2017高考理綜全國Ⅱ卷物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)題賞析與啟示

摘 要：2017年高考理綜全國Ⅱ卷物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)題考查了用比值法測(cè)量電阻的綜合應(yīng)用問題。實(shí)驗(yàn)原理并沒脫離基本的電學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器使用和電路結(jié)構(gòu)分析，但提升了學(xué)生運(yùn)用串并聯(lián)電路的基本規(guī)律對(duì)電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、簡(jiǎn)化及運(yùn)算的能力。該實(shí)驗(yàn)題既可以用基本電路知識(shí)逐步求解，也可以用惠更斯電橋平衡原理來解決，既體現(xiàn)了題目考查的基礎(chǔ)全面性，又體現(xiàn)了題目考查的靈活多樣性。題目滲透了等效替代、化繁為簡(jiǎn)和控制變量等科學(xué)思想方法，是近年難得一見的個(gè)性鮮明的實(shí)驗(yàn)題。

關(guān)鍵詞：理綜電學(xué)實(shí)驗(yàn)題；比值法；等效替代；化繁為簡(jiǎn)

隨著2017年全國高考的順利結(jié)束，高考試題終于在萬眾期待中揭開了其神秘的面紗。與歷屆高考一樣，今年的高考試題也成為大家討論的熱點(diǎn)，各科試題都以各自獨(dú)特的魅力吸引著廣大考生、家長(zhǎng)和教育工作者，大家眾說紛紜、褒貶不一。作為一名長(zhǎng)期奮斗在教學(xué)一線的高三畢業(yè)班科任教師，筆者也不能冷眼旁觀，來不及卸下備考的疲憊，便投入到高考試題的分析研讀中，評(píng)品感悟，總結(jié)得失，以期為今后的教學(xué)儲(chǔ)存必要的養(yǎng)分。通過仔細(xì)的分析研讀，筆者認(rèn)為今年高考理綜全國Ⅱ卷中的物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)題特色鮮明，值得反復(fù)品味。

2017年高考理綜全國Ⅱ卷中的物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)仍然沿襲了近三年電學(xué)實(shí)驗(yàn)考查電阻測(cè)量的一貫意向，但考查方式方法進(jìn)一步靈活，對(duì)考生的實(shí)驗(yàn)綜合能力的要求進(jìn)一步提升。本試卷中的電學(xué)實(shí)驗(yàn)題已經(jīng)不再是來源于考試大綱要求的必考學(xué)生實(shí)驗(yàn)，也不是常見課堂演示實(shí)驗(yàn)，甚至不是上述內(nèi)容的拓展遷移，而是考查了用比例法測(cè)量電阻的綜合應(yīng)用問題。實(shí)驗(yàn)原理并不脫離基本的電學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器使用和電路結(jié)構(gòu)分析，但提升了學(xué)生運(yùn)用串并聯(lián)電路規(guī)律對(duì)電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、簡(jiǎn)化及運(yùn)算的能力。該實(shí)驗(yàn)題既可以用基本電路知識(shí)進(jìn)行逐步求解，也可以用惠更斯電橋平衡原理來解決，既體現(xiàn)了題目考查的基礎(chǔ)全面性，又體現(xiàn)了題目考查的靈活多樣性。題目滲透了等效替代、化繁為簡(jiǎn)和控制變量等科學(xué)思想方法，是近年難得一見的個(gè)性鮮明的實(shí)驗(yàn)題，甚至與2017年全國理綜Ⅰ卷電學(xué)實(shí)驗(yàn)相比也毫不遜色。

一、基本的解題思路分析

（1）實(shí)物連線：要依據(jù)原理圖分層次逐步連接。

①連接供電電路——將電源，開關(guān)S1，滑動(dòng)變阻器R1的兩個(gè)下接線柱順次連接形成供電電路。

②連接測(cè)量電路——先將電阻箱與微安表串聯(lián)，整體與滑動(dòng)變阻器R2全電阻并聯(lián)，再將它們整體接在供電電路滑動(dòng)變阻器R1的左下接線柱和一個(gè)上接線柱之間。再在電阻箱的右接線柱和滑線變阻器R2的上接線柱之間接上開關(guān)S2。

③檢查電路——主要檢查滑動(dòng)變阻器的連接方式和微安表的正負(fù)接線柱的電勢(shì)高低。

（2）器材選擇：供電電路中的滑動(dòng)變阻器是分壓連接方式，所以應(yīng)選擇小阻值的滑動(dòng)變阻器為宜，這樣可使得分壓器輸出電壓與變阻器電阻長(zhǎng)度近似成正比。因此應(yīng)選擇規(guī)格為20 Ω的滑動(dòng)變阻器R1。

（3）注意實(shí)驗(yàn)儀器在工作時(shí)的安全：在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，為了保證微安表不會(huì)因?yàn)槌惺艿碾妷海娏鳎┨螅ǔ^量程）而損害，需要保證施加在測(cè)量電路上的電壓最小（接近零），因此開始時(shí)要將R1的滑片C滑到接近圖（a）中的滑動(dòng)變阻器R1的“左”端。

（4）電路分析：通過電路分析，弄清實(shí)驗(yàn)測(cè)量原理是本題的關(guān)鍵所在，也是本實(shí)驗(yàn)題的難點(diǎn)和對(duì)考生綜合分析能力的巨大挑戰(zhàn)。

分析電路圖首先要對(duì)電路圖進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換和化簡(jiǎn)，把原來復(fù)雜的電路圖轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單明了的電路圖，使電路中的串并聯(lián)關(guān)系清晰順暢，一目了然。其次通過對(duì)化簡(jiǎn)后的電路圖的分析，弄懂測(cè)量的基本原理和方式方法。

電路的等效化簡(jiǎn)過程如下：

①首先把測(cè)量電路中的滑動(dòng)變阻器R2以滑動(dòng)觸頭所在處為界拆分成兩個(gè)電阻R21和R22，測(cè)量電路就會(huì)變得簡(jiǎn)單明了，如圖（d）。

圖（d）

②再把供電電路等效成穩(wěn)壓電源E1，電路圖進(jìn)一步簡(jiǎn)化成如下圖（e）所示。

圖（e）

③最后畫出S2閉合后的電路圖如圖（f）所示。

圖（f）

該實(shí)驗(yàn)中通過一個(gè)20 Ω的滑動(dòng)變阻器R1滑動(dòng)觸頭C左邊的部分電阻分壓對(duì)工作電路供電，測(cè)量過程中當(dāng)其滑動(dòng)觸頭C調(diào)節(jié)到適當(dāng)位置后沒有再移動(dòng)，而負(fù)載電阻始終遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于滑動(dòng)變阻器R1滑動(dòng)觸頭C左邊的電阻，因而負(fù)載電阻的變化對(duì)滑動(dòng)變阻器R1的輸出電壓影響非常小，可以認(rèn)為其輸出電壓保持不變，因而可以將整個(gè)供電電路等效為一個(gè)恒壓的供電電源。

因?yàn)殚_關(guān)S2閉合前后微安表（μA）的示數(shù)保持不變，這說明開關(guān)S2閉合后并沒有電流流過該開關(guān)，即開關(guān)S2閉合并沒有對(duì)電路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，因而可以斷定開關(guān)S2兩端B、D點(diǎn)電勢(shì)相等。所以加在Rz與R21兩端的電壓（U1）相同。同理可知加在微安表（μA）與R22兩端的電壓（U2）也相同。又因?yàn)榱鬟^電阻箱Rz與微安表（μA）的電流（I1）相同，流過R21與R22的電流（I2）也相同。設(shè)微安表（μA）內(nèi)阻為rA，電阻箱電阻為Rz1=2500 Ω，電阻箱電阻為Rz2=2601 Ω。

則列出以下關(guān)系式：

I1Rz1=I2R21 ①

I1rA=I2R22②

聯(lián)立①②解得：R21/R22=Rz1/rA ③

將電阻箱與微安表（μA）互換后，測(cè)量原理不變，同理得：

I1rA=I2R21④

I1Rz2=I2R22⑤

聯(lián)立④⑤解得：R21/R22=rA/Rz2⑥

聯(lián)立③⑥解得：rA=2550 Ω。

（5）誤差分析：本題的誤差分析主要側(cè)重對(duì)系統(tǒng)誤差的分析，當(dāng)通過微安表（μA）的電流越大，開關(guān)S2閉合后相同電流流過該開關(guān)S2引起微安表（μA）指針的變化就越明顯。當(dāng)然，除了標(biāo)準(zhǔn)答案給出的盡量增大微安表示數(shù)來減小實(shí)驗(yàn)誤差的建議外，其他相關(guān)表述只要言之有理都可得分，比如重復(fù)多次測(cè)量求平均值，電表讀數(shù)力求準(zhǔn)確等等。

二、一題多解，拓展遷移

對(duì)于問題（2）（4）可將本實(shí)驗(yàn)題電路轉(zhuǎn)換成圖（g）所示的電路時(shí)，對(duì)于一些具有惠更斯電橋平衡知識(shí)的學(xué)生就會(huì)聯(lián)想到相關(guān)思想方法，將該電路看作是惠更斯電橋（圖h）平衡的變形拓展。此時(shí)，閉合開關(guān)S2前后，微安表（μA）示數(shù)不變，實(shí)質(zhì)上就是沒有電流流過B、D間，即電橋達(dá)到了平衡。因此用惠更斯電橋平衡等式直接得到：

三、本題考查的相關(guān)能力，蘊(yùn)涵的物理科學(xué)方法

本題中問題（1）及（2）①②③著重考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)基本操作和分析判斷能力，能力要求較低。而問題（2）④和（3）則著重考查學(xué)生的分析判斷、綜合應(yīng)用、拓展遷移、推理探究、總結(jié)論證等能力，屬于較高層次的能力要求，有很好的區(qū)分度。

（1）問題（1）的實(shí)物連線考查學(xué)生的電路結(jié)構(gòu)分析能力和動(dòng)手實(shí)踐能力。解答過程運(yùn)用了等效替代的物理科學(xué)方法。

高中物理教師在教學(xué)時(shí)應(yīng)該以培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證等能力為出發(fā)點(diǎn)，體現(xiàn)物理學(xué)科的核心素養(yǎng)為教學(xué)目的，電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)也不例外。上述問題提醒我們物理教師在平時(shí)的教學(xué)中要重視對(duì)學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)操作能力的培養(yǎng)，切忌以講實(shí)驗(yàn)代替做實(shí)驗(yàn)，要讓學(xué)生通過實(shí)踐操作，體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)操作過程步驟、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的方式方法，通過電路連接、調(diào)試、排除故障更進(jìn)一步了解實(shí)驗(yàn)儀器的使用細(xì)節(jié)、加強(qiáng)對(duì)電路結(jié)構(gòu)的掌握，熟悉電路圖和實(shí)物圖的對(duì)應(yīng)關(guān)系和等效關(guān)系。

（2）問題（2）①滑動(dòng)變阻器阻值的選擇考查學(xué)生基本的電路結(jié)構(gòu)分析判斷和實(shí)踐操作能力。問題（2）②滑動(dòng)變阻器滑動(dòng)觸頭位置的判斷考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)儀器使用的安全思想和實(shí)踐操作能力。

這兩個(gè)問題提醒我們要特別重視考綱要求的必考實(shí)驗(yàn)的教學(xué)和復(fù)習(xí)，在平時(shí)的高考復(fù)習(xí)中以必考實(shí)驗(yàn)為抓手，落實(shí)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的基本操作能力、電路分析化簡(jiǎn)能力、數(shù)據(jù)處理能力、誤差分析能力全方位的培養(yǎng)；通過必考實(shí)驗(yàn)的對(duì)比分析，理解不同實(shí)驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)，不同實(shí)驗(yàn)儀器在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中的相同相通之處和相別相異之處；同時(shí)樹立節(jié)約用電、安全用電的觀念；通過對(duì)特定實(shí)驗(yàn)考題運(yùn)用一題多解、一題多問、一題多變等方法培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析能力和發(fā)散思維。

（3）問題（2）④的實(shí)驗(yàn)結(jié)論考查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)論的綜合分析，推理論證、概括總結(jié)能力。解題過程運(yùn)用了等效替代、化繁為簡(jiǎn)、控制變量等物理科學(xué)方法。

對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和相關(guān)步驟要進(jìn)行細(xì)致分析，重點(diǎn)應(yīng)放在以電路圖為依托，以電阻測(cè)量為核心的物理實(shí)驗(yàn)的基本原理和基本方法上。運(yùn)用串并聯(lián)規(guī)律和閉合電路歐姆定律，引導(dǎo)學(xué)生分析電路結(jié)構(gòu)和功能，弄清楚解決問題所需要測(cè)量的物理量和對(duì)應(yīng)的測(cè)量方法，選擇相應(yīng)的器材，確定實(shí)驗(yàn)操作步驟，使學(xué)生真正理解實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)操作流程，而不是記憶實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)步驟，只有理解才能在考題創(chuàng)新之處進(jìn)行知識(shí)遷移，從容應(yīng)對(duì)。

教師在教學(xué)中要不斷地培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用轉(zhuǎn)換法把陌生隱晦模型轉(zhuǎn)換成熟悉簡(jiǎn)單模型的科學(xué)思想方法。要通過不斷訓(xùn)練，夯實(shí)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)電路圖的化簡(jiǎn)、等效，電表的改裝、替代，數(shù)據(jù)圖線的變曲為直等方面的知識(shí)技能，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換的能力和自覺性。近年高考全國理綜卷對(duì)復(fù)雜電路分析化簡(jiǎn)的要求越來越高，要引起我們教師在今后教學(xué)中的足夠重視。

（4）問題（3）要求對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差進(jìn)行分析，考查學(xué)生分析探究、總結(jié)反思的能力。

實(shí)驗(yàn)誤差分析往往是實(shí)驗(yàn)試題提出的具有甄別功能的問題，一般會(huì)出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)題的最后一問。對(duì)于偶然誤差，主要考查消除偶然誤差的方式方法，難度適中。對(duì)系統(tǒng)誤差的分析主要考查誤差來源和如何減小系統(tǒng)誤差。這個(gè)問題一般難度較大，要求考生通過全面理解實(shí)驗(yàn)原理和對(duì)應(yīng)的測(cè)量方法才能通過綜合分析找到系統(tǒng)誤差的來源和減小系統(tǒng)誤差的途徑。

在高考復(fù)習(xí)中，教師不但要詳盡地分析講解考試大綱羅列的必考學(xué)生實(shí)驗(yàn)，還應(yīng)該訓(xùn)練一些以解決實(shí)際問題為目的的設(shè)計(jì)性拓展實(shí)驗(yàn)，訓(xùn)練學(xué)生嘗試從實(shí)驗(yàn)原理出發(fā)進(jìn)行簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，包括選擇儀器，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、裝置圖、合理實(shí)驗(yàn)步驟，設(shè)計(jì)表格，記錄數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理，如何減小誤差，注意事項(xiàng)等，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和創(chuàng)新能力的目的。

四、反思

本題在知識(shí)方法層面以電阻測(cè)量為出發(fā)點(diǎn)，但又并沒有考查我們以往熟悉的、來源于課本或復(fù)習(xí)資料中常見的伏安法、等效法以及半偏法測(cè)量電阻，而是另辟蹊徑，考查了比例法測(cè)量電阻。本實(shí)驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，適用的解題方法貌似脫離我們的課堂教學(xué)內(nèi)容，顯得不接地氣。但通過以上的分析求解過程，我們不難發(fā)現(xiàn)本題的整個(gè)分析求解過程緊緊圍繞基本的串并聯(lián)電路規(guī)律和基本的實(shí)驗(yàn)操作方法，從第一個(gè)問題到最后一個(gè)問題步步深入，既照顧了學(xué)生應(yīng)該掌握的電學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)又具有一定的難度挑戰(zhàn)，并沒有脫離高中學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能而顯得偏繁、難。同時(shí)對(duì)于一些具有深厚專業(yè)基礎(chǔ)的學(xué)生，他們可以利用惠更斯電橋平衡的原理快捷地求解本題，這樣既體現(xiàn)了本題的基礎(chǔ)性，又體現(xiàn)了本題的靈活性和開放性。教與學(xué)的本質(zhì)是以緊緊圍繞學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)為出發(fā)點(diǎn)，尤其是要瞄準(zhǔn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)。電學(xué)實(shí)驗(yàn)也不例外，如本題在綜合能力層面則是考查學(xué)生在對(duì)應(yīng)題目環(huán)境中的物理核心素養(yǎng)的體現(xiàn)：物理思維即物理的邏輯推理；物理語言即物理模型的構(gòu)建和物理知識(shí)的應(yīng)用

參考文獻(xiàn)

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書 高中物理 選修3-1[M].北京：人民教育出版社，2016.

[2]張憲魁，秦曉文.物理科學(xué)方法教育理論與實(shí)踐[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2015.