管窺高考物理實(shí)驗(yàn)題命題改革的方向

方永根

摘要：本文通過對(duì)2008年全國(guó)高考理科綜合能力測(cè)試（全國(guó)卷Ⅰ）的兩個(gè)物理實(shí)驗(yàn)題的分析，揭示了高考物理實(shí)驗(yàn)題改革的方向，即遵循《考試大綱》，考查的內(nèi)容、要求和方法源于教材又超出教材，著重考查考生面對(duì)實(shí)驗(yàn)問題時(shí)“能靈活地運(yùn)用已學(xué)過的物理理論、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)儀器去處理問題”的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

關(guān)鍵詞：高考物理實(shí)驗(yàn)題；方向；能力

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-6148(2009)5(S)-0050-3

2008年全國(guó)高考理科綜合能力測(cè)試（全國(guó)卷Ⅰ）的兩個(gè)物理實(shí)驗(yàn)題是近年高考物理實(shí)驗(yàn)題中難得一見的好題，試題情景新，但考查的內(nèi)容、要求和方法源于《考試大綱》要求的教材實(shí)驗(yàn)，要求考生面對(duì)新的實(shí)驗(yàn)問題時(shí)“能靈活地運(yùn)用已學(xué)過的物理理論、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)儀器去處理問題”,體現(xiàn)了高考物理實(shí)驗(yàn)題命題改革的方向，對(duì)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有較好的指導(dǎo)作用。下面分別對(duì)其進(jìn)行分析和點(diǎn)評(píng)。

Ⅰ.（6分）如圖1所示，兩個(gè)質(zhì)量各為m1和m2的小物塊A和B，分別系在一條跨過定滑輪的軟繩兩端，已知m1＞m2，現(xiàn)要利用此裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。

（1）若選定物塊A從靜止開始下落的過程進(jìn)行測(cè)量，則需要測(cè)量的物理量有______。（在答題卡上對(duì)應(yīng)區(qū)域填入選項(xiàng)前的編號(hào)）

① 物塊的質(zhì)量m1、m2。

② 物塊A下落的距離及下落這段距離所用的時(shí)間；

③ 物塊B上升的距離及上升這段距離所用的時(shí)間；

④ 繩子的長(zhǎng)度。

（2）為提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確程度，某小組同學(xué)對(duì)此實(shí)驗(yàn)提出以下建議：

① 繩的質(zhì)量要輕；

② 在“輕質(zhì)繩”的前提下，繩子越長(zhǎng)越好；

③ 盡量保證物塊只沿豎直方向運(yùn)動(dòng)，不要搖晃；

④ 兩個(gè)物塊的質(zhì)量之差要盡可能小。

以上建議中確實(shí)對(duì)提高準(zhǔn)確程度有作用的是________。（在答題卡上對(duì)應(yīng)區(qū)域填入選項(xiàng)前的編號(hào)）

（3）寫出一條上面沒有提到的提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確程度有益的建議：________________________________________。

考點(diǎn)和命題意圖剖析 本題考查考生對(duì)“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)原理和過程的理解及其遷移運(yùn)用能力。

教材實(shí)驗(yàn)分析 驗(yàn)證機(jī)械能守恒，就是在重物下落過程中選擇兩個(gè)物理狀態(tài)，通過測(cè)量一系列物理量來驗(yàn)證“重物從初狀態(tài)到末狀態(tài)的過程中重力勢(shì)能的減少等于動(dòng)能的增加”。初狀態(tài)是重物在高h(yuǎn)處時(shí)，末狀態(tài)是重物下落h時(shí)，從初狀態(tài)到末狀態(tài)的過程中重物重力勢(shì)能的減少為mgh，動(dòng)能的增加為12mv2?？梢娚婕暗降奈锢砹坑衜、g、h、v四個(gè)，由于是同一個(gè)物體，不需要測(cè)m，g取當(dāng)?shù)氐臄?shù)值，所以需要直接測(cè)量的是h，間接測(cè)量的是v，測(cè)量v的根據(jù)是“時(shí)間t內(nèi)的平均速度等于該段時(shí)間中點(diǎn)t2時(shí)刻的瞬時(shí)速度”。在實(shí)驗(yàn)過程中要提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確程度，就是要保證上述物理量的測(cè)量準(zhǔn)確。

考題解析 首先確定兩個(gè)狀態(tài)，初狀態(tài)是小物塊A、B都靜止時(shí)，末狀態(tài)是小物塊A下落或小物塊B上升一定高度時(shí)，從初狀態(tài)到末狀態(tài)的過程中重力勢(shì)能的減少為（m1－m2）gh，動(dòng)能的增加為12(m1+m2)v2。g取當(dāng)?shù)氐臄?shù)值，不需要測(cè)量；由于是兩個(gè)不同物體，并且重力勢(shì)能的減少的表達(dá)式中是（m1－m2），動(dòng)能的增加的表達(dá)式中是（m1＋m2），所以需要測(cè)量m1、m2；小物塊A下落的距離h可以直接測(cè)量，速度不能直接測(cè)量，又如何測(cè)量呢？由v=at和h=12at2有v=2ht，所以通過測(cè)量h、t可以間接測(cè)量速度v。由于物塊A下落的距離和所需時(shí)間與物塊B上升的距離和所需時(shí)間相等，物塊A和B的速度大小始終相等，所以第（1）問中的②、③選一個(gè)即可，答案為①②或①③。

第（2）和（3）問都是關(guān)于提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確程度，分析的出發(fā)點(diǎn)是看操作方法是否保證上述物理量測(cè)量準(zhǔn)確。如果繩有一定的質(zhì)量，繩就有重力勢(shì)能和動(dòng)能的變化，而關(guān)系式中并不包括繩的重力勢(shì)能和動(dòng)能變化，所以繩應(yīng)為輕繩；繩的長(zhǎng)度對(duì)測(cè)量距離h的準(zhǔn)確程度沒有影響；如果物塊不是沿豎直方向運(yùn)動(dòng)，有晃動(dòng)，那么用v=2ht得到的速度就小于真實(shí)速度，并且物塊A和B的速度大小不相等；如果兩個(gè)物塊的質(zhì)量之差太小，（m1－m2）和速度都太小，重力勢(shì)能的減少值和動(dòng)能的增加值都太小，不便于驗(yàn)證，同樣兩個(gè)物塊的質(zhì)量之差太大也不好。所以第（2）問的答案為①③。

第（3）問的答案具有開放性，有利于提升學(xué)生的創(chuàng)新性思維，是今年高考物理試題的閃光點(diǎn)。

點(diǎn)評(píng) 本題源于教材又高于教材，不同之處是教材中研究對(duì)象是一個(gè)，本題研究對(duì)象有兩個(gè)，但實(shí)驗(yàn)的思路是相同的，即通過測(cè)量得到重力勢(shì)能的減少值和動(dòng)能的增加值，并比較二者是否相等。其高于教材之處即要求考生在理解教材實(shí)驗(yàn)為什么不需要測(cè)重物質(zhì)量的基礎(chǔ)上，分析得出本實(shí)驗(yàn)需要測(cè)小物塊A、B的質(zhì)量；在知道需要測(cè)速度的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)具體過程，根據(jù)勻變速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，尋找間接測(cè)量速度的方法。這種源于教材的變形題，對(duì)中學(xué)物理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)有非常好的指導(dǎo)作用。

Ⅱ.（12分）一直流電壓表，量程為1V，內(nèi)阻為1000Ω。現(xiàn)將一阻值為5000~7000Ω之間的固定電阻R1與此電壓表串聯(lián)，以擴(kuò)大電壓表的量程。為求得擴(kuò)大后量程的準(zhǔn)確值，再給定一直流電源（電動(dòng)勢(shì)E為6~7V，內(nèi)阻可忽略不計(jì)），一阻值R2=2000Ω的固定電阻，兩個(gè)單刀開關(guān)S1、S2及若干導(dǎo)線。

（1）為達(dá)到上述目的，將答題卡上對(duì)應(yīng)的圖連成一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)電路圖。

（2）連線完成以后，當(dāng)S1與S2均閉合時(shí)，電壓表的示數(shù)為0.90V；當(dāng)S1閉合，S2斷開時(shí)，電壓表的示數(shù)為0.70V。由此可以計(jì)算出改裝后電壓表的量程為__________V，電源電動(dòng)勢(shì)為__________V。

考點(diǎn)和命題意圖剖析 綜合考查兩個(gè)實(shí)驗(yàn)考點(diǎn)，即“把電流表改裝為電壓表”和“測(cè)定電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻”，要求考生根據(jù)給定的實(shí)驗(yàn)條件，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。實(shí)驗(yàn)條件的給出具有隱蔽性，考查考生用已學(xué)過的物理理論、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)儀器去分析問題和解決問題的能力。

教材實(shí)驗(yàn)分析 由“把電流表改裝為電壓表”可以引申出“改裝電表”系列實(shí)驗(yàn)，共同之處是要先根據(jù)分流或者分壓原理計(jì)算需要并聯(lián)或者串聯(lián)的電阻的阻值。“測(cè)定電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻”也可以引申出系列實(shí)驗(yàn)。本題給定的實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)電路圖與教材有所不同，共同之處是根據(jù)閉合電路歐姆定律列方程求解。

考題解析 分析設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)問題的四個(gè)步驟是：首先，清楚實(shí)驗(yàn)任務(wù)是什么；其次，明白給定的實(shí)驗(yàn)條件有哪些；然后，回憶已學(xué)過的哪些物理理論、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)儀器可以完成這樣的實(shí)驗(yàn)任務(wù)；最后，根據(jù)這些條件、要求，利用學(xué)過的實(shí)驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，完成任務(wù)。

本題的任務(wù)是“求得擴(kuò)大后量程的準(zhǔn)確值”。給定的實(shí)驗(yàn)條件有：量程和內(nèi)阻已知的電壓表、阻值在5000～7000Ω之間的定值電阻R1、與開關(guān)S2配合使用的定值電阻R2（類似一個(gè)電阻箱，只是只能取0、2000Ω兩個(gè)值）、內(nèi)阻可忽略的電源E、開關(guān)S1和若干導(dǎo)線。根據(jù)在“把電流表改裝為電壓表”中學(xué)過的物理理論，“擴(kuò)大后量程的準(zhǔn)確值”U璵=r璯+R1r璯，r璯和U0是已知的，所以“求得擴(kuò)大后量程的準(zhǔn)確值”實(shí)際上就是要求測(cè)量定值電阻R1的準(zhǔn)確值，即實(shí)驗(yàn)任務(wù)轉(zhuǎn)換為：用給定的實(shí)驗(yàn)條件測(cè)R1的準(zhǔn)確值，同時(shí)測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)E。這時(shí)就要求考生想到如何遷移運(yùn)用在“測(cè)定電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻”實(shí)驗(yàn)中學(xué)到的方法。

將R1視為電源的內(nèi)阻，實(shí)驗(yàn)器材實(shí)際上是：一只內(nèi)阻r璯已知的電壓表、一個(gè)只有兩個(gè)取值的類似電阻箱。由于電壓表只能測(cè)自身兩端的電壓，即r璯兩端的電壓，考生會(huì)想到兩種方法，一是R2與電壓表的內(nèi)阻r璯并聯(lián)，通過開關(guān)S2改變R2的取值，得到兩組電壓表示數(shù)和R2的取值，即（U1,R21）和（U2,R22），但由于閉合開關(guān)S2后電壓表讀數(shù)為零，所以這種方法不恰當(dāng)；二是R2與電壓表的內(nèi)阻r璯串聯(lián)，通過開關(guān)S2改變R2的取值，得到兩組數(shù)據(jù)，即（U1,R21）和（U2,R22），R21=0，R22=2000Ω，根據(jù)閉合電路歐姆定律列方程求解，這種方法就是正解。

第（1）問，在連接實(shí)驗(yàn)電路圖時(shí)，關(guān)鍵是明確待測(cè)電阻R1、電壓表和定值電阻R2是串聯(lián)，開關(guān)S2與定值電阻R2并聯(lián)，以取得0和2000Ω兩個(gè)有效電阻值。實(shí)驗(yàn)電路圖如圖3。

第（2）問，根據(jù)閉合電路歐姆定律列出的兩個(gè)方程分別是

E=U1r璯(r璯+R1+R21)和

E=U2r璯(r璯+R1+R22)，

解得E=6.3V，R1=6000Ω，

由U璵=r璯+R1r璯U0

得U璵=7V。

點(diǎn)評(píng) 本題要求運(yùn)用學(xué)過的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理和方法，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，要求考生按分析設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)問題的四個(gè)步驟進(jìn)行分析。本題考查了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)考點(diǎn)，都不同于教材實(shí)驗(yàn)，側(cè)重于對(duì)這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法的遷移運(yùn)用能力的考查。本題是把小量程的電壓表改裝成大量程的電壓表，不同于“把電流表改裝為電壓表”，但原量程U0、擴(kuò)大后量程U璵、內(nèi)阻r璯和并聯(lián)的電阻R1之間關(guān)系的確定方法是相似的。本題的特別之處是要求將R1視為電源的內(nèi)阻，用一只電壓表和一個(gè)類似電阻箱測(cè)定電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，不同于教材上用一只電壓表、一只電流表和滑動(dòng)變阻器測(cè)定電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，但實(shí)驗(yàn)原理都是閉合電路歐姆定律。

附：答案

Ⅰ.（1）①②或①③；

（2）①③；

（3）例如，“對(duì)同一高度多次進(jìn)行測(cè)量取平均值”；“選取受力后相對(duì)伸長(zhǎng)盡量小的繩”等等。

Ⅱ.（1）參考答案圖如圖3。

（2）7；6.3。

(欄目編輯陳 潔)