基于學生錯誤資源開發(fā)的初中物理試題命制

肖 晨

(西安交通大學蘇州附屬初級中學，江蘇 蘇州 215021)

1 問題的緣起

圖1

在“探究通過導體的電流與電壓、電阻的關系”時,提供學生如下器材:2節(jié)新干電池(電壓為3V),滑動變阻器(20Ω 1A),定值電阻5Ω、10Ω、20Ω,電流表,電壓表,導線若干．筆者引導學生設計如圖1所示電路,完成探究通過導體的電流與它兩端電壓的關系后,繼續(xù)探究通過導體的電流與電阻的關系,保持電阻兩端電壓不變,研究通過電阻的電流與電阻大小的關系．在分析實驗數據時,某小組同學不能得出正確的結論,實驗數據如表1．經過與小組同學交流,發(fā)現保持電阻兩端電壓為1V,第3組數據存在異常,此時將滑動變阻器滑片調至阻值最大,都無法使電阻兩端電壓為1V,小組同學隨即讀取電流表示數為0.08A．對此,筆者對該小組同學進行實事求是科學態(tài)度的教育,進而設計問題引導學生尋找解決方案.問題1:本次實驗中調節(jié)滑動變阻器滑片,電壓表示數始終比1V大還是小呢?問題2:看來是控制電阻兩端電壓的值過大了,那如何解決該問題?問題3:還有其他解決方案嗎?

表1

學生以為該實驗問題已全部解決,教師提出問題:在原先的實驗器材下,控制電阻兩端電壓U0為1V過小,那此時U0是不是有一個取值范圍呢?它的取值范圍是多少?筆者發(fā)現學生對U0的取值范圍存在較大疑惑,而對U0取值范圍的理解,能夠幫助學生深入理解實驗內容,優(yōu)化實驗方法,也體現了實驗器材選擇的重要性．《義務教育物理課程標準(2011版)》中有3處涉及到指導學生正確選擇實驗器材的論述,[1]可見科學選擇使用器材在培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)方面的重要功能．此外,學生對實驗方案的正確評價,能夠有效培養(yǎng)其批判性思維,提升學生的創(chuàng)新意識．

2 試題的編制

根據學生錯誤實驗操作出現的問題,教師引導下修正實驗方案和步驟,通過問題驅動學生完成實驗方法的改進,加強對實驗問題的深度思考．筆者基于上述情境,改編中考試題,統整相關試題,評價學生對重點實驗的理解,促進學生的深度學習．

例題.(2017年山東德州改編)現有下列器材:學生電源(6V),電流表(0～0.6A)、電壓表(0～3V)、定值電阻(5Ω、10Ω、20Ω各一個)、開關、滑動變阻器和導線若干,利用這些器材探究“電壓不變時,電流與電阻的關系”.

(1) 請根據圖2(甲)所示的電路圖用筆畫線代替導線將圖2(乙)所示的實物連接成完整電路．(要求連線不得交叉)

(2) 開關閉合后,發(fā)現電壓表無示數,電流表有示數,電路可能的故障是__________．

(3) 實驗中,小強用5Ω的電阻做完實驗后,保持滑動變阻器滑片的位置不變,接著把R換為10Ω的電阻接入電路,閉合開關,應向________(選填“A”或“B”)端移動滑片,實驗中,定值電阻兩端控制的預設電壓是________V．

圖2

(4) 實驗中依次接入3個定值電阻,調節(jié)滑動變阻器的滑片,保持電壓表示數不變,記下電流表的示數,利用描點法得到如圖2(丙)所示的電流I隨電阻R變化的圖像．由圖像可以得出結論:________．

(5) 為完成整個實驗,應該選取哪種規(guī)格的滑動變阻器________(填序號)．在這種情況下,預設電壓的取值范圍是________．

(A) 40Ω，0.5A.

(B) 30Ω，1.0A.

(C) 20Ω，1.2A．

第1～4小問解答省略,第5小問的解答過程如下.

學生對預設電壓的取值范圍的求解存在較大問題,一方面是影響預設電壓的因素過多,包括電源電壓、滑動變阻器的最大阻值及額定電流、電壓表量程和電流表量程等;另一方面是求解過程中最值的取舍問題,解答過程較為繁瑣,學生在細節(jié)上容易出錯,下面就常規(guī)的解題思路加以解析．

在求解預設電壓的最大值時,電壓表和電流表的量程、滑動變阻器的額定電流都具有限制作用:(1) 當電壓表量程最大為3V時,如表2第1組實驗電流大于滑動變阻器的額定電流0.5V,所以預設電壓應小于3V．

表2

(2) 由于電流表量程最大為0.6A,滑動變阻器額定電流為0.5A,所以當電流最大為0.5A,電阻為20Ω和10Ω時,電壓大于電壓表量程,故此時預設電壓為U0=IR=5Ω×0.5A=2.5V,如表3所示,故預設電壓的最大值為2.5V．

表3

在求解預設電壓的最小值時,滑動變阻器的最大阻值具有限制作用,若電阻為5Ω時,滑動變阻器取最大值,則將電阻換成10Ω或20Ω時,所需滑動變阻器的阻值大于其最大阻值．從而當電阻為20Ω時,滑動變阻器阻值最大為40Ω,預設電壓取2V,如表4所示．

表4

綜上所示,預設電壓的取值范圍為2～2.5V.

3 試題的拓展

在上述試題中,由于電源電壓大小保持不變,求解預設電壓時不需要考慮該因素,所以本題可以通過改變問題條件,舉一反三做如下拓展．

拓展1:某小組學生也想探究“通過導體的電流與導體電阻的關系”．利用圖2所示的電路圖,選了3個阻值分別為5Ω、10Ω、20Ω的定值電阻,規(guī)格為“50Ω 1A”的滑動變阻器．若他想3次實驗中控制電壓表的示數為2V不變,則電源電壓的選取范圍是________ V～________ V．

本題是對原問題的遷移,改變題設條件和問題設置．由題意可知,電源電壓最小為2V;因為電阻兩端電壓控制為2V,所以不需考慮電壓表和電流表量程．根據串聯電路分壓原理,預設電壓一定的情況下,滑動變阻器阻值最大時,電源電壓最大．若電阻為5Ω時,滑動變阻器阻值最大,則要控制電阻兩端電壓為2V,電阻換成10Ω或20Ω時,滑動變阻器所需阻值超出最大阻值;同理電阻為10Ω時,滑動變阻器達到阻值最大也不符合題意．從而,電阻為20Ω時,滑動變阻器阻值最大為50Ω,電源電壓最大為7V．

拓展2:某小組同學還想探究“在電壓一定的情況下,電流與電阻的關系”,于是將4個阻值分別為10Ω、8Ω、6Ω和4Ω的定值電阻,規(guī)格為“20Ω 1A”的滑動變阻器．為了能順利獲得4組數據,完成實驗,電源電壓的最大值為________．

本題是對拓展1的提升,預設電壓未知的情況下求電源電壓的取值范圍．電源電壓的最小值大于0即可,所以沒有設問求解．若預設電壓達到最大為3V,只能當電阻為10Ω且滑動變阻器阻值最大時,電源電壓最大為9V;若電流表達到最大為0.6A,由前分析可知,只能當電阻最大時,滑動變阻器達到阻值最大,所以只需確定預設電壓的值,當4Ω、6Ω、8Ω和10Ω時達到電流表示數最大,此時預設電壓分別為2.4V、3.6V、4.8V和6V,若預設電壓大于2.4V,通過4Ω的電阻的電流大于0.6A,所以預設電壓為2.4V,電源電壓最大為7.2V．綜上所述,電源電壓的最大值為7.2V．

拓展3:拓展2中,實驗過程中電源電壓保持不變,當把10Ω和8Ω的兩個電阻接入電路正確進行實驗時,兩次滑動變阻器的功率之比為________．

本題是對“電壓一定時,探究電流與電阻關系”的實驗原理的總體把握,需要明晰實驗的操作過程及其依據．實驗時電阻兩端電壓始終相同,則滑動變阻器兩端電壓始終相等,兩次實驗時的電流值比為5∶4,根據P=UI可知,兩次滑動變阻器的功率之比為5∶4．