关注学科核心素养 体验物理实验情感

陶汉斌

[摘 要]每年高考物理电学实验题都是学生关注的焦点，相关考题常考常新，精彩纷呈。电学实验复习给学生的感觉就是摸不着头脑，“一听就懂，一做就错”，考试时得不到什么分数。其实这些实验题，虽然面目年年新，但都源于课本知识的加工和深化，注重考查物理学科核心素养。要解答好这些实验题，就要求学生在实验时要注意体验物理实验情感，要真实

做过相关实验。近几年就是通过现场拍摄实验场景，将照片呈现在考生面前，让考生有身临其境之感，最后进行实验操作，体验科学探究的实验情感，同时也能有效考查考生的物理学科核心素养。

[关键词]电学实验；核心素养；实验情感；身临其境；科学探究

[中图分类号] G633.7 [文献标识码] A [文章编号] 16746058（2018）02003704

一、电学实验要求的演变

每年电学实验试题注重考查考生的学科素养，考查考生是否真正做过这个实验。如实验仪器认不认识，有没有到过实验室，有没有做过实验。实验题注重实验操作与理论分析，要求能用图像法处理实验数据，也注重对考生物理学科核心素养的考查。我们可回顾近几年高考电学实验试题的演变。

2011年实验试题体现了做过与没做过实验的区别；

2012年实验试题体现了在新情境下会用学过的物理知识和规律进行探究；

2013年实验试题要求不仅懂得实验器材的合理选用，并了解其功能，更要求能结合所测物理量的性质，正确处理实验数据，更加关注整个实验过程；

2014年两个实验题都是通过拍摄真实的实验场景，考查学生对实验操作、仪器读数等基本物理素养，体现了新课改对知识获取过程的关注。

近三年的高考实验试题中，出现了将相近的几个实验“类聚”在一起，让考生识别的情况，这种“组合对比”实验是高考实验的一个新亮点。

二、电学实验考查的基本模式

近几年来，由于现代科技的发展，物理实验的考查方式也在不断创新。其基本模式就是现场拍摄实验场景，将照片呈现在考生面前，让考生模拟实验场景，进行实验操作，体验实验情感。我们可用图1展示实验考查的流程。

三、电学实验考查的基本原理

物理原理是求解实验题的出发点和依据。如果没有理论指导，就容易弄错解题方向。

电学实验虽然复杂，但其基本原理是非常简洁的，这些原理大致有：（1）部分电路欧姆定律I=U/R，这一原理可以演变成伏安法测电阻、测小灯泡伏安特性曲线、测金属的电阻率；（2）闭合回路欧姆定律I=U/（R+r），这一原理可以演变成测电源电动势和内电阻U=E-Ir；（3）串并联电路的原理。

四、高考电学实验题考查的实验

实验六：伏安法测电阻。

实验七：探究导体电阻与其影响因素的定量关系。

实验八：描绘小灯泡的伏安特性曲线实验。

实验九：测定电池的电动势和内阻。

实验十：练习使用多用电表。

五、电学实验考查的焦点问题

1.基本仪器的读数

高考物理实验题肯定要涉及基本仪器及其基本操作，这是学生应该具备的最基本的科学实验素养。如电学中的电流表、电压表、多用电表、滑动变阻器、电阻箱等仪器，对以上基本实验仪器要掌握其构造原理、操作方法、量程的选取等。

（1）游标卡尺、螺旋测微器的读数技巧

记住两点：一是所有读数一定以毫米为单位并注意主尺刻度对应的毫米数，根据结果再变换单位。二是以毫米为单位，小数点后数字应注意：螺旋测微器是3位；20分度和50分度游标卡尺是2位；10分度游标卡尺和毫米刻度尺是1位。

（2）电压表、电流表、多用电表的读数技巧

对电表读数问题，先要弄清楚电表的精确度，即每小格的数值，再确定估读的方法，精度为1（0.1，0.01）要估读到下一位，精度为2（0.2，0.02）或5（0.5，0.05）的估位就在精确位，也就是相当于不需要估读。

多用电表在读数时，最上排不均匀刻度为测电阻时读数刻度，读出表盘刻度后应乘以挡位倍率；中间刻度是均匀的，为测量电压和电流的读数刻度，下面三排数字是为方便读数而标注的；最下排刻度专为测量2.5V以下交流电压所用，一般较少使用。

【例1】 正确读出如图2中仪器的读数。游标卡尺的读数为 mm，螺旋测微器的读数为 mm，若用多用电表的电阻“×10”挡进行测量，则电阻约为 Ω。

解析：游标卡尺的读数为L=50mm+3×0.05mm=50.15mm，不需要估读；螺旋测微器的读数为D=4mm+0.5mm+20.0×0.01mm=4.700mm，要估读到下一位；多用电表的读数为R=22×10Ω=220Ω。本题答案：50.15mm；4.700mm；220Ω。

点评：仪器读数时涉及有效數字问题，一般情况下均要估读到下一位。游标卡尺、秒表、电阻箱不需要估读，精度为2（0.2，0.02）或5（0.5，0.05）的估位就在精确位。

2.滑动变阻器

在实验过程中，由于要测量多组数据，一般都要用到滑动变阻器。连接电路时，要正确选择滑动变阻器的接法（分压式、限流式），如何选呢？

（1）通常情况下，由于限流电路能耗较小，因此，优先考虑限流式接法。

（2）在下面三种情况下必须要选择分压式接法。

①要求待测电阻的电压从零开始连续变化，多测几组数据，实验更加精确。

②题目所提供的实验仪器，电表量程或待测电阻的最大允许电流小于限流电路中的最小电流。

③滑动变阻器总电阻远小于被测电阻。

【例2】 如图3为某一热敏电阻（电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感）的I-U关系曲线图。

（1）为了通过测量得到图3所示I-U关系的完整曲线，在图4和图5两个电路中应选择的是图 ；简要说明理由： 。（电源电动势为9V，内阻不计，滑动变阻器的阻值为0～100Ω）。

（2）在图6电路中，电源电压恒为9V，电流表读数为70mA，定值电阻R1=250Ω。由热敏电阻的I-U关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为 V；电阻R2的阻值为 Ω。

解析：（1）图4中的滑动变阻器为分压式接法，图5中的滑动变阻器为限流式接法。在分压电路中，滑片移至最左端时热敏电阻电压为零，滑到最右端时热敏电阻两端电压最大（电源内阻很小，Umax=E），显然电压的调节范围是0～E，完全满足题目要求。而在限流电路中滑片移到最左端时，热敏电阻两端电压最小为

Umin=ER+R0+r·R

，滑到最右端时电压最大为Umax=E，其电压变化范围为

ERR+R0+r

～E，很明显限流电路的电压变化范围小，不能测出全部图线所需数据。

（2）流过电阻R1的电流为I1=

UR1=9250（A）=36（mA），所以流过热敏电阻的电流为I=I总-I1=70-36=34（mA）。在伏安特性曲线上可以看出，当I=34mA时，电压U=5.2V，R2两端的电压U2=U总-U=9-5.2=3.8（V），所以R2=U2I2=3.80.034=111.8（Ω）。

点评：实验过程中要画图线时，要求数据范围比较大宽广，所以电路应用分压式接法。而利用所得的图线分析物理规律时，一定要理解图线上每一个点的物理内涵。

3.电学实验中的电表处理方法

在高考物理实验题中，对“电表”处理能力的考查是近几年高考实验题的一大亮点。在复习电学实验中，分析测量电表内阻的方法时，学生往往感觉比较困难。其原因在于没有搞清楚这些电表的本质，对电表比较陌生，往往“谈表色变”。其实电表本身也是一个实实在在的会“说话”的电阻，不要把电表看得深不可测，它毕竟也是一个非常普通的电阻。只不过电流表电阻比较小，但绝不等于零，而电压表电阻比较大，但绝不是无穷大。

【例3】 某电流表的内阻为0.1～1Ω，现在要测量内阻，实验室提供下列可选用的器材：

A.待测电流表A（量程0.6A）；

B.电压表V1（量程3V）；

C.电压表V2（量程15V）；

D.滑动变阻器R1（最大阻值10Ω）；

E.定值电阻R0（电阻5Ω）；

F.电源E（电动势4V）；

G.开关S及连接导线若干。

（1）为使实验更精确，电压表应选用 。（填写序号）

（2）为了尽量减小误差，要求测多组数据，试在虚线方框中画出符合要求的实验电路图。

（3）在选择合适的电路的基础上，若测得电流表读数为I，电压表读数为U，试推出测定电流表内阻RA的原理表达式。

解析：此题是最常见的利用伏安法测量电阻，由于电流表本身能测出自己的电流，因此只要测出待测电流表两端的电压就能算出电流表的内阻。但由于该电流表两端所能承受的电压比较小，故可用串联一个电阻R0的方法来保护电流表。滑动变阻器R1的阻值为10Ω，与电流表的电阻相差悬殊，根据实验的设计要求，应该用并联分压式接法，电压表应该选择电压表V1。本题正确答案为：（1）电压表就选B。（2）设计的电路图如图7所示。（3）电流表内阻RA的原理表达式为：

RA=UI-R0

点评：在上述物理实验题中，其基本原理就是伏安法测量电阻，而电流表本身也是一个电阻，所以可用串并联的知识解决问题。切记电表也是一个非常普通的电阻，只不过它自己会表白自己的电压或电流。

4.电学实验中的“伏安”法

“伏安”法的广泛意义应该是指电路中既有电压表，也有电流表，设电压表的读数为U，电流表的读数为I，如果两者相除R=U/I

就是伏安法测得的电阻值；如果两者相乘P=UI就可用，测量小灯泡的功率了；如果两者组合成U=E-IR，那就是伏安法测电动势与内电阻了。

在具体设计实验时，要做好下面三项工作。

（1）选器材：一般根据待测电阻的额定电流或额定电压选择符合要求的电源；根据电源的电动势或待测用电器的额定电压选择电压表；根据待测电路的最大电流选择电流表；电表的指针摆动的幅度不宜太小，一般应使指针能达到量程的1/3以上。

（2）控制电路的选择：滑动变阻器的两种接法，并联分压式接法与串联限流式接法。

（3）测量电路的选择：电流表内接与电流表外接法的选择，选择方法列表如下。

【例4】 表格中所列数据是测量小灯泡U-I关系的实验数据：

（1）分析上表内实验数据可知，应选用的实验电路图是图8中的 （填“甲”或“乙”）。

（2）在方格紙内画出小灯泡的U-I曲线，如图9所示。分析曲线可知，小灯泡的电阻随I变大而 （填“增大”“减小”或“不变”）。

（3）如图丙所示，用一个定值电阻R和两个上述小灯泡组成串并联电路，连接到内阻不计、电动势为3V的电源上。已知流过电阻R的电流是流过灯泡b电流的两倍，则流过灯泡b的电流约为 A。

（4）将两个上述小灯泡并联在电动势为1.5V，内阻为2.0Ω的某电池两端，则每个小灯泡的实际功率为 W。

解析：（1）图甲电路中变阻器采用分压式接法，可以使灯泡获得从零开始变化的电压，符合图中数据的要求。故选用图甲所示的电路。（2）描点作图，将表中数据逐一描点后用平滑曲线连接，如图10中的曲线所示，发现随电流I的增大，曲线变陡，说明电阻随I变大而变大。从曲线上可以看出，灯泡的电阻随I变大而增大。（3）据题意有E=Ua+Ub，=3（V），Ia=3Ib，从所作的图线可以查出：

Ia=0.210A，Ib=0.070A，Ua=2.7V，Ub=0.30V，

因此流过灯泡b的电流为0.070A。

（4）设每个灯泡的电流为I、电压为U，根据闭合电路欧姆定律E=U+2Ir，可得U=1.5-4r，通过描点作图可知，此图线与小灯泡的伏安特性曲线交于一点，如图10所示，此交点的坐标值正是小灯泡此时的电压与电流，U=0.9V，I=0.04A，这样我们就可算出每个灯泡的功率为P=UI=0.126W。

点评：小灯泡的伏安特性曲线，关键在于作图，描出各数据点后，要用一条光滑的曲线把它们连接起来。由于测量数据时可能会出现误差甚至错误，为此应根据大多数测量数据点的分布画出平滑的曲线，尽可能使数据点在图线上，或均匀地分布在图线两侧。若个别数据点偏离图像较远，说明该数据有差错，应舍弃不用。

5.利用图线处理實验数据

实验数据处理是实验的重要环节，在高中阶段，其方法主要有公式法、列表法、图像法等，利用图像法分析处理实验数据时要特别注意几个问题：（1）物理图像与数学函数的一一对应关系，利用一次函数、二次函数的一些特点分析有关问题；（2）截距和斜率表示的物理意义；（3）图像中的点、线、面所表达的物理意义；（4）坐标原点和坐标平移。

【例5】 如图11所示，虚线方框内是由电阻、电源组成的一个线性网络电路，为了研究它的输出特性，将电流表、电压表、滑动变阻器按图11的方式连接在它的输出端A、B之间。电键S闭合后，实验中记录6组电流表示数I、电压表示数U的读数后，描点如图12所示。

（1）在图12的坐标纸上画出U-I图线。

（2）若将方框内的电路等效成电动势为E、内电阻为r的电源，从图线上求出电源的电动势E= V，内电阻r= Ω。

解析：我们可根据下面的步骤解题。

（1）列出物理公式

伏安法测电源电动势的原理是闭合电路欧姆定律，公式为I=E/（R+r），路端电压为U=IR。

（2）演变函数关系

根据图线的要求，纵坐标为U、横坐标为I，可得函数关系为U=-rI+E。因此可将图12中的点连成一条直线，可得到图13所示的图像。

（3）寻找对应关系

将所得公式U=-rI+E与y=kx+b进行一一对应，理解截距和斜率的物理意义。可直接得到在纵坐标上的截距为b=E=1.43V，同时可求得直线的斜率为

k=-r=1.0-1.430.63=-0.68

，所以内电阻为r=0.68Ω。

点评：从物理原理出发，根据图线中纵坐标与横坐标的要求，演变函数关系，将原始的物理公式转化成相应物理量的函数关系。将演变后物理量之间的函数关系与数学函数关系进行一一对比，寻找对应关系。在识图时要让学生充分理解图线中“点、线、面”的物理内涵。点：坐标原点、截距点、交点、极值点、拐点；线：直线或曲线的斜率；面：图线与坐标轴所围的面积。作图——根据数据作图，识图——从图中获取有效信息，用图——利用图像法解题，在作图、识图、用图的过程中逐步提高学生的综合分析能力。

六、电学创新拓展实验与核心素养的培养

高考电学实验试题，能够很好地考查学生科学思维能力与科学探究的核心素养。电学创新拓展实验源于最基本的实验原理，电学实验原理是求解实验题的出发点和依据。在具体电学实验复习教学中，要让学生认真完成课本上的每一个实验，知道每一个实验的目的，掌握每一个实验的原理，熟悉每一个实验的步骤，领会每一个实验步骤的作用，学会每一个实验仪器的使用，学会每一个实验的处理方法，弄清每一个实验误差的来源，

等等。对于给出实验电路图的创新性实验，要注意从原理出发，理解实验方法，找出图像中两个物理量之间的关系，理想图像中图线的斜率和截距的物理意义。对于设计性实验，要注意从原理出发找方法，选器材，定方案。

高考中，对设计性实验的考查，一般不直接采用课本上的设计方案，但是其设计理念均取材于课本中的必考实验，因此考生要对课本上的每一个实验做到心中有数。选考实验试题从哪来？其实这些选考电学实验试题并不是深不可测的，这些试题来源于我们的教材，来源于生活，来源于一些经典的物理实验陈题。在复习过程中，我们要有效整合、利用相关资源。正所谓“回归本源应对考题，千题万题源于母题”，抓基础就抓住了高考，抓基本原理就抓住了根本，最基本的电学实验模型才是物理的本源，这是我们应该坚持的教学方向，也是培养学科核心素养的有效途径。

（责任编辑 易志毅）