關(guān)注基本實(shí)驗(yàn)技能 彰顯核心素養(yǎng)考查
——2018年高考天津理綜物理實(shí)驗(yàn)試題評析與教學(xué)建議

江西省九江市第一中學(xué)(332000) 許冬保

1 試題與解析

2018年高考天津理綜物理實(shí)驗(yàn)試題共2道,下面以試題1、試題2示出。

1.1 試題1

某研究小組做 “驗(yàn)證力的平行四邊形定則”的實(shí)驗(yàn),所用器材有：方木板1塊、白紙、量程為5N的彈簧測力計(jì)2個(gè)、橡皮條 (帶2個(gè)較長的細(xì)繩套)、刻度尺、圖釘 (若干個(gè))。

(1)具體操作前,同學(xué)們提出了如下關(guān)于實(shí)驗(yàn)操作的建議,其中正確的是________。

A.橡皮條應(yīng)和兩繩套夾角的角平分線在一條直線上

B.重復(fù)實(shí)驗(yàn)再次進(jìn)行驗(yàn)證時(shí),結(jié)點(diǎn)O的位置可以與前一次不同

C.使用測力計(jì)時(shí),施力方向應(yīng)沿測力計(jì)軸線；讀數(shù)時(shí)視線應(yīng)正對測力計(jì)刻度

D.用兩個(gè)測力計(jì)互成角度拉橡皮條時(shí)的拉力必須都小于只用一個(gè)測力計(jì)時(shí)的拉力

(2)該小組的學(xué)生用同一套器材做了4次實(shí)驗(yàn),白紙上留下的標(biāo)注信息有結(jié)點(diǎn)位置O,力的標(biāo)度、分力和合力的大小及表示力的作用線的點(diǎn),如圖1所示。其中對于提高實(shí)驗(yàn)精度最有利的是________。

解析： (1)做 “驗(yàn)證力的平行四邊形定則”的實(shí)驗(yàn)時(shí),兩分力夾角不宜過大也不宜過小,但沒有要求合力一定要在角平分線上,故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；某一次實(shí)驗(yàn)時(shí),要保證橡皮條的形變效果不變,因此結(jié)點(diǎn)O的位置不能改變。而重復(fù)實(shí)驗(yàn)再次進(jìn)行驗(yàn)證時(shí),結(jié)點(diǎn)O的位置可以與前一次不同,故選項(xiàng)B正確；根據(jù)測力計(jì)使用規(guī)則,故選項(xiàng)C正確；測力計(jì)拉力不宜過小,否則誤差大。合力不一定比每一個(gè)分力大,故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。綜上,正確選項(xiàng)為BC。

(2)可通過作圖來回答。選項(xiàng)A,力的標(biāo)度

圖1 實(shí)驗(yàn)標(biāo)注信息

不合適,其次表示力的作用線的點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)位置O間的距離過小,導(dǎo)致確定分力方向時(shí)作圖誤差大；選項(xiàng)D標(biāo)度不合適,且兩分力夾角過小,實(shí)驗(yàn)誤差大；選項(xiàng)B、C相比較,標(biāo)度合適,確定力的方向時(shí)作圖誤差小,而且選項(xiàng)B中的測力計(jì)示數(shù)較大,實(shí)驗(yàn)誤差小。因此,對于提高實(shí)驗(yàn)精度最有利的是選項(xiàng)B。

1.2 試題2

某同學(xué)用伏安法測定待測電阻Rx的阻值(約為10kΩ),除了Rx,開關(guān)S、導(dǎo)線外,還有下列器材供選用：

A.電壓表(量程0～1V,內(nèi)阻約為10kΩ)；

B.電壓表(量程0～10V,內(nèi)阻約為100kΩ)；

C.電流表(0～1mA內(nèi)阻約為30Ω)；

D.電流表(0～0.6A,內(nèi)阻約為0.05Ω)；

E.電源(電動勢1.5V,額定電流0.5A,內(nèi)阻不計(jì))；

F.電源(電動勢12V,額定電流2A,內(nèi)阻不計(jì))；

G.滑動變阻器R0(阻值范圍0～10Ω,額定電流2A)。

(1)為使測量準(zhǔn)確,電壓表選用________,電流表選用________,電源選用________。(均填器材的字母代號)。

(2)畫出測量Rx阻值的實(shí)驗(yàn)電路圖。

(3)該同學(xué)選擇器材、連接電路和實(shí)驗(yàn)操作均正確,從實(shí)驗(yàn)原理上看,待測電阻的測量值會________其真實(shí)值 (填 “大于”“小于”或 “等于”),原因是________________。

解析：(1)由電壓表量程及Rx的阻值 (約為10kΩ),可估算電路中最大電流分別為0.1mA、1mA。儀表選擇時(shí),注意讀數(shù)越大越好。因此,電流表選用C,相應(yīng)的電壓表選用B,電源選用F。

(2)被測電阻較大,宜用電流表內(nèi)接法。電源電動勢較大,滑動變阻器R0阻值相對Rx的阻值過小,無法限流。因此,滑動變阻器按分壓連接方式供電,如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)電路圖

(3)由于電流表有內(nèi)阻,在電路中會分壓,引起電壓表示數(shù)增大。由歐姆定律知,待測電阻測量值大于其真實(shí)值。其中的原因就是由于電流表分壓,電壓表的讀數(shù)大于待測電阻兩端實(shí)際電壓所致。

2 試題評價(jià)

理解能力、推理能力、分析綜合能力、應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理問題的能力以及實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?是高考物理考查的5個(gè)方面的能力。顯然實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Σ豢苫蛉?。在核心素養(yǎng)理念下,科學(xué)探究是指基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋,以及對科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估、反思的能力,主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等要素?？梢?在核心素養(yǎng)統(tǒng)領(lǐng)下,科學(xué)探究能力已涵蓋物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?018年天津物理實(shí)驗(yàn)試題難度小,但不失區(qū)分功能。能力考查主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 完成基本實(shí)驗(yàn)的能力

基本實(shí)驗(yàn)是指考綱規(guī)定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,其中“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”是一個(gè)基本的實(shí)驗(yàn)。試題要求考生獨(dú)立地、認(rèn)真地完成這個(gè)實(shí)驗(yàn),否則很難得到滿分。伏安法測電阻是一個(gè)基本的電學(xué)實(shí)驗(yàn),涉及器材的選擇、電流表內(nèi)接與外接的確定以及滑動變阻器連接方式的選擇。兩道考題,均是對基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)題的考查,試題較好地鑒定了考生是否親自動手完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)以及完成實(shí)驗(yàn)的水平。

2.2 提出問題的能力

我們知道,在應(yīng)用某種能力處理或解決具體問題的過程中往往伴隨著發(fā)現(xiàn)問題、提出問題的過程,因而高考對考生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題并加以論證解決等探究能力的考查滲透在考綱規(guī)定的5個(gè)方面能力的考查之中。提出問題的前提是發(fā)現(xiàn)相關(guān)有價(jià)值的問題。試題1,根據(jù)已知的信息(結(jié)點(diǎn)位置O,力的標(biāo)度、分力和合力的大小及表示力的作用線的點(diǎn))提出問題：什么樣的數(shù)據(jù)處理 (作力的平行四邊形矢量圖)其實(shí)驗(yàn)精度才是最高的?試題2,伏安法測電阻的實(shí)驗(yàn)中,如何選擇合適的器材來制訂實(shí)驗(yàn)方案?涉及以下3個(gè)問題：首先是器材選擇,其次是電流表連接 (內(nèi)接、外接)的確定,最后是電源供電方式 (變阻器分壓、限流)的選擇。

2.3 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力是實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ闹匾矫?。要求考生能靈活地運(yùn)用已經(jīng)學(xué)過的理論、實(shí)驗(yàn)方法、選擇合適的儀器去處理、分析、研究某些未做過的實(shí)驗(yàn),包括設(shè)計(jì)某種比較簡單的實(shí)驗(yàn)。試題2測量電阻的實(shí)驗(yàn)方案要求考生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然,伏安法測電阻是考生較熟悉的一個(gè)實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì)點(diǎn)集中在電流表及滑動變阻器的連接方式上。

2.4 基于證據(jù)得出結(jié)論的能力

證據(jù)是能夠做證明用的事實(shí)依據(jù)。實(shí)驗(yàn)證據(jù)是通過實(shí)驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象或得到的原始數(shù)據(jù),也包括對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行解釋或?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析的物理理論。簡言之,任何實(shí)驗(yàn)結(jié)論的解釋必須言之有理。試題1,關(guān)于實(shí)驗(yàn)操作的建議,需要理解實(shí)驗(yàn)原理及掌握測力計(jì)的正確使用方法。而4次實(shí)驗(yàn)的圖示中,對提高實(shí)驗(yàn)精度最有利的是哪一個(gè)的回答中,需要的是推理的證據(jù)。試題2,測電阻的實(shí)驗(yàn)中要求選擇器材,那么選擇的證據(jù)是什么?畫電路圖的證據(jù)及誤差分析的證據(jù)等又是什么?這些均要求考生面對具體問題要有理有據(jù),同時(shí)也滲透了對考生 “科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”素養(yǎng)的考查。

2.5 對探究結(jié)果進(jìn)行反思的能力

反思是分析與評價(jià)的過程。要求能對給出的或獲得的物理理論、實(shí)驗(yàn)結(jié)論、實(shí)驗(yàn)條件等進(jìn)行分析,并進(jìn)行評價(jià)與完善。驗(yàn)證力的平行四邊形定則實(shí)驗(yàn),如何使探究結(jié)果精度高?涉及力的方向的畫圖誤差、力的大小的畫圖誤差、規(guī)范畫圖對圖示中的矢量大小以及矢量夾角的要求等。伏安法測電阻,從實(shí)驗(yàn)原理上看,電流表內(nèi)接時(shí),由于電流表的分壓,使得待測電阻的測量值大于其真實(shí)值。實(shí)驗(yàn)原理不完善而帶來的誤差,理論上屬于系統(tǒng)誤差。對于實(shí)驗(yàn)結(jié)論的反思,本質(zhì)上就是從系統(tǒng)誤差及偶然誤差的角度去分析問題的過程。

3 教學(xué)建議

實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ闹匾?在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中是這樣表述的：“在高中物理課程中,應(yīng)注重科學(xué)探究,尤其應(yīng)注重物理實(shí)驗(yàn),這在培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和科學(xué)態(tài)度等方面具有重要的地位。”在高中物理課程中,應(yīng)挖掘?qū)嶒?yàn)在培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和提出問題能力方面的潛在價(jià)值。通過創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境或創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)中的問題,以提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和提出問題的能力。通過實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生制訂計(jì)劃的能力、科學(xué)表達(dá)的能力等。與此同時(shí),還應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)使學(xué)生在科學(xué)態(tài)度與科學(xué)精神方面得到熏陶和培養(yǎng)。

3.1 核心素養(yǎng)理念下的物理教學(xué),必須堅(jiān)持以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)

物理教學(xué)必須以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),這已成為廣大教師的共識。實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的重要內(nèi)容之一,是學(xué)生學(xué)習(xí)物理的一種基本方法和途徑,也是教師進(jìn)行教學(xué)的重要手段?；诤诵乃仞B(yǎng)的物理教學(xué),必須樹立“以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)”的課程觀與教學(xué)觀。在課程內(nèi)容上,增加學(xué)生動手實(shí)驗(yàn)的機(jī)會,培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ辉趯?shí)驗(yàn)類型上,改部分驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),以體現(xiàn)科學(xué)探究的精神,順應(yīng)物理教育發(fā)展的趨勢；在實(shí)驗(yàn)時(shí)空上,從課堂實(shí)驗(yàn)向課外實(shí)驗(yàn)延伸,做到課內(nèi)、課外相結(jié)合；在實(shí)驗(yàn)配備上,重視采用簡單儀器做實(shí)驗(yàn),同時(shí)注意應(yīng)用現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)手段(如DIS實(shí)驗(yàn)),做到常規(guī)器材與創(chuàng)新器材相結(jié)合,為實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)設(shè)良好環(huán)境。

3.2 通過設(shè)計(jì)簡單實(shí)驗(yàn)和完成考綱規(guī)定實(shí)驗(yàn),提高科學(xué)探究能力

天津市 《考試大綱說明》在 “實(shí)驗(yàn)”主題下,規(guī)定必考實(shí)驗(yàn)15個(gè),基本儀器12個(gè)。亦即考綱所列的實(shí)驗(yàn)與儀器是考生必須掌握的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,是最基本的考查要求。2018年天津?qū)嶒?yàn)題,依托考綱規(guī)定的基本實(shí)驗(yàn),要求考生理解實(shí)驗(yàn)原理、自主選擇器材、設(shè)計(jì)簡單電路以及進(jìn)行誤差分析等?？梢?命題導(dǎo)向鮮明,即重視完成規(guī)定實(shí)驗(yàn),力求考查考生的動手能力。對于驗(yàn)證力的平行四邊形定則的實(shí)驗(yàn),作圖 (矢量圖)是處理數(shù)據(jù)、達(dá)成實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)唯一方法。顯然,動手做過該實(shí)驗(yàn)與沒有做過該實(shí)驗(yàn),考查結(jié)果肯定不同。因此,在高三復(fù)習(xí)課教學(xué)中,安排學(xué)生的實(shí)驗(yàn)活動,讓學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行操作,重溫實(shí)驗(yàn)的目的要求、實(shí)驗(yàn)原理、儀器使用、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理及誤差分析等過程。在帶有研究性完成實(shí)驗(yàn)的過程中,通過發(fā)散思維、質(zhì)疑問題、反思評價(jià)等思維的訓(xùn)練,有利于提高學(xué)生的科學(xué)思維能力與科學(xué)探究能力。

3.3 通過理論與實(shí)驗(yàn)分析有機(jī)結(jié)合,促進(jìn)物理核心素養(yǎng)的發(fā)展

物理學(xué)是在長期實(shí)踐和大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生、發(fā)展和逐漸完善起來的基礎(chǔ)學(xué)科。物理學(xué)是一門理論與實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合的學(xué)科。觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論,離不開理論的分析。實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能僅僅停留在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能上,而應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)思想上,予以提高。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)思想具有一定的隱蔽性,只有在對實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)結(jié)論的反思及評價(jià)中,才能體會實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)思想的魅力。試題1、試題2均包含等效思想與方法的應(yīng)用,一個(gè)是形變效果 (橡皮條伸長量)的等效,一個(gè)是電阻的 (電壓與電流比值)等效。物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括 “物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四4方面。其中,理性思維、科學(xué)探究、批判質(zhì)疑等是核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,通過對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析,深入理解物理概念和規(guī)律,正確把握物理問題的本質(zhì)特征,能夠提高學(xué)生理性思維的能力；通過提出問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、尋找證據(jù)、利用證據(jù)來解釋現(xiàn)象或得出結(jié)論,能夠培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力；通過實(shí)驗(yàn)活動中科學(xué)問題的提出與討論,引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考,對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察、質(zhì)疑與分析,創(chuàng)造性地解決問題,能夠培養(yǎng)學(xué)生批判質(zhì)疑能力。總之,在實(shí)驗(yàn)活動中,將理論與實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合,有利于物理核心素養(yǎng)的形成與發(fā)展。