高考中“简单的设计性实验”不简单

时迎彪

(山东省邹城市第一中学,山东邹城 273500)

“简单的设计性实验”是高考物理考试说明对考生实验能力的明确要求.笔者在教学中发现:学生应对高考题中的“简单的设计实验”时,感到不是很简单;教师在高考复习中对“简单的设计性实验”指导也感觉不容易.全国高考试题中对实验的考查也在逐步转向设计性实验,它必将是今后高考物理实验命题的热点.如何更好地指导考生做好设计性实验题目,是摆在中学教学面前的一个难题,笔者愿与各位同仁一起探讨这一问题.

最近3年的各地高考题中,设计性实验频频出现,题目如表1所示.

表1

我们先来认识一下设计性实验,及其设计原则、设计思路.

1 什么是设计性物理实验

设计性物理实验,是依据课本中已经出现过的物理实验的基本原理、所使用的基本器材、以及在这些实验中学过的有关方法等,根据提供有关的实验器材以及实验要求,去设计一些新的实验方案,并按照实验设计方案及要求,完成实验有关内容.

2 设计性实验的设计原则

(1)合理性原则:实验方案所依据的原理应当符合物理学的基本原理,实验装置或电路能够圆满完成实验的要求.

(2)安全性原则:实验进行的过程中不会对实验装置和器材造成损坏,不会对人身造成危害.如每个电路元件上的电流、电压、电功率不超过元件的额定值,电源的电流不能超过电源允许输出的最大电流,电压表、电流表不能超过其量程.

(3)准确性原则:根据实验的需要,选用精度合适的测量工具,但对某个实验来讲,精确程度够用即可,并不是精度越高越好.对各种电表,一般要求它的实际读数不小于量程的使用欧姆表尽可能使指针在中心刻度附近;为减少测量的影响,应选择内阻较小的电流表和内阻较大的电压表.

(4)方便性原则:实验时需考虑调节方便,便于操作,如滑动变阻器的选择,既要考虑它的额定电流,又要考虑它有阻值范围,在两者都能满足实验要求的情况下,还要考虑阻值大小对实验操作中是否调节方便的影响.

3 设计思路

实验设计过程可用图1表示.

图1

解决设计型实验问题的关键是确定实验原理,它是进行实验设计的根本依据和起点,它决定应当测量那些物理量、如何安排实验步骤、如何处理数据等.实验原理的确定,要根据问题的要求和给出的条件,回顾分组实验和演示实验,寻找能够迁移应用的实验原理,或者回顾物理原理,寻找有关的物理规律,设法创设相关的物理情景,并根据已掌握的基本仪器核对是否能够测出必须测定的物理量.因此,掌握基本仪器的使用方法、基本的实验方法和基本物理原理是解答设计型实验题的基础.

4 典例分析

例1.(2009年宁夏卷第23题)青岛奥运会帆船赛场采用风力发电给蓄电池充电,为路灯提供电能.用光敏电阻作为传感器控制路灯电路的开关,实现自动控制.光敏电阻的阻值随照射光的强弱而变化,作为简化模型,可以近似认为,照射光较强(如白天)时电阻几乎为0,照射光较弱(如黑天)时电阻接近于无穷大.利用光敏电阻作为传感器,借助电磁开关,可以实现路灯自动在白天关闭,黑天打开.电磁开关的内部结构如图2所示.1、2两接线柱之间是励磁线圈,3、4两接线柱分别与弹簧片和触点连接.当励磁线圈中电流大于50 mA时,电磁铁吸合铁片,弹簧片和触点分离,3、4断开;电流小于50 mA时,3、4接通.励磁线圈中允许通过的最大电流为100 mA.

利用以下器材设计一个自动控制路灯的电路,画出电路原理图.

光敏电阻 R1,符号 ;灯泡 L,额定功率40 W,额定电压36 V,符号⊗;保护电阻 R2,符号 ;电磁开关,符号 ;蓄电池 E,电压36 V,内阻很小;开关S;导线若干.

图2

答案:(1)电路原理如图3所示.

解析:要使光敏电阻能够对电路进行控制,且有光照时路灯熄灭,光敏电阻应与1,2串联,3,4与路灯串联;则电路图如图3所示.

此例题中,光敏电阻和电磁开关相结合,完成电路设计,学生在应对时也需细心思考.

例2.(2009年山东卷第23题)为了节能和环保,一些公共场所使用光控开关控制照明系统.光控开头可采用光敏电阻来控制,光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件(照度可以反映光的强弱,光越强照度越大,照度单位为lx).某光敏电阻Rp在不同照度下的阻值表2.

图3

表2

如图4所示,当1、2两端所加电压上升至2 V时,控制开关自动启动照明系统,请利用下列器材设计一个简单电路.给1、2两端提供电压,要求当天色渐暗照度降低至1.0lx时启动照明系统,在虚线框内完成电路原理图.(不考虑控制开关对所设计电路的影响)

提供的器材如下:

光敏电源 E(电动势3 V,内阻不计);定值电阻:R1=10 kΩ,R2=20 kΩ,R3=40 kΩ(限选其中之一并在图中标出);开关S及导线若干.

图4

图5

答案:电路原理图如图5所示.

解析:给1、2两端提供电压,要求当天色渐暗照度降低至1.0lx时启动照明系统,即此时光敏电阻阻值为20 kΩ,两端电压为2 V,电源电动势为3 V,所以应加上一个分压电阻,分压电阻阻值为10 kΩ,即选用 R1.

例3.(2008年上海卷第18题)某学生利用图6(a)所示的电路研究灯泡 L1(6 V,1.5 W)、L2(6 V,10 W)的发光情况(假设灯泡电阻恒定),图6(b)为实物图.

图6

(1)他分别将L1、L2接入图6(a)中的虚线框位置,移动滑动变阻器的滑片P,当电压表示数为6 V时,发现灯泡均能正常发光.在图6(b)中用笔线代替导线将电路连线补充完整.

(2)接着他将L1和 L2串联后接入图6(a)中的虚线框位置,移动滑动变阻器的滑片 P,当电压表示数为6 V时,发现其中一个灯泡亮而另一个灯泡不亮,出现这种现象的原因是________.

现有如下器材:电源 E(6 V,内阻不计),灯泡L1(6 V,1.5 W)、L2(6 V,10 W),L2(6 V,10 W),单刀双掷开关 S.在图6(c)中设计一个机动车转向灯的控制电路:当单刀双掷开关S与1相接时,信号灯 L1亮,右转向灯 L2亮而左转向灯L3不亮;当单刀双掷开关S与2相接时,信号灯L1亮,左转向灯L3亮而右转向灯 L2不亮.

答案:(1)如图7.

(2)由于 RL1比RL2小得多,灯泡L2分得的电压很小,虽然有电流流过,但功率很小,不能发光.

图7

图8

(3)如图8.

解析:本例题中第2个问题是对第3问题中设计性实验的一个提示,如果没有第2问作铺垫,第3问的实验设计对考生来讲将更加困难.

5 应对设计性实验题目的策略

完整的设计一个实验,要经历多个环节,在实际考查中,一般不会考查全部环节,而是只考查其中的几个环节,有的题目给出条件和实验器材,要求阐述实验原理;有的给出实验电路图,要求领会实验原理,确定需测物理量及计算公式;有的则要求考生根据操作步骤及测定的物理量判断出实验原理……虽然考查方式不尽相同,但目前高考中几乎所有的设计型实验题都有一个共同点,都是在给出实验器材的前提下进行考查的,而且都以不同方式或多或少的对实验原理作一定的提示.

为更好的让学生在高考中从容应对设计性实验问题,我们紧跟课程改革步伐,认真研读新课标要求,领悟新课标理念,落实新课标精神,加强设计性问题的教学.首先,要加强课本中已有实验的教学,让学生理解实验原理,领悟实验思想,掌握实验方法.其次,要结合教学内容,不断提出有价值的设计性问题,让学生利用已有的实验器材、仪器设备,或身边的物品和器具,设计方案,努力提高学生的设计能力.

设计性实验试题源于教材,又高于教材.我们在平时的教学中既要立足于课本,又要不拘泥于课本;既要关注课本中的实验,又要关注课本中的理论;既要做好课内实验,又要指导学生开展课外活动,进行方案设计;要把实验设计与开展研究性学习活动和科学探究活动整合起来;要在做好课本中基本实验的同时,适时地对所做实验进行变化、拓展、引伸;要让学生通过实践课本中的实验去获取重要的原理、方法,并把获取的原理和方法迁移到新情景中加以应用,努力提高学生的迁移能力.

以上是笔者对高考中简单的实验设计的一些思考及想法不是很成熟,愿与各位同行一起展开讨论.