在实验误差分析中提升学科素养——以“测定电源的电动势和内阻”为例.pdf

SHIYAN JIAOXUE YU YIQI2023年第7期实验教学案例在实验误差分析中提升学科素养以“测定电源的电动势和内阻”为例叶晟波1，方润根2，张舒程2（1.浙江省慈溪中学，浙江宁波 315300；2.杭州学军中学，浙江杭州 310014）摘要：对一道电学实验题进行了素养分析，在题目求解过程中提出疑问和猜想，对实验数据进行误差与不确定度分析，在解决实际问题的过程中证实猜想、培养创新思维。教师和学生在对试题的误差分析中，要明确试题“考什么”“怎么考”，让试题引导教学，真正培养学生的学科素养，同时也提高教师编制电学实验题的能力。关键词：系统误差；偶然误差；学科素养；电源；电动势；电阻DOI：10.19935/ki.1004-2326.2023.07.008“测定电源的电动势和内阻”是 普通高中物理课程标准2017年版2020年修订 规定的学生必做实验之一，作为“电路及其应用”一章的最后一个测定性实验，该实验深化闭合电路欧姆定律的规律认知，提升学生实验设计能力、数据处理能力和分析论证能力1。由于该实验的育人价值，近几年各省市高考卷和各地区的物理联考卷常用该实验考查学生的实验能力。笔者以一道电学实验题为例，通过对试题的实验情境重现和误差分析，激发学生科学探究的兴趣，提升学科素养，提高教师编制实验题的水平。1原题呈现“宁波市 2021 学年第一学期高三联考”第 18 题。小波同学用如图1-a所示的电路测定电池组（由两个电池构成）的电动势和内阻，S1为开关，S2为单刀双掷开关，E为电源，R0是一个阻值为1.0 的定值电阻，R1为滑动变阻器。（1）某次测量时，电流表的示数如图1-c所示，读数为A。（2）先闭合 S1，调节滑动变阻器，将 S2分别接到 a和b得到多组数据，用电脑处理后得到图1-b电池组的U-I关系图象，其中直线是开关S2接到（选“a”或“b”）得到的实验结果。（3）计算机已经根据测量的两组数据拟合直线，并且得到了直线的方程，可得电池组的电动势E=V，电池组的内阻r=（结果均保留2位有效数字）。VAR1S1R0EabS2U=-3.19I+2.67U=-3.02I+2.6900.20.40.6I/A2.82.42.01.61.20.8U/Vabc图1例题附图2素养分析该试题命题立意是考查科学论证、质疑创新等思维能力，考查实验原理、操作规范、仪器读数、数据处理方法和误差分析等科学探究相关素养。以教材的学生实验为基础，考查实验基本技能，在培养学生科学严谨的实验精神和态度的同时，再进行一定程度的延伸或改编，是实验命题的基本策略2。第（1）小题考查的素养类型主要是科学思维中的科学论证和科学探究中的证据推理，能恰当使用证据 202023 年第7期实验教学案例表达自己的观点，能选用合适的器材获得数据。第（2）小题考查的素养类型主要是科学论证，考查实验误差分析，根据实验经验估算真实值和测量值的大小关系。第（3）小题考查的素养类型主要是证据与解释、质疑创新，利用已有证据分析偶然误差的影响因素。能设计合适的方案测电池组的电动势和内阻，用图象法处理实验数据，并得出结论。3重现实验情境，在质疑中提升科学素养3.1提出疑问图1-a中，将开关S2接到a，得到图2的电路图（将R0和电源内阻看成一个整体，等效成电池的总内阻r），人教版高中教科书物理必修第三册第十二章“实验：电池电动势和内阻的测量”中有原图呈现；将开关S2接到b得到图3电路图，是对教材的原图进行了迁移。图2和图3习惯称为安培表外接法和安培表内接法。图2安培表外接法图3安培表内接法两种测量方法都存在系统误差，测量值与真实值的关系为：外接法：E测1=RvRv+rE真，r测1=RvRv+rr真；内接法：E测2=E真，r测2=r真+RA。表明图3安培表内接法的电动势E和内阻r都比外接法测得的值大。由图1-b直线可得：E测1=2.69 V，r测1=3.02；由直线可得：E测2=2.67 V，r测2=3.19，即E测1E测2，r测1r测2。若直线对应图3，则E和r的测量值都应偏大，由图象法得到的数据结果与系统误差的分析不一致，学生和部分教师对此产生疑问：联考题中的实验数据是否真实？3.2分析与猜想笔者引导学生对以上疑问展开分析，根据实验经验学生知道电池内阻大概为1，而电压表的3 V量程内阻达到几千欧，即RV r；电流表0.6 A量程的内阻与电池内阻接近，即粗略认为RA r。根据计算式可知E测1 E测2，r测2 r测1。第（2）小题的解答按内阻考虑，由r测1=3.02 E2的情况，因此，宁波市联考题18题的实验数据恰恰是出卷教师坚持科学性原则的结果。根据图象法可得E1=2.69 V，E2=2.67 V，E1略大于E2正是由于偶然误差大于系统误差的缘故，因此，第（2）小题可以按内接法考虑。第（3）小题有学生试图通过下面方法来排除“测一节干电池的电动势和内阻”实验的系统误差。根据内外接法测量值与真实值的关系E测1=RvRv+rE真，r测1=RvRv+rr真，E测2=E真；可得r真=E测2E测1r测1，通过安培表内外接获取两条U-I图线，分别算出E测1、E测2、r测1，代入上式消除测内阻的系统误差。该方法看似很有道理，实际上这种方法用来排除系统误差的做法并不能使实验结果更加精确，由于实验中的偶然误差大于系统误差，反而引入了更多不必要的实验误差。物理实验是训练学生进行科学探究的最佳途径，实验能力也是物理 高考考试大纲 明确要求考查的“五种能力”之一。重现物理实验情境，使实验数据来源于真实的实验过程，提倡学生多实践多体验。通过实验数据处理后反映的问题让学生认识到误差分析是一个实验的灵魂，通过对比与分析、推理与质疑，真正考查学生的物理实验基本技能和科学思维，从而提升学科素养。（基金项目：2022年浙江省规划课题“高中物理科学态度与责任素养培养的实践研究”，编号：G2022035）参考文献1 赖佳颖.基于物理实验能力培养的高中测定性实验教学思考：以“测量电源的电动势和内阻”实验教学为例 J.物理教学，2021，43（8）：37-40.2 吕俊君.高考评价体系“基础性与综合性”要求下的物理试题命制方向 J.中学物理，2021（13）：55-58.3 梁旭.浙江省普通高中学科教学指导意见：物理（2021版）M.杭州：浙江教育出版社，2021.23