对2020高考全国卷Ⅱ第23题的鉴析与思考

华中科技大学附属中学 (430074) 许 文

2020年高考理综全国卷Ⅱ第23题是一道电学实验题。该题以研究小灯泡伏安特性曲线为背景，考查电表的改装、电路原理的理解与应用、实验器材的选取与电路的实物连线等。试题涵盖实验原理、实验条件、实验操作、数据处理和交流评估等实验环节，将问题、证据、解释、交流等科学探究的要素有机融合，是一道综合考查考生的物理实验能力与核心素养的试题，对学生的实验设计能力和探究能力有较高要求。本文鉴析此题对实验能力的考查，探讨高考物理实验备考策略。

1 试题鉴析

试题呈现：(2020全国卷Ⅱ第23题)某同学要研究一小灯泡L(3.6 V，0.30 A)的伏安特性。所用器材有:电流表A1(量程200 mA，内阻Rg1=10.0 Ω)、电流表A2(量程500 mA，内阻Rg2=1.0 Ω)、定值电阻R0(阻值R0=10.0 Ω)、滑动变阻器R1(最大阻值10 Ω)、电源E(电动势E=4.5 V，内阻很小)、开关S和若干导线。该同学设计的电路如图1(a)所示。

(1)根据图1(a)，在图1(b)的实物图中画出电路连线。

(2)若I1、I2分别为流过电流表A1和A2的电流，利用I1、I2、Rg1和R0写出:小灯泡两端的电压U=________，流过小灯泡的电流I=________；为保证小灯泡的安全，I1不能超过________mA。

(3)实验时，调节滑动变阻器，使开关闭合后两电流表的示数为零。逐次改变滑动变阻器滑片位置并读取相应的I1和I2，所得实验数据见表1。

表1 实验数据

根据实验数据可算得，当I1=173 mA时，小灯泡灯丝电阻RL=________Ω(保留1位小数)。

(4)如果用另一个电阻替代定值电阻R0，其他条件不变，为了能够测量小灯泡完整的伏安特性曲线，所用电阻的阻值不能小于________Ω(保留1位小数)。

命题意图:本题考查描绘小灯泡的伏安特性曲线实验的思想与方法，意在考查电表量程的扩展、伏安电路实验原理的理解、分析与应用，器材的选取，实验电路的实物连线，有效数字的运算等综合能力。

题意解读:新高考对物理实验能力的要求是“能独立的完成所列的实验，能明确实验目的，能理解实验原理和方法，能控制实验条件，会使用仪器，会观察、分析实验现象，会记录、处理实验数据，并得出结论，对结论进行分析和评价；能发现问题、提出问题，并制定解决方案；能运用已学过的物理理论、实验方法和实验仪器去处理问题，包括简单的设计性实验”。

探究小灯泡的伏安特性实验，是考纲中明确要求考生应掌握的电学中的一个基本实验，实验目的是用伏安电路测多组小灯泡的U、I的值，由测量数据并绘出I-U图像；由图线的特征分析小灯泡电流与电压和温度的关系。根据实验目的要求能合理的选取实验器材，控制实验条件，设计实验电路，观察、记录、处理实验数据，分析实验结论。该试题是对教材基本实验进行再加工、再创造，产生新的实验思路和新的实验设计，考查学生的创造性思维。试题要求学生根据题给实验器材与电路，将器材实物连线，完成实验的相关问题。在题给出的器材中没有伏特表，但有两只电流表，且两只电流表的内阻已知，因此可以用其中一只内阻已知的电流表当成电压表用。根据图1(a)，小灯泡与定值电阻R0并联，其设计意图为用电流表A2测总电流I2，用电流表A1测定值电阻R0中的电流I1，这样就能间接测出小灯泡中的电流I=I2-I1；而电流表A1直接测量的最大电压Um=I1Rg1=2 V，小于小灯泡额定电压UL=3.6V，要求考生能用学过的知识与方法提出解决问题的方案，对电表改装，扩充其量程，以达到实验的要求。试题要求考生理解实验原理，进行创新实践，去解决新情境下的实际问题，从中感悟与体验成功。因此，该试题的能力立意完全符合新高考的要求。

新的教育改革关注学科知识对发展人的核心素养的贡献和作用，发展学生核心素养为目标的课程改革要求相应的教学评价改革。依托高考评价体系，结合物理学科特点，加强对信息获取与整理、批判性思维、实验探究、运用物理学术语言表达等能力的考查，引导学生培养适应终身发展和时代要求的关键能力，着力提升学生物理学科素养，促进高中物理育人方式改革。由于学科核心素养主要体现在学科的核心知识、核心能力、核心品质等方面，发展学生核心素养必然依赖于学科核心素养的落实。物理课程作为自然科学领域的重要基础课程，在培养学生方面的价值则从物理观念、科学思维、科学探究、科学态度和责任四个方面为学生今后的生活和工作做准备，使学生养成终身发展所需的必备品格和关键能力，形成学生的物理学科核心素养。该试题的命题意图在发展学生的核心素养上发挥了导向作用。

1.1 试题分析

1.1.1 对电路实物连线的考查

第(1)问考查实验电路的实物连线。试题创设了实验情境，关注实践操作的考查，同时也引导物理实验教学要鼓励学生动手操作，杜绝纸上谈兵。电路实物连线是实验操作的一部分，是实验成功的前提，对照实验电路原理图进行实物连线，要注意的几点:①根据电路原理图，采用“先串后并”的方法,例如滑动变阻器分压式连接，一般先将电源、开关、滑动变阻器的全部电阻连接，然后将滑动变阻器分压部分、待测电阻，电表部分连接；②注意电压表、电流表的正负接线柱及量程的选取；③开关控制全电路，导线之间不交叉。

1.1.2 对实验原理理解的考查

第(2)问与第(3)问考查小灯泡电压、电流的计算与灯丝电阻的计算。要求学生能理解实验原理与实验电路设计意图。本题是教材中基本实验“描绘小灯泡伏安特性曲线”的改变与创新，研究小灯泡的伏安特性与伏安法测小灯泡的电阻的原理相同，分别用伏特表与安培表测小灯泡的电压U与电流I，通过电路调节，能够改变其电流与电压，测出小灯泡的多组U、I的值，由测量数据描绘出小灯泡的伏安特性曲线。

本题实验电路设计意图是用两电流表与一定值电阻配合测量小灯泡的电流与电压。由于题给器材中没有伏特表直接测小灯泡的电压，可将内阻已知的电流表A1当做电压表用，间接地测出小灯泡的电压。但电流表A1测出电压的最大值为Um=2 V

本实验中要求小灯泡上的电压应从零开始调节到额定电压，而滑动变阻器总阻值又较小，为使电路调节方便，故控制电路应采用分压式电路。

1.1.3 对实验条件的考查

第(4)问考查完整测量小灯泡伏安曲线，电路图1(a)中的定值电阻的最小值。此问更新了问题条件，要求学生在新的条件下分析完整测量小灯泡伏安曲线。在考查方向、难度、区分度上进行了合理的设置，对试题进一步挖掘与延续。

要测量小灯泡完整的伏安特性曲线，小灯泡两端的测量电压至少要达到其额定电压UL=3.6 V，但电流表A1又不能超过其量程I0=200 mA，由UL=I0(Rg1+R)得R=8 Ω。即要完整的测量小灯泡伏安特性曲线，与电流表A1串联电阻的阻值不能小于8 Ω。

能根据实验原理设计实验电路，根据实验目的与实验电路分析实验器材的要求，用适当的方法分析与处理实验数据，是一种基本实验技能。

试题答案:(1)见图2;(2)I1(Rg1+R0),I2-I1，180；(3)11.6；(4)8.0。

解后反思:第(1)问考查的是实验电路的实物连线，是实验操作的一部分。如果学生不动手实验操作体会是很难掌握的。第(2)问与第(3)问考查实验原理的理解与实验电路设计的意图分析，同时也考查学生严谨和实事求是的科学态度，需要学生有较强的观察力和探究能力。第(4)问进一步考查实验满足的条件，问题具有一定的探究性，考查学生思维的灵活性。只有充分理解实验原理与实验设计意图，结合已有的知识，才能分析解决具体的实验问题。

教学启示:新课程背景下的高中物理实验教学应当受到充分重视，还物理实验应有的价值:动手、过程、探究。高考物理实验复习应回归到实验室，强调学生动手实践的重要性，重视基本器材的结构与原理，在学生动手实践的过程中固化最基本、最有效的实验思想和物理方法，培养学生实事求是的科学态度、团结协作的实验能力、敢于质疑的探究精神、不断创新的探索意识和对知识的迁移能力，这是提高物理实验和物理教学的有效途径。

2 备考策略

2.1 立足教材中的基本实验

重视课本中的实验，熟练掌握实验原理、实验仪器的使用及实验思想与方法，重视基本仪器的使用方法和读数规则等实验技能，加强对实验数据的分析与处理能力的训练，主要表现在以下3个方面:分析推理、数据分析与处理方法、误差分析。

2.2 重视实验的设计与创新

重视对实验的思想方法及原理的深刻理解和熟练掌握，重视设计性实验方法的培养，注重用学过的物理知识、物理规律作为理论依据，进行实验设计与创新。高考物理实验可以分为五种类型:基础型、迁移型、应用型、设计型、探究型．其中设计型实验，要按以下思路去思考:明确实验目的→ 选择实验原理→ 设计实验方案→ 分析筛选方案→ 选择实验器材→ 拟定实验步骤→ 处理实验数据→ 得出实验结论→ 分析实验误差。

2.3 加强实验综合度与信息量

加强实验综合训练，即重视实验练习、重视新情境的实验训练、加强实验信息的收集与处理，强调基本实验技能的动手落实。在动手中关注实验细节、拓展实验能力。

2.4 实验中体现研究性学习

在实验备考复习中根据教材内容和学生实验中的方法，选好课题，在实验中进行研究性学习，写出实验研究方案，实验器材的选取，实验研究过程，数据统计与分析，对实验方案的优点与不足之处的评估、实验误差分析等，培养创新精神和实验能力。

2.5 注重实验问题的引伸与探究

问题的引伸与探究，能扩大和巩固研究成果，使问题的研究向更深入发展，能很好地体现出新课程课堂探究式的学习要求。

教材中的基本实验是创新之本，我们在备考复习中不应舍本求末，丢开教材中的一些基本实验而一味地追求一些创新实验，这样就会感到如空中楼阁，虚无缥缈。