2020年高考全國卷物理實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)評析與備考啟示

湖北 許 文

2020年高考全國卷物理實(shí)驗(yàn)注重基本技能考查，彰顯核心素養(yǎng)提升。和近幾年高考中物理實(shí)驗(yàn)相比，2020年全國卷物理實(shí)驗(yàn)題更突出考查實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)能力和探究能力，并增加了實(shí)驗(yàn)試題的開放性，設(shè)計(jì)開放性答案，對問題進(jìn)行多角度的討論，是思維開放性、全面性和嚴(yán)密性的體現(xiàn)。通過實(shí)驗(yàn)突出了對學(xué)生物理核心素養(yǎng)的考查，為今后的高考物理實(shí)驗(yàn)題提供了一定的指導(dǎo)作用。本文分析2020年全國卷高考物理實(shí)驗(yàn)試題特點(diǎn)，探討新高考物理實(shí)驗(yàn)備考策略。

一、試題概述

試卷題號題型(分值)類型主要內(nèi)容全國卷Ⅰ22填空(6)應(yīng)用伏安法測電阻、電路選擇、數(shù)據(jù)處理23填空(9)探究驗(yàn)證動量定理、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理、誤差分析全國卷Ⅱ22填空、簡答(5)應(yīng)用用勻變速直線運(yùn)動規(guī)律與牛頓運(yùn)動定律測加速度23連圖、填空(10)探究研究小燈泡伏安特性、電路實(shí)物連線、電表改裝34(1)填空(5)應(yīng)用單擺實(shí)驗(yàn)全國卷Ⅲ22填空(6)探究驗(yàn)證動能定理、數(shù)據(jù)分析與處理23連圖、填空(9)探究測量熱敏電阻阻值隨溫度的變化關(guān)系、電路設(shè)計(jì)、探究溫控報(bào)警器

從表中可以看出，全國卷高考物理實(shí)驗(yàn)題型多樣、內(nèi)容廣闊、考法靈活，主要考查實(shí)驗(yàn)的基本技能以及知識的應(yīng)用與拓展能力，考查學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)。

二、試題特點(diǎn)

1.注重基本儀器的使用與操作

2020年全國卷Ⅲ第22題考查了打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的使用及紙帶的測量與計(jì)算；2020年全國卷Ⅰ第23題考查了氣墊導(dǎo)軌及光電門的使用與計(jì)算；2020年全國卷Ⅰ第22題、2020年全國卷Ⅱ第23題、2020年全國卷Ⅲ第23題分別考查了電流表、電壓表及滑動變阻器的使用與操作。

考查基本儀器的使用和操作方法類考題要注意儀器的構(gòu)造原理、操作技能、讀數(shù)規(guī)則，尤其要注意保留的有效數(shù)字。這類題主要以填空為主，題目已由單純考查儀器的使用轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合性的考查。新高考物理實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生熟練掌握的基本儀器有刻度尺、游標(biāo)卡尺、螺旋測微器、天平、秒表、電火花計(jì)時(shí)器或電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、彈簧測力計(jì)、溫度計(jì)、電流表、電壓表、多用電表、滑動變阻器、電阻箱等。此外，我們在備考復(fù)習(xí)中既要熟練掌握基本實(shí)驗(yàn)器材的使用，還要了解DIS等實(shí)驗(yàn)器材的使用。

2.注重實(shí)驗(yàn)原理的理解與分析

理解實(shí)驗(yàn)原理是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案評估、控制條件、測量分析的前提，也是用實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行分析和解決問題的關(guān)鍵。

【例1】(2020年全國卷Ⅱ第22題)一細(xì)繩跨過懸掛的定滑輪，兩端分別系有小球A和B，如圖1所示。一實(shí)驗(yàn)小組用此裝置測量小球B運(yùn)動的加速度。令兩小球靜止，細(xì)繩拉緊，然后釋放小球，測得小球B釋放時(shí)的高度h0=0.590 m，下降一段距離后的高度h=0.100 m；由h0下降至h所用的時(shí)間T=0.730 s。由此求得小球B加速度的大小為a=________m/s2(保留3位有效數(shù)字)。從實(shí)驗(yàn)室提供的數(shù)據(jù)得知，小球A、B的質(zhì)量分別為100.0 g和150.0 g，當(dāng)?shù)刂亓铀俣却笮間=9.80 m/s2。根據(jù)牛頓第二定律計(jì)算可得小球B加速度的大小為a′=________m/s2(保留3位有效數(shù)字)?？梢钥闯觯琣′與a有明顯差異，除實(shí)驗(yàn)中的偶然誤差外，寫出一條可能產(chǎn)生這一結(jié)果的原因：_________________。

圖1

從以上解析中可以看出，a=1.84 m/s2是由實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)h0、h及T，根據(jù)運(yùn)動學(xué)規(guī)律間接求出的，這是在真實(shí)實(shí)驗(yàn)條件下得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。不考慮偶然誤差，則a為兩球?qū)嶋H運(yùn)動的加速度大?。籥′是根據(jù)牛頓第二定律計(jì)算得出的兩球運(yùn)動的加速度大小，此種情況為不計(jì)滑輪與軸間的摩擦、繩與滑輪間的摩擦、細(xì)繩的質(zhì)量及A、B兩球運(yùn)動過程中受到的空氣阻力等這些理想條件下得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。但實(shí)際實(shí)驗(yàn)中并不滿足以上這些理想條件，因此就會造成a

【評析】與題圖1相關(guān)有一類常規(guī)力學(xué)題，如求A、B兩球運(yùn)動過程中細(xì)繩上張力大??；B球落地停止運(yùn)動后，A球上升的最大高度；運(yùn)動過程中某時(shí)刻細(xì)繩突然斷裂，兩球落地時(shí)間差等。對這類常規(guī)題的分析與求解，都是基于細(xì)繩與定滑輪光滑、不計(jì)細(xì)繩與滑輪的質(zhì)量、不計(jì)兩球運(yùn)動過程中受到空氣阻力等理想條件下進(jìn)行的。本題是一道實(shí)驗(yàn)題，雖然物理情境學(xué)生熟悉，但試題重設(shè)了問題角度，創(chuàng)設(shè)了真實(shí)情境，將問題、證據(jù)、解釋、交流等科學(xué)探究要素有機(jī)融合，實(shí)驗(yàn)具有可操作性。只有理解實(shí)驗(yàn)原理，才能分析得出利用運(yùn)動學(xué)方法測量得出的加速度大小a與利用牛頓第二定律計(jì)算出的加速度大小a′存在明顯的差異，其原因包括偶然誤差與系統(tǒng)誤差。問題具有開放性，考查學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力以及語言表達(dá)能力。

3.注重基本實(shí)驗(yàn)的變化與創(chuàng)新

以教材中的基本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑檩d體，利用學(xué)生已學(xué)過的知識，對教材中的基本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行再加工、再創(chuàng)造，對實(shí)驗(yàn)器材或?qū)嶒?yàn)方法加以重組，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)測量手段與測量技術(shù)，產(chǎn)生新的實(shí)驗(yàn)思路和新的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，解決新的問題，考查創(chuàng)造性思維。

【例2】(2020年全國卷Ⅰ第23題)某同學(xué)用如圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證動量定理，所用器材包括：氣墊導(dǎo)軌、滑塊(上方安裝有寬度為d的遮光片)、兩個(gè)與計(jì)算機(jī)相連接的光電門、砝碼盤和砝碼等。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

圖2

(1)開動氣泵，調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌，輕推滑塊，當(dāng)滑塊上的遮光片經(jīng)過兩個(gè)光電門的遮光時(shí)間________時(shí)，可認(rèn)為氣墊導(dǎo)軌水平；

(2)用天平測砝碼與砝碼盤的總質(zhì)量m1、滑塊(含遮光片)的質(zhì)量m2；

(3)用細(xì)線跨過輕質(zhì)定滑輪將滑塊與砝碼盤連接，并讓細(xì)線水平拉動滑塊；

(4)令滑塊在砝碼和砝碼盤的拉動下從左邊開始運(yùn)動，和計(jì)算機(jī)連接的光電門能測量出遮光片經(jīng)過A、B兩處的光電門的遮光時(shí)間Δt1、Δt2及遮光片從A運(yùn)動到B所用的時(shí)間t12；

(5)在遮光片隨滑塊從A運(yùn)動到B的過程中，如果將砝碼和砝碼盤所受重力視為滑塊所受拉力，拉力沖量的大小I=________，滑塊動量改變量的大小Δp=________(用題中給出的物理量及重力加速度g表示)；

(6)某次測量得到的一組數(shù)據(jù)為：d=1.000 cm，m1=1.50×10-2kg，m2=0.400 kg，Δt1=3.900×10-2s，Δt2=1.270×10-2s，t12=1.50 s，取g=9.80 m/s2，計(jì)算可得I=________N·s，Δp=________kg·m·s-1(結(jié)果均保留3位有效數(shù)字)；

【解析】(1)氣墊導(dǎo)軌調(diào)成水平時(shí)，滑塊做勻速運(yùn)動，通過兩光電門的遮光時(shí)間相等；

(6)在(5)中結(jié)果表達(dá)式代入數(shù)據(jù)可得I≈0.221 N·s，Δp≈0.212 kg·m·s-1；

【評析】本題是教材中探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系、探究碰撞中的不變量這兩個(gè)基本實(shí)驗(yàn)的組合、變化與創(chuàng)新。本實(shí)驗(yàn)的變化與創(chuàng)新之處在于將長木板改用氣墊導(dǎo)軌，將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與紙帶測量運(yùn)動物體的瞬時(shí)速度改用光電門傳感器測量，將探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系與探究碰撞中的不變量改為探究動量定理。改變了實(shí)驗(yàn)器材、測量手段與測量技術(shù)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑢?shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)裝置的重組。但實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思想與方法不變，如在平衡摩擦力后(滑塊不加牽引時(shí)做勻速運(yùn)動)，細(xì)繩上的拉力等于滑塊受到的合力大?。划?dāng)滑塊(含遮光片)質(zhì)量m2遠(yuǎn)大于砝碼與砝碼盤的總質(zhì)量m1時(shí)，才有細(xì)繩上的拉力大小F≈m1g。教材中的基本實(shí)驗(yàn)是創(chuàng)新之本，我們在備考復(fù)習(xí)中不應(yīng)舍本求末，如果丟開教材中的基本實(shí)驗(yàn)而一味地追求創(chuàng)新，既抓不到根本又浪費(fèi)時(shí)間。

4.注重物理思想方法的遷移與應(yīng)用

將教材中的實(shí)驗(yàn)原理和方法進(jìn)行遷移，去設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，測量并解決其他的物理問題，能很好地考查學(xué)生思維的靈活性、發(fā)散性與應(yīng)用性，這是高考實(shí)驗(yàn)題命題的一種思路與方法。

【例3】(2020年全國卷Ⅱ第23題)某同學(xué)要研究一小燈泡L(3.6 V，0.30 A)的伏安特性。所用器材有：電流表A1(量程200 mA，內(nèi)阻Rg1=10.0 Ω)，電流表A2(量程500 mA，內(nèi)阻Rg2=1.0 Ω)、定值電阻R0(阻值R0=10.0 Ω)、滑動變阻器R1(最大阻值10 Ω)、電源E(電動勢4.5 V，內(nèi)阻很小)、開關(guān)S和若干導(dǎo)線。該同學(xué)設(shè)計(jì)的電路如圖3甲所示。

(1)根據(jù)圖3甲，在圖3乙的實(shí)物圖中畫出連線；

乙

甲

乙

(2)若I1、I2分別為流過電流表A1和A2的電流，利用I1、I2、Rg1和R0寫出：小燈泡兩端的電壓U=________，流過小燈泡的電流I=________。為保證小燈泡的安全，I1不能超過________mA；

(3)實(shí)驗(yàn)時(shí)，調(diào)節(jié)滑動變阻器，使開關(guān)閉合后兩電流表的示數(shù)為零。逐次改變滑動變阻器滑片位置并讀取相應(yīng)的I1和I2，所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在下表中給出。

I1/mA325585125144173I2/mA171229299379424470

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可算得，當(dāng)I1=173 mA時(shí)，燈絲電阻R=________Ω(保留1位小數(shù))；

(4)如果用另一個(gè)電阻替代定值電阻R0，其他不變，為了能夠測量完整的伏安特性曲線，所用電阻的阻值不能小于________Ω(保留1位小數(shù))。

【解析】(1)根據(jù)圖3甲，電路連接實(shí)物圖如圖4所示；

圖4

(2)小燈泡兩端的電壓為電流表A1和電阻R0串聯(lián)的總電壓，由串聯(lián)電路規(guī)律與歐姆定律有U=I1(Rg1+R0)；小燈泡的額定電壓UL=3.6 V，故當(dāng)U=UL時(shí)可得電流表A1的示數(shù)為I1=180 mA；為保證小燈泡的安全，I1不能超過180 mA；根據(jù)并聯(lián)電路規(guī)律可知流過小燈泡的電流為I=I2-I1；

【評析】研究小燈泡的伏安特性實(shí)驗(yàn)，是要求學(xué)生掌握的電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)基本實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖怯梅搽娐窚y量多組小燈泡的U、I值，由測量數(shù)據(jù)繪出I-U圖像，由圖線的特征分析小燈泡電流與電壓和溫度的關(guān)系。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊竽芎侠淼剡x取實(shí)驗(yàn)器材，控制實(shí)驗(yàn)條件，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路，觀察電表示數(shù)，記錄、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)論。試題要求學(xué)生根據(jù)題中給出的實(shí)驗(yàn)器材與電路，連接實(shí)物圖，完成實(shí)驗(yàn)的相關(guān)問題，分析求解要注重物理思想方法的遷移與應(yīng)用。題中給出的器材中沒有電壓表，但有兩只電流表，且兩只電流表的內(nèi)阻均已知，因此可以用其中一只電流表當(dāng)成電壓表使用。根據(jù)圖3甲，小燈泡與定值電阻R0并聯(lián)，其設(shè)計(jì)意圖為用電流表A2測量總電流I2，用電流表A1測流過定值電阻R0的電流I1，這樣就能間接測出流過小燈泡的電流I=I2-I1；而電流表A1直接測量的最大電壓Um=I1Rg1=2 V，小于小燈泡額定電壓UL=3.6 V，要求學(xué)生能用學(xué)過的知識與方法提出解決問題的方案，對電表改裝，擴(kuò)大其量程，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)的要求。試題要求學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理，進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐，去解決新情境下的實(shí)際問題，體現(xiàn)了考查知識的應(yīng)用能力。

5.注重實(shí)驗(yàn)問題的引申與探究

對問題的引申與探究，能擴(kuò)大和鞏固研究成果，使問題的探究更深入發(fā)展，能很好地體現(xiàn)出新課程課堂探究式的學(xué)習(xí)要求。

【例4】(2020年全國卷Ⅲ第23題)已知一熱敏電阻當(dāng)溫度從10℃升至60℃時(shí)阻值從幾千歐姆降至幾百歐姆，某同學(xué)利用伏安法測量其阻值隨溫度的變化關(guān)系。所用器材：電源E、開關(guān)S、滑動變阻器R(最大阻值為20 Ω)、電壓表(可視為理想電表)和毫安表(內(nèi)阻約為100 Ω)。

(1)在圖5中將所給的器材符號之間畫出連線，組成測量電路圖。

圖5

(2)實(shí)驗(yàn)時(shí)，將熱敏電阻置于溫度控制室中，記錄不同溫度下電壓表和毫安表的示數(shù)，計(jì)算出相應(yīng)的熱敏電阻阻值。若某次測量中電壓表和毫安表的示數(shù)分別為5.5 V和3.0 mA，則此時(shí)熱敏電阻的阻值為________kΩ(保留2位有效數(shù)字)。實(shí)驗(yàn)中得到的該熱敏電阻阻值R隨溫度t變化的曲線如圖6甲所示。

(3)將熱敏電阻從溫控室取出置于室溫下，測得達(dá)到熱平衡后熱敏電阻的阻值為2.2 kΩ。由圖6甲求得，此時(shí)室溫為________℃(保留3位有效數(shù)字)。

甲

(4)利用實(shí)驗(yàn)中的熱敏電阻可以制作溫控報(bào)警器，其電路的一部分如圖6乙所示。圖6中，E為直流電源(電動勢為10 V，內(nèi)阻可忽略)；當(dāng)圖6中的輸出電壓達(dá)到或超過6.0 V時(shí)，便觸發(fā)報(bào)警器(圖中未畫出)報(bào)警。若要求開始報(bào)警時(shí)環(huán)境溫度為50℃，則圖乙中________(填“R1”或“R2”)應(yīng)使用熱敏電阻，另一固定電阻的阻值應(yīng)為________kΩ(保留2位有效數(shù)字)。

【解析】(1)用伏安法測熱敏電阻的阻值，由于電壓表為理想電表，故測量電路采用毫安表外接法；當(dāng)溫度從10℃升至60℃時(shí)熱敏電阻阻值從幾千歐姆降至幾百歐姆，而滑動變阻器的最大阻值為20 Ω，測量電路采用分壓式接法，測量電路如圖7所示；

圖7

(3)測得熱敏電阻的阻值為2.2 kΩ時(shí)，由圖6甲可知對應(yīng)的溫度為25.5℃；

【評析】本題用伏安法測量熱敏電阻阻值，測量熱敏電阻阻值隨溫度的變化關(guān)系，要求學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路圖，理解利用熱敏電阻制作溫控報(bào)警器的實(shí)驗(yàn)原理，將實(shí)驗(yàn)結(jié)論引申探究，從而根據(jù)報(bào)警器的實(shí)驗(yàn)電路選擇恰當(dāng)?shù)钠鞑牟⑼瓿上嚓P(guān)電阻阻值的計(jì)算，考查基于證據(jù)得出結(jié)論的能力。學(xué)生面對具體問題要有理有據(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。利用發(fā)散思維，質(zhì)疑問題，有利于提高學(xué)生的科學(xué)思維能力與科學(xué)探究能力，同時(shí)也滲透了對學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任素養(yǎng)的考查。

三、備考啟示

1.立足教材中的基本實(shí)驗(yàn)。重視教材中的實(shí)驗(yàn)，熟練掌握實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器的使用及實(shí)驗(yàn)思想與方法，重視基本儀器的使用方法和讀數(shù)規(guī)則等實(shí)驗(yàn)技能，加強(qiáng)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與處理能力的訓(xùn)練，主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：分析推理、數(shù)據(jù)分析與處理方法、誤差分析。

2.實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)研究性學(xué)習(xí)。在實(shí)驗(yàn)備考復(fù)習(xí)中，根據(jù)教材內(nèi)容和學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的方法，選好課題，在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)，寫出實(shí)驗(yàn)研究方案、選取器材、研究實(shí)驗(yàn)過程，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并分析，對實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)點(diǎn)與不足之處進(jìn)行評估、分析實(shí)驗(yàn)誤差等，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

3.重視實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新。重視對實(shí)驗(yàn)思想方法及原理的深刻理解和熟練掌握，重視設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)方法的培養(yǎng)，注重用學(xué)過的物理知識、物理規(guī)律作為理論依據(jù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)在：(1)對基本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理與測量器材、測量手段的改進(jìn)；(2)將基本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)一個(gè)裝置多用；(3)用已有的知識與方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)解決新的問題。

4.加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)綜合度與信息量。加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)綜合訓(xùn)練，即重視實(shí)驗(yàn)練習(xí)、重視新情境的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練、加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)信息的收集與處理，強(qiáng)調(diào)基本實(shí)驗(yàn)技能的動手落實(shí)，在動手中關(guān)注實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)、拓展實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>