賞析2021年高考物理實(shí)驗(yàn)題的創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維

廣東省陽山縣陽山中學(xué)(513100) 譚 程

1 引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》在實(shí)驗(yàn)教學(xué)建議中明確指出：“物理實(shí)驗(yàn)是增加學(xué)生物理學(xué)習(xí)體驗(yàn)性的重要手段。實(shí)驗(yàn)是實(shí)踐體驗(yàn)性最強(qiáng)的物理學(xué)習(xí)方式，它可通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與動(dòng)手操作、觀察現(xiàn)象與記錄數(shù)據(jù)、分析歸納得出結(jié)論等環(huán)節(jié)，全方位地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。學(xué)生實(shí)驗(yàn)是其他任何方式都無法替代的物理學(xué)習(xí)方式。”這個(gè)建議實(shí)質(zhì)上提出了新課程理念下，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)要十分注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。眾所周知，高考中的創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)便是檢查學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力是否形成的試金石。今年的高考實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新題依托《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系》，強(qiáng)化基礎(chǔ)性和關(guān)鍵能力考查，充分體現(xiàn)了評(píng)價(jià)體系中提出的“創(chuàng)新性”。

2 對(duì)2021年高考物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的賞析

筆者通過對(duì)2021年高考物理實(shí)驗(yàn)題的分析發(fā)現(xiàn)，2021年高考物理實(shí)驗(yàn)題的創(chuàng)新角度主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

圖1 緩沖裝置

2.1 創(chuàng)新設(shè)計(jì)1：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法的遷移

例1(2021·廣東)：某興趣小組測(cè)量一緩沖裝置中彈簧的勁度系數(shù)。緩沖裝置如圖1所示，固定在斜面上的透明有機(jī)玻璃管與水平面夾角為30°，彈簧固定在有機(jī)玻璃管底端。實(shí)驗(yàn)過程如下：先沿管軸線方向固定毫米刻度尺，再將單個(gè)質(zhì)量為200 g的鋼球(直徑略小于玻璃管內(nèi)徑)逐個(gè)從管口滑進(jìn)，每滑進(jìn)一個(gè)鋼球，待彈簧靜止，記錄管內(nèi)鋼球的個(gè)數(shù)n和彈簧上端對(duì)應(yīng)的刻度尺示數(shù)Ln，數(shù)據(jù)見表1。實(shí)驗(yàn)過程中彈簧始終處于彈性限度內(nèi)，采用逐差法計(jì)算彈簧壓縮量，進(jìn)而計(jì)算其勁度系數(shù)。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

(3)忽略摩擦，重力加速度g取9.80 m/s2，該彈簧的勁度系數(shù)為________N/m(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。

解析:(1)依據(jù)ΔLi=Li+3-Li(i=1,2,3)可得：

ΔL3=L6-L3=18.09 cm-12.05 cm=6.04 cm

6.04 cm

(3)由以上計(jì)算可知，每3個(gè)鋼球?qū)椈傻膲毫椋篎=3mgsin30°=2.94 N。

2.2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)2：測(cè)量方法的巧妙設(shè)計(jì)

例2(2021·湖南)：某實(shí)驗(yàn)小組要測(cè)定電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，器材有：1節(jié)待測(cè)電池、1個(gè)單刀雙擲開關(guān)、1個(gè)定值電阻(阻值為R0)、1個(gè)電流表(內(nèi)阻為RA)。1根均勻電阻絲(電阻絲總阻值大于R0，并配有可在電阻絲上移動(dòng)的金屬夾)、導(dǎo)線若干。由于缺少刻度尺，無法測(cè)量電阻絲長(zhǎng)度，但發(fā)現(xiàn)桌上有一個(gè)圓形時(shí)鐘表盤。某同學(xué)提出將電阻絲繞在該表盤上，利用圓心角來表示接入電路的電阻絲長(zhǎng)度。主要實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)將器材如圖2(a)所示進(jìn)行連接；

(2)開關(guān)閉合前，金屬夾應(yīng)夾在電阻絲的________端(填“a”或“b”)；

(3)改變金屬夾的位置，閉合開關(guān)，記錄每次接入電路的電阻絲對(duì)應(yīng)的圓心角θ和電流表示數(shù)I，得到多維數(shù)據(jù)；

(4)整理數(shù)據(jù)并在坐標(biāo)紙上描點(diǎn)繪圖，所得圖像如圖2(b)所示，圖線斜率為k，與縱軸截距為d，設(shè)單位角度對(duì)應(yīng)電阻絲的阻值為r0，該電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻可表示為E=________，r=________(用R0、RA、k、d、r0表示)；

(5)為進(jìn)一步確定結(jié)果，還需要測(cè)量單位角度對(duì)應(yīng)電阻絲的阻值r0，利用現(xiàn)有器材設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在圖2(c)方框中畫出實(shí)驗(yàn)電路圖(電阻絲用滑動(dòng)變阻器符號(hào)表示)；

(6)利用測(cè)出的r0，可得該電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻。

圖2 測(cè)定電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻

解析：第(2)問：為了測(cè)量多組數(shù)據(jù)，開關(guān)閉合前，金屬夾應(yīng)夾在電阻絲的b端，這樣金屬線的長(zhǎng)度最長(zhǎng)，使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量范圍更大。

第(5)問：根據(jù)題目中的器材可知，要測(cè)量單位角度對(duì)應(yīng)電阻絲的阻值r0，可利用等效替代法進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)電阻等效替代法的原理，設(shè)計(jì)的電路原理圖如圖3所示。

圖3 電路原理圖

2.3 創(chuàng)新設(shè)計(jì)3：實(shí)驗(yàn)原理的創(chuàng)新

例3(2021·河北)：某同學(xué)探究機(jī)械能變化量與力做功的關(guān)系。所用器材有一端帶滑輪的長(zhǎng)木板、輕細(xì)繩、50 g的鉤碼若干、光電門2個(gè)、數(shù)字計(jì)時(shí)器、帶遮光條的滑塊(質(zhì)量為200 g，其上可放鉤碼)、刻度尺。當(dāng)?shù)刂亓铀俣?.80 m/s2。實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：

“秦嶺漢坡，九淺一深”是盜墓行話，意思是搶劫秦漢墓葬，危險(xiǎn)極大?！扒貛X”和“漢坡”不是地名，而是清漢墓葬所在地，所以用音譯法譯成“秦嶺漢坡”不是很好?！熬艤\一深”是“九死一生”的語音雙關(guān)語。因此，譯者選擇了釋義，將“秦嶺漢坡，九淺一深”翻譯成“You will have a narrow escape from robbing the tombs of Qing and Han Dynasty(盜竊秦漢墓，九死一生).”因此，雖然在一定程度上會(huì)造成文化信息在語言符號(hào)上的丟失，釋義仍然不失為保留源語言文化信息的較好翻譯方法。

(1)安裝器材，調(diào)整2個(gè)光電門距離為50.00 cm，輕細(xì)繩下端懸掛4個(gè)鉤碼；

(2)接通電源，釋放滑塊，分別記錄遮光條通過2個(gè)光電門的時(shí)間，并計(jì)算出滑塊通過2個(gè)光電門的速度；

(3)保持繩下端懸掛4個(gè)鉤碼不變，在滑塊上依次增加一個(gè)鉤碼，記錄滑塊上所載鉤碼的質(zhì)量，重復(fù)上述步驟；

(4)完成5次測(cè)量后，計(jì)算出每次實(shí)驗(yàn)中滑塊及所載鉤碼的總質(zhì)量M、系統(tǒng)(包含滑塊、滑塊所載鉤碼和輕細(xì)繩懸掛鉤碼)總動(dòng)能的增加量ΔEk及系統(tǒng)總機(jī)械能的減少量ΔE，結(jié)果見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

回答下列問題:

(1)實(shí)驗(yàn)中輕細(xì)繩所懸掛鉤碼重力勢(shì)能的減少量為________J(保留三位有效數(shù)字);

(2)步驟中的表格所缺數(shù)據(jù)為________；

(3)以M為橫軸，ΔE為縱軸，選擇合適的標(biāo)度，在圖4中繪出ΔE-M圖像;

圖4 ΔE-M坐標(biāo)軸

若忽略滑塊與木板之前的摩擦力做功，則滑塊與木板之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為________(保留兩位有效數(shù)字)。

解析：(1)根據(jù)題目的條件有：ΔEp=mgΔh=4×0.05×9.80×0.50 J=0.980 J

(2)根據(jù)能量守恒定律可知，實(shí)驗(yàn)中輕細(xì)繩所懸掛的鉤碼重力勢(shì)能的減少量向兩個(gè)方向轉(zhuǎn)化，一部分轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的動(dòng)能ΔEk，另一部分轉(zhuǎn)化為克服摩擦力做功而產(chǎn)生的熱，即損耗的機(jī)械能，由能量守恒定律得：ΔEp=ΔEk+ΔE由(1)中分析可知，表2中缺少的數(shù)據(jù)為：

ΔE=ΔEp-ΔEk=0.980 J-0.392 J=0.588 J

(3)根據(jù)表格數(shù)據(jù)描點(diǎn)作圖即可，所做的圖像如圖5所示。

圖5 ΔE-M圖像

由題意可知，滑塊和木板之間的摩擦力做功即為系統(tǒng)損失的機(jī)械能，根據(jù)能量守恒定律則有：μMgL=ΔE,可見圖像的斜率為：k=μgL。

代入數(shù)據(jù)解得：μ=0.41。

實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新剖析：測(cè)定滑動(dòng)摩擦因數(shù)的常用的方法有：①定義法，根據(jù)定義f=μN(yùn)；②動(dòng)力學(xué)思維，根據(jù)f=μN(yùn)=ma，通常以紙帶為載體結(jié)合牛頓第二定律考查。而本實(shí)驗(yàn)則“利用能量的觀點(diǎn)巧妙地測(cè)量滑動(dòng)摩擦因數(shù)”。本實(shí)驗(yàn)利用“能量守恒定律”測(cè)出每次實(shí)驗(yàn)中損失的能量，即克服摩擦力做的功，再根據(jù)動(dòng)能定理得出μMgL=ΔE，然后建立ΔE—M圖像，再要求考生利用圖像的斜率求出滑動(dòng)摩擦因數(shù)μ。本實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)就是器材上的創(chuàng)新：利用光電門巧妙地測(cè)出了系統(tǒng)動(dòng)能的變化量，再結(jié)合能量守恒定律從而巧妙地求出了每次實(shí)驗(yàn)中摩擦力做的功。本實(shí)驗(yàn)中還利用“控制變量法”使每次實(shí)驗(yàn)中輕繩所懸掛鉤碼重力勢(shì)能的減少量相同。

3 基于核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)建議

3.1 研讀課程標(biāo)準(zhǔn)，明確實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

有人對(duì)教學(xué)工作做過一個(gè)形象的比喻，把課程標(biāo)準(zhǔn)比喻為圓心，把教學(xué)目標(biāo)比喻為半徑，無論圓多大，都離不開圓心。課程標(biāo)準(zhǔn)作為實(shí)施教學(xué)的核心要素，決定了教學(xué)的方向，圓心找不準(zhǔn)，就談不上對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。更重要的是課程標(biāo)準(zhǔn)不但明確了“考什么”“為什么考”“怎么考”的三大關(guān)鍵高考問題，而且還明確了考查的內(nèi)容，就是“核心價(jià)值、學(xué)科素養(yǎng)、關(guān)鍵能力、必備知識(shí)”，對(duì)考查內(nèi)容的要求是“基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性、創(chuàng)新性”。例題1實(shí)驗(yàn)中所有的實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)原理都與教材里的完全相同，這就體現(xiàn)了考查內(nèi)容具有基礎(chǔ)性的特點(diǎn)；從實(shí)驗(yàn)裝置來看，研究對(duì)象是“緩沖裝置中的彈簧”，這就體現(xiàn)了考查內(nèi)容的應(yīng)用性；與教材相比，本實(shí)驗(yàn)用斜面、玻璃管替代了鐵架臺(tái)，教材中的實(shí)驗(yàn)是讓彈簧伸長(zhǎng)，而本實(shí)驗(yàn)中是讓彈簧壓縮，這就體現(xiàn)了考查內(nèi)容的創(chuàng)新性；另外本實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)還要求考生將處理紙帶中的“逐差法”遷移過來求彈簧的勁度系數(shù)，這就體現(xiàn)了考查內(nèi)容的綜合性。所以，教師在開展物理實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)時(shí)，對(duì)所教的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要根據(jù)最新的課程標(biāo)準(zhǔn)，明確實(shí)驗(yàn)教學(xué)的“內(nèi)容目標(biāo)、層次目標(biāo)以及考查要求”，然后設(shè)置好課堂教學(xué)中的每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。

3.2 緊扣手中教材，夯實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)

根據(jù)國(guó)家發(fā)展所需人才的特質(zhì)和素質(zhì)教育的培養(yǎng)目標(biāo)，《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系》對(duì)高考的考查內(nèi)容明確了四個(gè)考查要求，其中“基礎(chǔ)性”就是對(duì)高考命題的要求之一。在《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系說明》中也明確指出：“素質(zhì)教育各個(gè)階段的教育教學(xué)目標(biāo)具有一定的連續(xù)性，這種連續(xù)性體現(xiàn)在前一階段學(xué)習(xí)成果是后一階段學(xué)習(xí)成果的基礎(chǔ)。對(duì)于即將進(jìn)入高等學(xué)校的學(xué)習(xí)者來說，應(yīng)當(dāng)為繼續(xù)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)牢固的地基。在廣闊的學(xué)科領(lǐng)域，高考關(guān)注各學(xué)科中的主干內(nèi)容，關(guān)注學(xué)習(xí)者在未來的生活、學(xué)習(xí)和工作中所必須具備、不可或缺的知識(shí)、能力和素養(yǎng)。因此，高考要求學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)部分內(nèi)容的掌握必須扎實(shí)牢靠?！彼?，課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須注重基礎(chǔ)知識(shí)的教學(xué)，任何脫離基礎(chǔ)知識(shí)的教學(xué)都是打造空中樓閣。每一個(gè)復(fù)雜的知識(shí)點(diǎn)都是由多個(gè)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)組合而成的，而每一個(gè)基礎(chǔ)知識(shí)都源于教材。教材是一切基礎(chǔ)知識(shí)的源泉，是每一道高考試題的歸宿點(diǎn)。所以，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)務(wù)必“緊扣手中教材，夯實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)”。

3.3 注重分層教學(xué)，落實(shí)學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》明確指出，高中物理學(xué)業(yè)質(zhì)量分為5個(gè)等級(jí)水平，并強(qiáng)調(diào)：“學(xué)業(yè)質(zhì)量水平4是進(jìn)入高等院校相關(guān)專業(yè)學(xué)習(xí)應(yīng)達(dá)到的水平要求。用于高等院校招生錄取的學(xué)業(yè)水平等級(jí)性考試應(yīng)具有較好的區(qū)分度，要求試卷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)合理，有利于區(qū)分學(xué)生不同層次的學(xué)業(yè)水平，有利于高校選拔人才。”可見平時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要重視分層教學(xué)，使“認(rèn)知能力水平層次不同”的學(xué)生在“同一個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)問題”面前得到不同認(rèn)知能力層次的培養(yǎng)，使實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)“達(dá)成學(xué)業(yè)質(zhì)量水平教學(xué)效果最佳”狀態(tài)。

3.4 注重親身經(jīng)歷，旨在理解實(shí)驗(yàn)本質(zhì)

華盛頓兒童博物館有句格言：“我聽見了就忘記了，我看見了就記住了，我做過了就理解了?！笨梢妼?shí)驗(yàn)探究要讓學(xué)生理解，就得讓學(xué)生親身經(jīng)歷，要讓學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)，不但要做到知其然，更重要的是要知其所以然。我們讓學(xué)生完成某一個(gè)探究實(shí)驗(yàn)，這就是一個(gè)讓學(xué)生自主探究、親身經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)的一個(gè)過程，實(shí)驗(yàn)中能否得到一個(gè)正確的結(jié)果，絕不是老師所追求的終極目標(biāo)，其目的是在于引起學(xué)生對(duì)自己正在探究的過程的關(guān)注：關(guān)注探究的過程中產(chǎn)生的問題、自己在探究過程中的思維，以及探究實(shí)驗(yàn)完成后是否達(dá)到了對(duì)實(shí)驗(yàn)本質(zhì)的理解。