2021年湖南高考物理电学实验题的赏析与思考

叶副权

（江苏省泰兴市第一高级中学，江苏 泰兴 225400）

1 高考真题

题目（2021湖南高考物理第11题）.某实验小组需测定电池的电动势和内阻，器材有：一节待测电池、一个单刀双掷开关、一个定值电阻（阻值为R0）、一个电流表（内阻为RA）、一根均匀电阻丝（电阻丝总阻值大于R0，并配有可在电阻丝上移动的金属夹）、导线若干.由于缺少刻度尺，无法测量电阻丝长度，但发现桌上有一个圆形时钟表盘.某同学提出将电阻丝绕在该表盘上，利用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：

图1

（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，闭合开关，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1（b）所示，图线斜率为k，与纵轴截距为d，设单位角度对应电阻丝的阻值为r0，该电池电动势和内阻可表示为E=_______，r=_______.（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1（c）方框中画出实验电路图（电阻丝用滑动变阻器符号表示）；

（6）利用测出的r0，可得该电池的电动势和内阻.

2 试题分析

命题意图：试题在考查学生对物理学基本知识、基本定律掌握的同时，着重对学生实验技能、设计实验能力等实验素养的综合考查.具体来说，从知识层面看，试题主要考查学生测量电池电动势和内阻的实验原理（闭合电路欧姆定律）；从技能上看，考查学生对实验仪器的操作规范技能；从能力层面看，考查学生由图像的斜率、截距分析推理提取出重要信息的能力及设计实验解决问题的能力，突出以能力为主导的考查特点.

试题特点：试题打破了传统的测量电池电动势和内阻的实验方案，在缺乏电压表和刻度尺的前提下，巧妙的搁置了电压和长度等量的测量，辅之以圆盘时钟对应的圆心角的分析推理，恰到好处地搭建出电路中电流与接入电路中电阻丝对应圆心角的定量关系，从两者的线性关系推理得出电池电动势和内阻，实验设计新颖巧妙.

图2

3 试题品鉴

3.1 试题的亮点分析

作为新课标规定的必修模块的12个学生必做实验之一，测电池电动势和内阻这一实验属于传统的电学实验，属于高考考查的高频实验之一，常以实验电路图的设计、实物图的连接、实验仪器（电流表、电压表、滑动变阻器等）的选择、实验数据的处理、图像的描绘、从图像提取信息、误差的分析等角度设问考查，像本文所设计的“将貌似探究电阻定律的实验装置”借助圆盘时钟巧妙的迁移至测量电池电动势和内阻的实验上来，实验彰显创新性、简洁性、精确性和实用性等诸多亮点，简要概述如下.

创新性.对于测定电池电动势和内阻这一实验，通常要有电流表、电压表及滑动变阻器等常见器材，如若缺少电压表，但有电流表，常辅以电阻箱，通过安阻法的方法巧妙得出电压这一关键量，试题如果这样命制便落入了俗套，该电学实验题一反常态，将电压的测量暂且搁置，巧妙地将电路中的电流与绕在时钟盘面上的电阻丝对应的圆心角度数相关联，搭建了电流与度数之间的量的关系，最后通过线性图像的表达得出电池的电动势和内阻，设计新颖、巧妙，创新性十足.

简洁性.试题摒弃了复杂的纯数学运算，替之以物理量的符号运算，大大地减少了运算量.传统考查中常给出多组实验数据，通常要求绘制图像并由图像分析推理出电池电动势和内阻，这类问题要求绘制的图像横纵轴的单位常并非国际单位，纵轴也往往不是从零开始刻度，或者再加上保护电阻，或要求几位有效数字等等，陷阱重重，考生往往顾此失彼，答题时往往难以考虑周全，错失得分.相反，这道电学实验题则显得人性化，计算量少、注意点少、陷阱少，考生较易入手，彰显简洁性.

实用性.在利用实验的方法探究某个物理问题时，缺乏相关物理器材往往是常见的现象，而面对关键性器材的缺失实验者不能埋怨，或束手无策，或坐以待毙，要学会通过分析，积极寻找其他的替代器材或替代方案来解决问题，本例中电压表、电阻箱和刻度尺的缺失并不能阻止探究者对电池电动势和内阻的测量，替之以时钟盘面对应的角度的计算，将量的测量转换成量的分析推理，这一思想方法值得学习借鉴，具有一定的实用性.

3.2 试题的不足

万事万物是一分为二的，高考试题的命制也是如此，试题在彰显创新性、简洁性、精确性和实用性等众多亮点的同时，也有其不足之处，笔者经过思考后提出以下几个不足之处.

首先，试题提供的情境具有巧合性、偶然性，缺乏真实性.题中实验小组欲测量电池的电动势和内阻，作为经典的电学实验，其所需要的器材电压表、电流表和电阻箱等都是实验室必备的器材，刻度尺这一学生基本测量工具实验室应当比比皆是，相反，作为不常用的生活用具圆盘时钟在实验时作为闲置物品一般较少存在，试题恰好创设了“该有的没有，不该有的则有的”巧妙情境，涉嫌杜撰实验情境，脱离实际，目的是为创新而创新.

再者，试题没有设问考查实验误差的分析.本文前面分析过，任何实验都有误差，对于测量电池电动势和内阻这一实验，常有系统误差和偶然误差两种，电表的分流分压、相关量的测量读数甚至实验的操作规范都影响着实验结果.传统的考查在电表引起的系统误差上较为常见，有计算法和图像法两种，如2020年北京卷第16题就是从图像的角度分析系统误差的.这里因无电压表，且将长度的测量转化为圆心角的推理计算，回避了一些偶然误差的同时，也带来了新的误差，如两夹子所夹的位置所对应的圆心角的计算分析与夹子的位置有密切的关系，每次读取两夹子位置时必然存在误差，试题可以与传统的实验作比较设问考查误差因素.

最后，试题对实验操作规范和电路安全的考查不完整.试题中在得出圆心角度数、电流表读数这一环节中，没有强调正确的操作规范，从而存在影响实验结果及电路安全隐患的可能.每次得出电流和圆心角度数时必然是通过改变金属夹子b的位置得以实现的，这一操作显然应当在开关断开的情形下操作，而不能在通电的情形下操作，可以断定，实际实验时，可能有学生为了实验操作方便快捷，在闭合开关的情形下，不断改变金属夹子b所夹的位置，记录多组角度和电流表示数，这一操作影响有三：其一，金属夹子肯定用手去触摸更改位置，带电操作时影响实验结果；其二，电学实验要养成良好的操作规范，要保证实验者的安全，一般不允许用手直接触摸电学元件，即使是在较低的安全电压内，以免习惯性的带电触摸在高电压实验时引发触电事故；其三，测电池电动势和内阻实验时，电池较大电流持续长时间的放电会造成内阻的急剧变化，因而不宜在开关一直闭合状态下进行操作.正确的操作方法是断开开关，改变金属夹子的位置后闭合开关，快速读取电流表示数后立即断开开关，记录金属夹b的位置.然后重复以上步骤多次，得出多组测量值.

4 反思与总结

高考是选拔人才的重要机制，高考试题的命制应为人才的选拔服务，就高考物理实验试题的选拨功能看，要立足实际，要将操作技能强、设计能力强、创新能力强的三强人才选拔而出，苦于评价机制的不完善，现今我国的高考对学生的实验能力考查仍停留在纸笔测试阶段，学生在日常的物理学习过程中究竟有没有走进实验室开展真实的实验探究，不得而知，如此就要求高考实验试题的命制要倒逼学生必须走进实验室进行真实的实验探究，而不是停留在纸上谈兵，将实验搬到试卷上，通过刷题反复练习就能应付实验的考查，从这一视角来看，我国基础教育阶段物理实验教学之路任重而道远.