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电学探究题考查探秘一、在研究串联电路的特点实验中考查设计实验方案的能力例1 小林用如图1所示的电路研究串联电路的特点,闭合开关S后,发现灯L1较亮,灯L2较暗。他对这一现象的解释是:电流从电源正极出发,经过灯L1、灯L2,电流逐渐变小,所以灯L1较亮,灯L2较暗。小欢认为小林的解释是错误的,她只利用图1中的器材设计了一个实验,并根据实验现象说明小林的解释是错误的。请你完成下列问题:(1)在下侧虚线框中,画出小欢所设计的实验电路图。(2)根据实验现象说明小林的解释是错误的。分析:根据实验现象,分析论证获得结论,是科学探究的一个重要环节。但仅仅凭一次实验就得出结论,难免会犯以偏盖全的错误。题目中的小林正是这样。事实上,在学习这部分内容时,不少同学受与水流类比的影响,也会产生小林这样的想法。可见,出题人不是无中生有,也是抓住了大家学习中的失误。怎样用实验来证明错误呢?(我们通常是用实验来证明一个结论正确,这叫“证实”;此处是用实验来证明一个结论错误,这叫“证伪”)。这就要分析小林错误想法的来源,他以为灯的位置影响其亮暗。我们只要改变它们的位置,看其亮暗是否改变(或者改为并联,看是否一样亮),就可以了。答案:(1)电路图见图2或图3。(2)图2中,按照小林的解释,闭合开关S后,电流从电源正极出发,经过灯L2、L1,电流逐渐变小,所以灯L2较亮,灯L1较暗。(图3中,按照小林的解释,两灯应该一样亮)但实验现象仍然是灯L1较亮,灯L2较暗。这说明小林的解释是错误的。反思:题目表面上看是研究串联电路的特点实验,但考查的并不是电路的连接、实验的结论等大家熟悉的东西。而是以此实验为载体,考查针对出现的新情景、新问题,如何创造性地用实验的方法加以解决。这才是真正的科学探究。二、在研究并联电路中电流关系实验中考查对数据次数的要求例2 以下是小明和小杰写的一份探究报告:问题:并联电路干路电流与各支路电流有什么关系?猜想:干路中的电流等于各支路中的电流之和设计实验:略进行实验:闭合开关,记录ABC各点的电流值如下表所示:A点电流IA/AB点电流IB/AC点电流IC/A040408(1)小明的结论是_(填“正确”或“不正确”)。(2)请你分析说明小明同学这一实验方案中的不足:_。(3)实验的改进方法:_。分析:题目考查了一个较完整的探究过程,侧重于对测量性实验数据选取次数的考查。实验仅凭一组数据,不能发现普遍规律,要多测量几组(一般取三次)。测量A、B点的电流值,也要尽量避免数据相同,以免总结规律时引起不必要的干扰。答案:(1)正确。(2)仅测量一组数据,不能发现普遍规律。(3)要多测量几组。反思:科学探究需要科学的方法,如果仅凭一个现象或一组数据就得出结论,这个结论不一定正确。“无巧不成书”指的就是这样的事。只有在大量实验现象或实验数据的基础上,才能避免偶然性,得出普遍结论。这样看来似乎实验的次数越多越好,其实没有这个必要。重复性的实验一般进行三次就可以排除偶然性,发现普遍规律了,古人云“事不过三”吗。实验次数太多,既费时又费力。三、在测量电阻实验中考查学生的评估能力例3 同学们要测量电阻Rx的阻值(其阻值约几百欧),实验室能提供的器材有:干电池两节、电流表、电压表、滑动变阻器(“100W、2A”)、开关各一只、导线若干。(1)某同学设计的实验电路如图4所示,并要用此电路测量待测电阻Rx的阻值,你认为这个方法是否可行?简述你的观点。(2)如果上述方法可行,画出电路图,并写出主要实验步骤和Rx表达式。如果上述方法不可行,请你利用题中已有的器材设计出一种可行的实验方案。画出电路图,并写出主要实验步骤和Rx表达式。分析:“伏安法”是测量未知电阻的基本方法,用电流表测出通过电阻的电流I,用电压表测出电阻两端的电压U,再利用R=U/I就可以计算出电阻的阻值。从图4看出,这就是“伏安法”测量电阻的典型电路图。不过,你要认为它能测量待测电阻Rx的阻值,好像还为时过早。因为题目告诉我们电阻Rx的阻值约几百欧,而电源电压最大只有3V。你可以估算一下电路中的电流,也就是零点零几安,与图中电流表的最小分度值大致相当。换句话说,用电流表是无法准确测出电路中的电流的。所以,无法用这种方法测量电阻的阻值。那么如何利用题中已有的器材测量出Rx呢?只有在实验原理上想办法。既然电流表无法正常使用,那么用电压表和滑动变阻器能否测出Rx?当然能。方法是让滑动变阻器的阻值一次为零,一次最大(100W),分别记下电压表的读数,再利用串联电路中的规律即可计算出Rx的阻值。这样看来,利用图1也能测出Rx,只是不用关心电流表了。所以题目第一问回答“可行”“不可行”都对,关键是理由不同。答案:方案一:(1)不可行。因为按此电路用“伏安法”测量未知电阻时,电路中的电流太小,电流表无法准确测出电路中的电流。(2)按图5连接好电路,将滑动变阻器的滑片移到阻值最大处,记下电压表的示数U1;再把滑片移到阻值为零处,记下电压表的示数U2(即电源电压)。根据方案二:(1)可行。按此图实验时,可以不用管电流表示数,通过电压表和滑动变阻器就能测出Rx。(2)按图6连接好电路,将滑动变阻器的滑片移到阻值最大处,记下电压表的示数U1;再把滑片移到阻值为零处,记下电压表的示数U2(即电源电压)。根据反思:题目考查在具体情景下电阻的测量。给我们的启发是,实际的事物是复杂的,理论上可行的,实际中受各种条件的制约,可能不一定行的通。所谓“纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行”就是这个道理。四、在研究焦耳定律实验中考查实验的思想方法例4 我们知道:“电流通过导体时产生的热量,与电流的平方成正比,与导体的电阻成正比,与通电时间成正比。”这就是焦耳定律,用公式可表达为:Q =I2Rt。爱动脑筋的小明在探究这个问题时,设计了图示的实验,只连接一次电路就完成了实验探究。他的方法是用电阻丝(其中R甲R乙)给烧瓶中的煤油(煤油质量相同)加热,然后观察煤油在插入密封烧瓶里的玻璃管中上升的高度,就可以对比电阻丝放热的多少。请你仔细观察小明设计的实验电路,并应用所学知识分析回答下列问题:(1)探究电热的多少与电流的关系,应该对比 两个烧瓶中煤油柱上升的高度,而这两个烧瓶中电阻丝阻值应该 。(2)探究电热的多少与电阻的关系,应该对比 两个烧瓶中煤油柱上升的高度。(3)有许多家用电器的工作原理即为焦耳定律,请举两个例子。分析:本题主要涉及两种物理研究方法:一是控制变量法。另一种是转化放大的方法。在探究电热的多少与电流的关系时,应控制两个电阻丝的阻值相同;在探究电热的多少与电阻的关系时,要控制通过两个电阻丝的电流相同,最好的方法当然是采用串联。这里就应用了控制变量法。当要研究的一个物理量与另外几个物理量都有关系时,为简化和方便,先研究与其中一个量的关系,而要控制其余几个量不变,这种研究问题的方法叫控制变量法。这种方法在实验数据的表格上的反映为:某两次试验只有一个条件不相同,若两次试验结果不同,则与该条件有关,否则无关。反过来,若要研究的问题是物理量与某一因素是否有关,则应只使该因素不同,而其他因素均应相同。控制变量法是中学物理中最常用的方法。想一想,物理中还有哪些地方用到了控制变量法?另一种研究方法是转化放大的方法。实验中电流产生的热量不能直接观察到,但热量的变化可以用温度的变化来感知。通过温度的变化多少来间接知道电流产生的热量的多少,这是转化法。物理学中对于一些看不见、摸不着的现象或不易直接测量的物理量,通常用一些非常直观的现象去认识,或用易测量的物理量间接测量,这种研究问题的方法叫转换法。初中物理在研究概念、规律和实验中多处应用了这种方法。特别是对那些抽象的难以理解的物理知识,这种方法很有效。生活中你也用到过转换法,只是未注意罢了。空气是看不见摸不着的,但我们可以根据空气流动(风)所产生的作用来认识它,如红旗飘动,树叶摇晃等。想一想,物理中还有哪些地方用到了转换法?还有一个问题:由于实验中电流产生的热量较少,液体温度升高的也较小,所以用温度计不易直接测量比较。为了使现象明显,实验采用了两种方法:不用温度计,但采用了放大的“温度计”。整个烧瓶相当于一个温度计的玻璃泡。由于烧瓶里的液体较多,使升温膨胀效果更明显。采用煤油代替常见的水,用玻璃管插入密封烧瓶里的煤油中代替温度计。用煤油代替水,是因为煤油比水的比热容小,在吸收相等的热量时温度上升的多,这样现象更明显。(当然还有一个重要原因,那就是煤油不导电。可以设想由于水导电,若用水由水产生的电阻就无法控制电路中的电阻情况)。答案:(1)甲、丙或乙、丙 相等。(2)甲、乙(3)电饭锅、电热毯、电暖炉等。反思:在研究和解决问题的过程中,不仅需要相应的知识,还要注意运用科学方法。物理课程标准要求,在突出科学探究内容的同时,重视研究方法的指导,使学生在进行科学探究、学习物理知识的过程中,逐渐拓宽视野,初步领悟到科学研究方法的真谛。因此,注意考察研究物理问题的方法,成为当前和今后中考的热点。在初中阶段,需要掌握的科学研究方法主要有:控制变量法、理想实验法、转换法、物理模型法、类比法、归纳法等。从以上可以看出,现在探究题的考查方式发生了很大的变化,单纯考查操作步骤、实验结论等凭借机械记忆及套用就可奏效的考题已退出舞台,题目普遍重视探究的过程和方法的考查。但这不是说知识不重要了,相反是对知识提出了更高的要求,因为掌握扎实的基础知识是进行科学探究的前提。这就要求学生在平时的学习中,不仅要牢固地掌握知识,而且要清楚知识的来龙去脉,在学习过程中不断提高自己的能力。
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