需要采取正确的方法,学生有了真实的实验体验,才能提高实验探究能力。

3.数据分析和处理是物理实验考查的重点,是实验题获取高分的关键。数据分析和处理是指从获得数据开始到得出最后结论的整个加工过程,包括数据记录、整理、计算、分析和绘制图表等,这就要求学生平时每次做完实验撰写好实验报告,“随风潜入夜,润物细无声”,数据分析和处理的能力在一次次实验报告的撰写中得到提升。