2021年湖南省高考物理电学实验题解读

摘 要：2021年湖南卷物理电学实验题12题立足教材，通过创设学习探索类的真实情境，重视考查实验原理的理解、实验设计、实验数据的分析和处理等，突出创新能力的命题导向，从实验情境设置、实验探究能力等级考查和学科核心素养等方面进行解读，对今后高中物理实验教学有所启示.

关键词：电学实验题;核心素养;创新能力;教学启示

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）23-0051-03

1 试题及解读

1.1 试题呈现

例题1 （2021年湖南高考 12题）某实验小组需要测定电池的电动势E和内阻r，提供器材有：一根均匀电阻丝其总电阻大于R0，并配有可在电阻丝上移动的金属夹、一个单刀双掷开关、一个定值电阻阻值为R0、一块电流表内阻为RA、一节待测电池、导线若干.由于缺少刻度尺，无法测量电阻丝的长度，但发现桌子上有一个刻度均匀圆形时钟表盘.其中一位同学提出将电阻丝绕在该表盘上，通过读圆心角来表示接入电路的电阻丝长度.主要实验步骤如下：

（1）将器材如图1（a）连接;

（2）开关闭合前，金属夹应夹在电阻丝的端（填“a”或“b”）;

（3）改变金属夹的位置，接通开关，记录每次接入电路的电阻丝对应的圆心角θ和电流表示数I，得到多组数据;

（4）整理数据并在坐标纸上描点绘图，所得图像如图（b）所示，设单位角度对应电阻丝为r0 ，图线斜率为K，纵轴截距为d，该电池的内阻和电动势的表达式可表示为 r= ，E= （用R0、RA、K、d、r0表示）;

（5）为进一步确定结果，还需要测量单位角度对应电阻丝的阻值r0 ，利用现有器材设计实验，在图（c）方框中画出实验电路图（电阻丝用电阻箱符号表示）;

（6）利用设计电路测出的r0，可得该电池的内阻和电动势.

参考答案：（1）b;（2）r0bK-R0-RA;（3）r0K;（4）实验电路图（如图2）.

1.2 试题分析

此题考查学生利用给定仪器测定电池的电动势和内阻，能够很好地展示考生解决问题的思维过程，在核心价值的引领作用和学科素养的导向作用下，很好考查了关键能力和必备知识，本文从实验情境设置、实验探究能力等级考查和学科核心素养等方面进行解读.

1.2.1 实验情境设置

此题巧妙地设置一个电流表和“一个特殊的电阻箱”（通过改变接入电路的电阻丝长度和接入电路的电阻丝对应的圆心角θ来读取接入电路电阻大小，最后让学生设计测单位角度电阻的电路）测定电池的电动势和内阻，是学习探索类情境的命题，是一个培养学生科学思维的好载体，在解题过程中，学生需要提取有效信息，经历探究过程：由情境设问—模型构建—科学推理—科学论证（或质疑创新），能够很好地把所学物理与实际结合起来，由于这类情境源于实际存在的真实问题，解决过程中需要将实际问题与物理抽象模型联系起来，对学生的模型构建和转换的能力要求高，可以将这一引领作用直接导向学科素养、有效承载关键能力和必备知识的考查.

1.2.2 多角度设问多层次考查实验探究能力

物理实验是物理学科的基础，部分学生感觉很难，也是平常物理学科教学的重点，物理探究是培养学生创新能力的主要途径，物理实验承载着科学探究的重要思想和方法，对培养学生的科学态度和科学精神具有重要意义.实验探究能力是物理等级考查的焦点.此实验题设计的问题对物理实验探究四个层次考查：第（1）步考查实验探究能力的第一层次，即是观察与识记，即能完成课程标准要求的观察、测量任务，知道实验仪器名称，此处没有设问考查学生;步骤（2）（3）考查实验探究能力的第二层次，即是操作与运用，在步骤（2）设问考查学生根据闭合电路欧姆定律对电路进行分析，一根均匀电阻丝其总电阻大于R0，并配有可在電阻丝上移动的金属夹等效一个滑动变阻器，闭合开关时金属夹应夹在电阻丝的b端，接入电路有效电阻最大;步骤（4）考查实验探究能力的第三层次，即分析与表述，在这步设（2）（3）问，由闭合电路欧姆定律和接入电路有效电阻与圆心角θ关系即R=θr0并根据（1/I）-θ图像得出电动势E和内阻r的关系式;步骤（5）（6）考查实验探究能力的第四层次，即是设计与评价，在步骤（5）设问让学生利用现有仪器设计测量单位角度对应电阻丝的阻值r0，设计利用等效替代法测量单位角度r0，让学生评估和评价实验方案正确性，避开了实验系统误差考查了学生的创新能力.

1.2.3 通过综合应用考查学生的科学思维和科学探究的素养要素

学生物理学科水平的差异，主要体现在科学思维、科学探究的素养水平上，学生的创新思维发展是物理学科思维提升的标志.例题1以学生在测定电池的电动势和内阻中遇到的真实问题（没有电压表、电阻箱和滑动变阻器，只有一个电阻丝，却由于缺少刻度尺，无法测量电阻丝的长度，但发现桌子上有一个圆形钟表盘，最后设计测单位角度的电阻r0）为载体，引导学生通过研究解决.培养学生的分析能力、推理能力、建模能力及实验设计能力.在真实问题解决的过程中，学生收获的不仅仅是学科能力的提升，更重要的是学生创造性思维的火花被点燃，学生收获的是智慧和启迪.

2 教学启示

通过以上分析，此道实验题是一道高质量、高信度的高考题，新高考实验命题与以前考试大纲要求的知识熟练掌握程度没有变，而对解决实验中存在问题层次的要求大大提高了，学科素养在“一核四层四翼”高中评价体系中很好地得以落实.我们的实验教学理念需要改变，下面是笔者对物理实验教学的一点体会.

2.1 在进行实验物理观念教学时，要特别注意物理观念的内化、提升和升华

物理观念是国家课程标准提出的一个新的概念，有的一线教师认为物理观念就是三维目标所说的物理概念、物理规律，结合笔者的教学实际，对物理观念理解是，物理观念不仅包括“物理概念、规律等基本认识”，还包括从概念和规律提炼、升华之后的物理观点和认知，这要求我们在物理实验教学时做出改变，下面以电压表的工作原理进行说明，通过实验探究电压表原理如图3所示，通过电流计读出流过两个电阻的电流Ig，电压表内阻RV=Rg+R为已知，根据闭合电路欧姆定律U=Ig·RV，电流流过电阻电势降低，读电流而读电压.建立电压表的原理时，教师引导学生将物理观念内化，电压表实际也是一个电阻，是一个会读电流的特殊电阻.进一步提升，如果已知电压表内阻，知道电压表读数可以测出串联电路中电流，即一个电压表既可以当电压表用，也可以当电流表使用，还可当分压的电阻使用.注意升华，根据U=Ig·RV，控制变量Ig不变，改变电阻大小，通过读电阻大小也可以读电压，这样做成了“新型电压表”.如2014年四川省理综高考电学实验题就考了一个变形电压表，考查了学生真正掌握必备知识的能力.

2.2 创设“与时俱进”实验教学情境，培养学生锐意进取的创新精神

苏霍姆林斯基说：“人的内心灵魂深处有一种根深蒂固的需求，总是感到自己是一个发现者、研究者、探寻者.”随着时间的推移，如果不向这种需求提供养料，学生的这种需求就会逐渐消失，教师应该在教学中不断扶植和帮助学生想成为发现者的愿望.这就需要教师对教学观念的建立和营造教学氛围方面进行大胆的尝试，设计一些新的、与时俱进的实验情境，培养学生对新事物的洞察力，激发学生的好奇心，培养学生与时俱进、锐意创新的能力.下面以笔者在高三第一轮复习一道探究实验为例进行说明，实验情境是：我不小心把智能手机“快充”充电器线机械压扁了，发现手机无法实现快充功能，我就把这个实验搬进课堂组织学生探究其中原因，经过学生的探究取得了比较好的教学效果.

例题2 智能手机快充技术改善人们旅行方便程度.我的66W快充手机的充电线被椅子挤压了一下，发现手机无法实现快充功能，引导同学猜想，有同学猜测是因为电线压扁以后电阻值发生了变化.为了验证猜想，设计实验测量被压扁的充电线的电阻值.

（1）首先采用欧姆表测量该电线的电阻.

（2）欧姆表调零：把万用表的旋钮调到欧姆档“×1”档位，红黑表笔对接，调节欧姆调零旋钮，直到指针指到刻度盘______（填“右端”或“左端”）零刻度处.

（3）把红黑表笔分别接触充电线两端，欧姆表指针指到图4位置.可见该充电线电阻______（填“很小”或“很大”），欧姆表无法测量.

（4）为了进一步测量该充电线电阻，该同学找来两节1.5V的干电池、电池盒、量程为3V的电压表、全电阻为5Ω的滑动变阻器、量程为3A的电流表，开关、导线若干，并按照图5连接电路.接通开关，发现电压表指针几乎没有偏转，但电流表有示数.请分析原因______并写出一个解决问题的方案（包括需要哪些器材及需要测量的数据）______.

（5）该同学通过调整方案测量出充电线的阻值为0.4Ω（已知智能手机充电电压为5V），简述该充电线不能快充的原因：______.

参考答案：（2）右端.（3）很小.

（4）充电线的阻值太小，在串联电路的分压作用下，其两端电压太小，电压表难以测量.解决方案：①需要一个内阻已知为r的电流表A1，并联在导线两端，读出电流表读数I，通过Ir表示充电线两端电压;②调节滑动变阻器，使电流表满偏，用一个最小分度值为0.1Ω的电阻箱并联在充电线和电流表两端，调节电阻箱阻值，使电流表示数变为原来的一半，此时电阻箱读数等于充电线电阻值;③使用电压传感器直接测量电阻丝两端电压.

（5）智能手机充电电压约为5V，66W的充电功率对应电流约为13A，故电线电阻增大后，电线消耗的功率达到67.6W，超过了充电器的额定功率，故不可以按照最大功率充电.

例题2分析：

（1）此题把生活中所遇到真实问题搬到物理课堂探究其原因.提高了学生科学探究的兴趣、热情，培养提出问题的意识、深入思考问题习惯等等，让学生在实验中如实记录实验、探究实验和分析实验问题、提出改进意见，遵循基本科学伦理和道德规范.培养学生之间的合作精神、实事求是、敢对权威说不、能基于证据和推理提出自己见解的品质.引导学生做到“与时俱进”，激发学生好奇心和创新欲望.

（2）培养学生多层次的探究能力，第（4）问开放式设问，让学生写出一个解决问题的方案（包括需要哪些器材，及需要测量的数据），培养学生遇到问题能从多角度、全方位地进行思考，真正让学生领略了实验设计的思想和逻辑，体验科学探究的严谨与巧妙，培养学生发散思维和创新能力.

（3）第（5）问设计问题：让学生分析充电线被椅子挤压了一下（压扁了），电线不能快充的原因，培养学生推理论证能力，让学生更深刻地理解科学探究的过程及本质，同时学生在不断论证、修正的过程中，体会探究和论证的乐趣，更好发展高阶思维.

2.3 拓展探究问题呈现，挖掘探究问题视角，发展科学思维

与往常高考一样，此道高考题源于教材（新人教版必选三第十二章电能 能量守恒定律第3节实验：测电源的电动势和内阻练习与应用第3题）而不拘泥于教材，教学中不要使用单一的信息呈现和缺乏层次分布问题，多设计情境复杂化和能力多元化的考查问题，挖掘探究问题视角，还要注意问题解决方式的多样性，给学生提供足够宽广的解决问题空间，充分暴露学生存在的问题和不足.长时间坚持下去，学生的必备知识和关键能力将得到深化.

总之，教学中要注意教学情境的设置，注意探究能力的培养，注意学科思想和科学研究方法的渗透，注意挖掘教学资源，培养学生勇于探索、勇于创新的精神，树立科学态度和社会责任，培养学生的物理学科核心素养.

参考文献：

[1]蒋炜波，赵坚.试题情境：实现“四层”“四翼”承载作用的重要载体[J].物理教学，2020（10）：2-5+36.

[2]褚祝文.基于新高考的高三复习课深度学习教学策略——以“牛顿运动定律的应用：板块模型”为例[J].中学物理，2021，39（09）：37-40.

[3]何松，鲍明丽.新高考评价体系下物理等級考的试卷特征[J].物理教学，2020，42（05）：66-70.

[4]教育部考试中心.中国高考评价体系[M].北京：人民教育出版社，2020.

（收稿日期：2021-07-28）

作者简介：褚祝文（1974-），男，湖南株洲人，本科，中学高级教师，研究方向：中学物理教学.