2020年高考电学实验题命题特点研究——以全国卷及京、苏、浙、津、鲁自主命题卷为例

吴 健

福建省三明市第二中学，福建 三明 365000

物理学是一门以实验为基础的自然科学，物理观念的构建、科学思维的发展都是以实验为基础达成的。作为为高校选拔输送优秀人才的高考，对实验的考查历来十分重视，2020年全国高考及自主命题省市的高考物理试题也不例外。本文就2020年高考物理电学实验题部分，从考查内容、命题特点及部分真题剖析三个方面进行分析概括，供教师教学时参考。

1 2020年全国卷及京、苏、浙、津、鲁自主命题电学实验题考查统计（表1）

表1 2020年全国卷及京、苏、浙、津、鲁自主命题电学实验题考查统计

通过表1对2020年全国及各自主命题省市的电学实验题考查内容的统计分析，从中不难发现一定的规律,现归纳如下。

1.1 重视对电路结构、实物连图的考查

对基本电路结构的正确理解与掌握是学习电学、研究电学甚至发展电学的重要基础，尤其是通过研究电路的基本结构可以了解电路中各电学量间的相互约束关系，从而为研究动态电路和在实际应用中设计电路打下良好的基础。鉴于此，对电路结构的理解与实物连图的考查一直是高考电学问题的热门考点之一。

表1中统计的2020年八个电学实验题中，涉及对电路结构的理解及电路图或实物图连线的有六道，占比高达75%，分别是全国卷II、全国卷III、江苏卷、山东卷、天津卷和浙江卷。

尽管都是考查对电路结构的理解，但六道电学实验题的考查仍有一定的差异。全国卷II在给出实验电路图的前提下，按电路图连接实物图，实物图中未连有任何导线，暂定为“全线连图”。但因其实物元件与电路图中的对应元件摆放位置几乎相同，因而难度不大，学生容易上手，唯一容易出错的是滑动变阻器的分压式接法。全国卷III相比全国卷II而言，显得有所不同。全国卷III仅仅给出整个实验要用到的电学元件，将其按一定的顺序呈现给考生，但电表的内外接法、滑动变阻器的分压或限流式接法的选择题目并未告之，需要考生通过分析推理得出正确的连图方式，较全国卷II难度上略有上升。相比较全国卷的电路连线，江苏卷考题则较为简单，仅有一定值电阻未连入电路，且其电学元件的摆放次序与电路图大体一致。山东卷的连线问题设置在全题的最后一小问，是在针对电压变化不明显而提出的优化方案下的连图，即在电路中与电池串联一定值电阻，如若学生不能分析出电路中电压变化不明显的原因是电池内阻较小，那么这一问的设问无疑有一定的难度。天津卷对电路结构及连线的考查则独树一帜，将已连好的实物图中的导线进行编号，要求指出连接不当的导线编号，其实质是对测电池电动势和内阻实验中电表内外接法的考查。浙江卷的考查更具特色，直接给出连接好的实物图，要求画出相应的电路图，滑动变阻器为传统的限流式接法，难度最低。

1.2 注重对不同实验方案综合比较分析的考查

通常来讲，设计不同的实验方案，对实验结果的影响便不同，实验前通常要分析推理甚至演算，得出最为合适的实验方案，以便取得较为理想的实验数据或结论。2020年全国卷I、浙江卷及北京卷便是运用两种不同的实验方案对物理量进行测量后进行比较分析设问考查。

全国卷I中的伏安法测电阻，题目给出部分电路图及电表的内外两种接法的实验图像，要求对号入座并分析误差，评估两种方案的精准性。浙江卷中测量电池的电动势和内阻实验，题目给出两种实验方案：相对于电源而言的电流表的内接法和电流表的外接法，并绘制出两种实验方案下的电源的伏安特性曲线，要求从图像中推理分析电池的电动势和内阻。北京卷与浙江卷大同小异，均是测电池电动势和内阻实验，本质都是对实验方案的误差分析。

1.3 突出对图像描绘、图像意义及结合图像分析误差的考查

图像是反映物理量之间定性或定量变化关系的重要形式，物理中图像的交点、横纵截距、斜率甚至面积往往都有一定的意义，因而研究图像、分析图像有利于帮助我们理解物理规律、物理定理，尤其是物理量间的约束关系。鉴于此，2020年全国高考物理电学实验题中，八道电学实验题中涉及到图像的有七道，其考查方法各有不同。有图像的描绘，有要求学生从图像中提取相关信息及加工信息，有要求根据图像进行实验系统误差的分析，等等。

2 典型真题剖析

2.1 伏安法测电阻

例1（2020年全国卷I）某同学用伏安法测量一阻值为几十欧姆的电阻Rx，所用电压表的内阻为1 kΩ，电流表的内阻为0.5 Ω。该同学采用两种测量方案，一种是将电压表跨接在图1所示电路的O、P两点之间，另一种是跨接在O、Q两点之间。测量得到如图2所示的两条U-I图线，其中U与I分别为电压表和电流表的示数。

图1 电路图

回答下列问题：

（1）图2中标记为II的图线是采用电压表跨接在 ________（填“O、P”或“O、Q”）两点的方案测量得到的。

图2 U-I图像

（2）根据所用实验器材和图2可判断，由图线 ________（填“I”或“II”）得到的结果更接近待测电阻的真实值，结果为________Ω（保留1位小数）。

（3）考虑到实验中电表内阻的影响，需对（2）中得到的结果进行修正，修正后待测电阻的阻值为________Ω（保留1位小数）。

【思路点拨】伏安法测电阻的内、外接法系统误差主要来源于电表的分流或分压。电流表内接时，电流表的示数能真实反映通过待测电阻的电流，电压表示数实际测量的是待测电阻和电流表两端的总电压，因而电压的测量值偏大，导致电阻的测量值大于实际值。而电流表外接时则相反，电压表所测值能真实反映待测电阻两端的电压，电流表示数则为通过待测电阻电流和电压表电流之和，因而电流的测量值偏大，导致电阻的测量值小于真实值，在U-I图像上表现为斜率较小。据两个图像的斜率大小关系可以确定内、外接法。根据“大内小外”的选取原则确定系统误差较小的接法。

【试题解析】（1）将电压表接O、P两点之间时的图像斜率小于电压表接在O、Q两点之间时的图像斜率，故图线II是采用电压表跨接在O、P两点之间。

（3）对U-I图像中的图线I，计算其斜率可得：

（4）通过上述分析易知，当电流表内接时，即电压表应跨接在O、Q两点之间，测得的结果更准确，其系统误差来源于电流表的分压。若考虑分析电流表分压，则待测电阻的理论值为Rx真=Rx-RA=50.5-0.5=50.0 Ω，式中 Rx真、Rx、RA分别表示待测电阻的真实值、测量值及电流表的内阻。

小结：本题的创新之处在于将电表的实际接法与给定的图像相关联，考查学生结合图像分析伏安法测电阻时电表内、外接法引起的系统误差和运用欧姆定律对测量结果进行修正的能力。

2.2 伏安特性曲线

例2（2020年全国卷II）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3所示。

（1）根据图3，在图4的实物图中画出连线。

图3 电路图

图4 实物图

（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。所得实验数据在表2中给出。

表2 实验数据

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

（4）如果用另一个电阻替代定值电阻R0，其他不变，为了能够测量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）。

【思路点拨】研究灯泡的伏安特性通常要有电流表和电压表，电流表测量通过灯泡的电流，电压表测量灯泡两端的电压，因灯泡电阻较小，故电流表常用外接法。题中未给出电压表，由定值电阻与电流表A1替代电压表。为了获得灯泡两端更广的电压调节范围，故滑动变阻器用分压式接法，连接实物图时要悟透电路图，要厘清元件的连接方式、电表的接法、滑动变阻器的接法甚至电表的正、负接线柱。定量计算方面，计算灯泡两端电压时要注意考虑电流表A1所分担的电压；通过灯泡的电流则只要将两只电流表读数作差便可得出；计算灯泡的电阻时，要先运用上述分析的方法得出其电压（其值为电流表A1示数乘上电流表A1和定值电阻两者总电阻），再与通过灯泡的电流（其值为电流表A2示数减去电流表A1示数）相除便可算出灯泡的电阻。当然，为了保护灯泡，其两端电压不能超过其额定电压。

【试题解析】（1）根据电路图，先将滑动变阻器电阻丝两端与开关、电源相连形成回路，再将电流表A1与定值电阻R0串联后与灯泡并联，并联后与电流表A2串联，再与滑动变阻器右半部分并联接入电路。如图5所示。

图5 实物连线图

（2）对R0与电流表A1支路由欧姆定律得灯泡两端的电压为：U=I1（R0+Rg1）；则通过灯泡 L 的电流I为：I=I2-I1，因灯泡两端电压不能超过3.6 V，故I1的最大值为：

小结：作为课程标准及考试说明明确要求的实验之一，描绘灯泡的伏安特性曲线实验是高考高频考点之一，试题常从元件的选择、电表内外接法选取、滑动变阻器接法及图像的描绘、实验误差分析等角度设问考查。相比传统命题规律，本例在灯泡两端电压的测定及电流测定上作了较大的变化与创新，将电流表A1和定值电阻两端的总电压作为灯泡两端的电压，即将电压表测电压转换为电流表测电流，且考虑了电流表的分压作用。而流过灯泡的电流则转化为干路电流与定值电阻支路电流之差，较传统测法更为准确，回避了传统测灯泡电流中电压表分流而导致的误差，因而整体上描绘出的灯泡伏安特性曲线较传统方法更为精确，因仪表引起的系统误差理论上得到很好的控制。灯泡的电流与电压这两个物理量的测定，从当前新课标所倡导的科学思维素养角度看体现了转换的思想。

2.3 测电池电动势和内阻

例3（2020年北京卷）用图6所示的甲、乙两种方法测量某电源的电动势和内电阻（约为1Ω）。其中R为电阻箱，电流表的内电阻约为0.1 Ω，电压表的内电阻约为3 kΩ。

图6 电路图

（1）利用图6中甲图实验电路测电源的电动势E和内电阻r，所测量的实际是图7中虚线框所示“等效电源”的电动势E'和内电阻r'。若电流表内电阻用RA表示，请你用E、r和RA表示出E'、r'，并简要说明理由 。

图7 等效电源

在图8中，对应图甲电路分析的U-I图像是：__________；对应图乙电路分析的U-I图像是：________。

图8 U-I图像

（3）综合上述分析，为了减小由电表内电阻引起的实验误差，本实验应选择图6中的________（填“甲”或“乙”）。

【思路点拨】测电池电动势和内阻因其所用电表、变阻元件不同而导致测量方法不同，有伏安法（有电压表、电流表和滑动变阻器）、安阻法（电流表和电阻箱组合）和伏阻法（电压表和变阻箱组合），但不论什么方法，其原理均为闭合电路欧姆定律，其系统误差来源均为电表的分流或分压所致。题中的安阻法（甲）误差来源为电流表的分压，伏阻法（乙）误差来源为电压表的分流，在图像中分析实验中的真实值与测量值时可以从电表的分流、分压作用视角研究。

【试题解析】（1）甲图中，测量的对象实际是电池和电流表构成的整体，因电流表只能测量电路中的电流，不能对电路提供电能，故测量的电动势即为电池真实的电动势：E=E'。而电流表有内阻，故测量的内阻实质为电池内阻和电流表内阻之和：r'=r+RA。

（2）对甲图：如图 9，对同一电流值而言，路端电压的测量值与真实值相差电流表两端分得的电压UA=IRA，又因电流表内阻RA可以看作定值，于是有 UA∝I，当电流为零时，UA=0，即 U-I图像在纵截距上重合。一般情形下，对于同一电流值，因路端电压的测量值小于真实值，即实线（测量值）显示的图线应当在虚线（真实值）显示的图线下方，综上所述应选C选项。

图9 U-I图像

图10 U-I图像

（3）从因电表的分流或分压引起的系统误差角度看，甲方案中测得的电动势准确，内阻偏大，乙方案中测得的电动势和内阻均偏小。但是，由于电池内阻很小，电流表的分压作用不能忽略，故应当选用乙方案测量更为准确。

小结：电表的内、外接法导致的系统误差分析是测量电池电动势和内阻实验这一类考题的常见命题点，要会从定量、定性和图像等角度综合分析误差来源对测量结果的影响。2020年北京卷电学实验题强调从图像的角度分析系统误差，着力考查学生对测量电路结构的理解、误差的分析计算。

3 结束语

科学探究能力并不是一种孤立的能力，它往往与学生的科学思维素养、科学态度与责任及物理观念密不可分。电学实验探究题表象上看仅仅考查学生的科学探究能力，实质对学生设计实验、选取器材、规划方案、测定数据、处理数据及误差分析等所需的科学思维能力相互联系，同时要有科学严谨的态度对待实验，实验结论对形成正确的物理观念至关重要。纵观2020年高考物理电学实验题，不但重视对电路结构、实物连图的考查，更注重对不同实验方案综合比较分析的考查以及突出对图像描绘、图像意义及结合图像分析误差的考查，显示出对学生科学思维方法和科学探究能力全方位的考查。教师在日常实验教学中，要有意识地培养学生这方面的能力，尽可能创造条件让学生多走进实验室，多动脑、多动手、多揣摩，体会实验的乐趣，为培养出优秀的物理人才而不懈努力。