关于浙江省2021年1月高考设计性实验题的赏析与启示

邓明富

摘要：高考实验题中最难的考题就是设计实验。在设计性电学实验题中，电路选择是本、是纲。如何正确选择实验器材、選择测量电路、选择控制电路是解题的关键。本文就电路选择进行专题分析，帮助学生掌握基本方法，做到电路设计思想融会贯通。

关键词：设计性实验;控制电路;测量电路;限流电路;分压电路

纵观近十年浙江高考实验题，被所有专家考生点赞，其考查核心内容是仪器识别、操作规范、数据分析等，没有涉及到高难度的设计性实验要求，往往难度不大，这样的试题能有效地考查出动手做过实验与没做过实验的学生差别，能让动手做过真实验的学生得到高分，以引导教学中重视动手实验，培养学生的动手能力和科学探究素养。然而在2021年1月选考18题中再次回归了设计性实验考点，由于平时学习中学生对设计性实验不够重视，强化练习不到位，对实验试题中出现的这一新变化不适应，导致这个考点得分率不高。笔者在所教选考尖子生班中问卷调查显示，很多物理水平较高的学生也害怕遇到设计性实验题，原因除了学习中对设计性实验问题有所弱化不够重视之外，还与试题本身的高综合性、高创设性有关，设计性实验综合考查的核心要素很多，需要学生有很强的应用分析能力，综合要素解决问题能力，可以有效考查学生的物理学习水平和能力。

这次浙江省选考实验题透露出的信息来看，设计性实验又将是考查的一个重点热点，在教与学的过程中要注重解决技巧和思想方法的归纳优化，拓展提升。下面以2021年1月高考物理实验18题为例，作简略的分析与探讨。

一、原题赏析

原题：在测定电池的电动势和内阻实验中，现有如图1左所示的实验器材，照片中电阻箱阻值可调范围为0～9999Ω，滑动变阻器阻值变化范围为0～10Ω，电流表G的量程为0～3mA、内阻为200Ω，电压表的量程有0～3V和0～15V。请在图中选择合适的器材，在答题纸相应方框中画出两种测定一节干电池的电动势和内阻的电路图。

教学解构：回归课本

人教版教材给出图2三种方案测定电池的电动势和内阻，伏安法、伏阻法、安阻法进行测量。一般优先考虑用伏安法测量，若选择滑动变阻器改变电路总阻值，电路最小电流约为7mA，电流表量程太小会烧表;若选择电阻箱改变电路总阻值，电流表虽然安全，但是电源内阻小、电流表最大电流小，电源分到的内压很小，改变电阻时外电压几乎不变，不利于测量多组电压数据。综上所述，电流表需要串联电阻改装成大量程电流表用，如参考答案伏安法和伏阻法可行。

点评优化：误差分析

笔者认为，参考答案并不是最优方案，既然是开放性设计实验题，就要找到最优方案为好。由于电压表内阻未知，参考答案中电压表的分流作用导致存在系统误差，电源电动势和内阻测量值均偏小。由于改装后的电流表内阻已知，若采用改装后的电流表接在电压表外（如图3方案），可以精确测量电路的干路电流，电压表精确测量等效电源的路端电压，不存在由于电表内阻引起的系统误差，电动势和内阻测量值为真实值。

二、备考启示：夯实经典教学片断

在电路设计实验中，有图4四种基本电路，从本质上说，只要学会选择这4种组合，也就理解了电路设计的基本技巧。 我们把其中电灯、电流表、电压表、电源、电键、滑动变阻器六个元件分成两组设计：电灯、电流表、电压表为“测量电路”，电源、电键、滑动变阻器为“控制电路”。“测量电路”涉及到电表选择和电流表内外接问题，需要考量的因素是测什么，为什么测，怎样测，测的结果是否准确;“控制电路”涉及到滑动变阻器的分压和限流问题，需要考量的因素是控什么，为什么控，怎样控，控的结果是否有效方便。

教学片断一：“测量电路”设计要素，电流表内外接问题，伏安法基本原理：。

师问：理想电表图5两种电路中有没有差别？生答：没有。问：理想电表在电路中作如何处理？答：电流表电阻为零当作导线，电压表电阻无穷大当作断路。问：实际上，电流表只是一个可以测量自身电流的小电阻，内阻不是零，只是非常小，典型的数据是“0.6A，RA≈0.2”，电压表只是一个可以测量自身电压的大电阻，内阻不是无穷大，只是非常大。典型的数据是“3V，RV≈20k”。非理想电表内阻考虑，不同连接方法误差大小就不同，设计电路需要考虑电路误差最小。

内接法：在内接法电路图5左中标出典型数据：0.6A，RA≈0.2;3V，RV≈20k;Rx=2k。问：内接法有没有系统误差？答：有，电流表分压引起的。问：误差可否忽略？答：只有，不到0.01%，符合实验精度要求。测量电阻Rx测=Rx+RA实为电流表与被测电阻串联电阻，阻值偏大。 外接法：在外接法电路图5右中标出典型数据：0.6A，RA≈0.2;3V，RV≈20k;Rx=2k。问：外接法有没有系统误差？答：有，电压表分流引起的。问：误差可否忽略？答：只有，不到0.01%，符合实验精度要求。测量电阻实为电压表与被测电阻并联电阻，阻值偏小。问：在内接法电路图中把Rx=2k换成Rx=2，行不行？答：不行，误差达到，接近10%。问：在外接法电路图中把Rx=2换成Rx=2k，行不行？答：不行，误差达到，接近10%。

学生小结：大电阻适合用内接法测量，测量值偏大;小电阻适合用外接法测量，测量值偏小。口诀：大内大，小外小。

教学片断二：“控制电路”设计要素，滑动变阻器的分压限流问题，基本原理：串并联分压规律。限流式：图6为限流电路及等效电路图，典型数据：Rx=10，R=10，E=10V，r=0。Rx上的电压Ux与滑动变阻器左边电阻RL的关系公式：。根据公式，学生计算滑片在左端、左、右、右端时的Ux，为形象直观，教师在黑板上画出Ux-RL图，体会变化趋势。 问：改变参数Rx=10，R=20，E=10V，r=0。限流可行吗？限不住不方便，画出Ux-RL图，体会变化趋势。问：改变参数Rx=100，R=10，E=10V，r=0。限流可行吗？限不住不方便，画出Ux-RL图，体会变化趋势。问：改变参数Rx=10，R=500，E=10V，r=0。限流可行吗？可控不方便，画出Ux-RL图，体会变化趋势。总结上面几组参数的限流效果，当滑动变阻器总阻值较大于被测电阻几倍时，电路中被测电压与滑动变阻器有效电阻成线性关系，限流效果好，方便可控、便于采集多组数据。

分压式：图7为分压电路及等效电路，典型数据：Rx=10，R=10，E=10V，r=0。Rx上的电压Ux与滑动变阻器左边电阻RL的关系公式：。 根据公式，学生计算滑片在左端、左、右、右端时的Ux，为形象直观，可用计算机 XLS 工作表画出Ux-RL图（如图8），体会变化趋势。课堂上用 XLS 工作表分别画出下列各组参数Ux-RL图，让学会充分感受体会滑动变阻器总阻大小对分压效果的影响。参数1：Rx=100，R=10，E=10V，r=0。参数2：Rx=10，R=100，E=10V，r=0。参数3：Rx=10，R=1000，E=10V，r=0。参：4：Rx=10，R=10000，E=10V，r=0。

总结上面几组分压参数发现，分压式电路的特点是电压可从零开始调节，调节范围大。对高阻值的变阻器，当滑动片在前端大幅度滑动时，分压电压几乎不变;当滑动片在后端稍有移动时，分压电压变化很大的，不方便调节和测量多组数据，或说灵敏度不够，不宜采用。当滑动变阻器总阻值较小时，分到电压与滑动变阻器分压部分电阻成线性关系，分压效果好，便于采集多组数据，分压电路应选用总阻值小的变阻器。当总阻值相同，有效长度大的，即单位长度上的电阻小，这样分压效果好，方便调节和测量多组数据，优先选择。