电学探究题考查探秘

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　　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：
        　　
       

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        　　(1)在下侧虚线框中，画出小欢所设计的实验电路图。
        　　
       

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        　　(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。
        　　
       

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        　　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。

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        　　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A.B.C各点的电流值如下表所示：
         

A点电流IA/A	B点电流IB/A	C点电流IC/A
0．4	0．4	0．8

        　　(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。
        　　
       

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        　　(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
       

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        　　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。
        　　
       

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        　　(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。

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        　　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：①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。②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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