基于核心素养对一道电学实验题的剖析

李胜强

(江苏省郑集高级中学城区校区 221116)

原题研究小组利用下表中的实验器材测量电流表A1的内阻r1.

器材规格电流表A1量程为10 mA,内阻r1待测(约为40 Ω)电流表A2量程为500μA,内阻r2=750 Ω电压表V量程为6 V,内阻r3=3 kΩ电阻R1阻值约为100 Ω滑动变阻器R2总电阻约为10 Ω电池E电动势为1.5 V,内阻很小开关S,导线若干

(1)两位同学分别设计了如图1甲和乙所示电路,小组讨论后发现两电路均存在问题,请指出两电路存在的问题:

(2)另一位同学对电路乙进行优化后做实验,得到若干组数据,如下表所示.请你根据数据在图2的坐标纸中画出I1-I2的关系图线.

I1/mA2.004.006.007.008.009.00I2/μA110210320370430480

(3)根据所描图线可知待测电流表的内阻为____Ω.

(4)请你画出优化后的电路图.

第(2)小问考查实验数据处理能力，电流表A1和A2的横纵坐标已经建好，要求学生根据实验数据合理选择标度，结合实验数据做出六个实验点，根据实验点构建通过原点的倾斜直线，根据所描图线选择合适的两个点求解出图像的斜率，进而求出待测电流表的内阻.

典型错误分析第(1)小问指出图1甲乙两电路存在的问题，学生有以下几种回答：

①滑动变阻器应使用限流式接法，

②电压表会分流或电流表会分压会造成实验误差，

③两个电流表不能并联只能串联，

④大内偏大，小外偏小，

⑤电压表测量的不是路端电压，

⑥电流表测量的不是干路电流，

⑦电流表短路不能测电压无法完成实验，

⑧测量值偏大或偏小，

⑨电压表断路，电流表短路，

⑩电源电动势太大或滑动变阻器阻值太小.

第(2)小问根据数据在图2的坐标纸中画出I1-I2的关系图线，学生主要有以下不妥：①横纵坐标缺少单位，②横纵坐标标度选择不合理，③六个实验点的点迹不清晰，④绘制的图线未适当延长，让图线充满整个表格，⑤绘制的图线未经过坐标原点，⑥绘制的图线不是倾斜直线，是折线或曲线，⑦绘制的图线点迹太粗，覆盖了原始实验数据，⑧看错坐标，将I1-I2的关系图线绘制成I2-I1的关系图线，⑨绘制的图线没有满足绝大多数点分别在图线上，不在图线上的均匀分别在两侧，⑩定值电阻未使用.

核心素养分析物理学科的核心素养包括物理观念、科学思维、实验探究、科学态度和责任.“物理观念”包括物质观念、运动观念、相互作用观念、能量观念及其应用等要素.“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素.本题要求结合实验器材测量电流表A1的内阻r1，实验原理属于伏安法测电阻，只要尽可能精准测量电流和电压即可，而电流表A1的作用价值之一就是测量自身电流，故只需要用合适的电压表测量电流表A1的电压即可.图1甲中实验原理是可行的，只是电压表的量程不合适而已，本实验又没有合适的电压表可以直接应用，图1乙中电流表A2的作用价值和图1甲中电压表是一样的，只是电流表A1和电流表A2的量程都太小，不便于实验的正常进行.本题要求学生能仅仅抓住伏安法测电阻的原理，选择合适的电路和电表进行实验，对图1甲和图1乙两电路存在问题的问题进行科学论证，通过模型建构、科学推理指出图1甲和图1乙两电路不合理的地方，并通过质疑创新对乙电路进行优化，优化的途径很多：一是对电源进行优化(减小电源的电动势)，二是对滑动变阻器进行优化(增大滑动变阻器的阻值)，三是对定值电阻的分压作用进行优化(直接分电源的电压或者分分压式电路的电压)，四是对电路进行整体优化.本实验的设计很好的体现了核心素养对科学思维的考查.

“实验探究”主要包括问题、证据、解释、交流等要素.本实验首先提出问题——利用表中的实验器材测量电流表A1的内阻r1，接着对两位同学设计的图1甲和图1乙两电路存在问题进行解释、交流和优化，这考查了学生的分析问题的能力和对比意识，通过对实验原理的理解强化了伏安法测电阻的变式思维.通过对两个方案的比较以及原题提供的实验器材的逐一筛查，发现定值电阻还没有使用，通过自我交流和物理思考，体会定值电阻的分压作用，一个小小的定值电阻解决了实验的安全问题.

“科学态度与责任”主要包括科学本质、科学态度、科学伦理、STSE等要素.本实验的科学本质是伏安法测电阻，通过对图1甲乙两实验方案的问题分析考查学生的科学态度，要求学生能基于事实，结合电源的电动势以及滑动变阻器的分压作用体会控制电路的电压的变化情况，结合电流表A1、电流表A2以及电压表的具体参数体会量程问题，对于电源电压过大而电表量程较小的问题，只能选择合适的定值电阻分压来解决问题，这都体现了对学生科学态度和科学伦理的考查.

本题不难、不偏、不怪，除考查学生对实验数据处理的基本素养，还考查了学生对伏安法的深入理解，同时考查了“实验探究”中的问题、证据、解释、交流等要素，“科学思维”中的模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素，“科学态度与责任”中的科学本质、科学态度、科学伦理、STSE等要素，是一道可遇不可求的好题.