高考物理實驗試題特點分析與研究

王 剛 賈曉軒

(1.河北省邯鄲市教育科學研究所 2.河北省邯鄲市一中)

眾所周知，物理學是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學.實驗題一直以來都是最具學科特色的考查形式之一，也是考查探究能力和創(chuàng)新能力的最好題型.分析近年來的高考物理實驗題，不難發(fā)現(xiàn)，試題越發(fā)突出“以考查實驗探究能力為關(guān)鍵點”，“增強開放性和探究性，考查學生的創(chuàng)新意識”.

1 以考查實驗探究能力為關(guān)鍵點

自然科學的本質(zhì)屬性使得實驗探究能力成為物理學科關(guān)鍵能力的重要組成部分.高考物理實驗題立足于真實情境，引導學生從不同角度思考問題、作出假設(shè)，既考查實驗探究方案的制定，又重視實驗數(shù)據(jù)的獲取與分析，尤其考查學生通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)規(guī)律、形成結(jié)論并進行科學解釋的能力.因此，高考物理實驗題凸顯了“科學探究”，成為落實核心素養(yǎng)“科學探究”要素的重要載體.

例1(2021年全國乙卷)一實驗小組利用圖1-甲所示的電路測量一電池的電動勢E(約1.5V)和內(nèi)阻r(小于2Ω).圖中電壓表量程為1 V，內(nèi)阻RV＝380.0Ω;定值電阻R0＝20.0Ω;電阻箱R最大阻值為999.9Ω;S為開關(guān).按電路圖連接電路，完成下列填空:

圖1

(1)為保護電壓表，閉合開關(guān)前，電阻箱接入電路的電阻值可以選_________Ω(填“5.0”或“15.0”);

(2)閉合開關(guān)，多次調(diào)節(jié)電阻箱，記錄下阻值R和電壓表的相應(yīng)讀數(shù)U;

(3)根據(jù)圖1-甲所示電路，用R、R0、RV、E和r表示＝________;

(5)通過圖1-乙可得E＝_________V (保留2位小數(shù))，r＝_________Ω(保留1位小數(shù));

(6)若將圖1-甲中的電壓表當成理想電表，得到的電源電動勢為E′，由此產(chǎn)生的誤差為×100%＝_________%.

答案(1)15.0.

(5)1.55;1.0. (6)5.

本題設(shè)計了測量電池電動勢和內(nèi)阻的實驗，第(1)問中學生需要根據(jù)題給相關(guān)數(shù)據(jù)，考慮電壓表的安全性選擇保護電阻的阻值;第(3)、(5)問對實驗原理進行考查，要求學生能寫出閉合電路歐姆定律的表達式，結(jié)合圖表信息求解相關(guān)物理量，完成實驗;第(6)問分析實驗的系統(tǒng)誤差，是對實驗原理的進一步考查，已經(jīng)給出相對誤差表達式，需要學生計算誤差的具體值.整體來看，該題對學生的理解能力、分析綜合能力、信息加工能力及實驗探究能力有較高要求.

例2(2020年全國Ⅲ卷)某同學利用圖2所示裝置驗證動能定理.調(diào)整木板的傾角平衡摩擦阻力后，掛上鉤碼，鉤碼下落，帶動小車運動并打出紙帶.某次實驗得到的紙帶及相關(guān)數(shù)據(jù)如圖3所示.

圖2

圖3

已知打出圖3中相鄰兩點的時間間隔為0.02s，從圖3給出的數(shù)據(jù)中可以得到，打出B點時小車的速度大小vB＝________m·s－1，打出P點時小車的速度大小vP＝________m·s－1(結(jié)果均保留2位小數(shù)).

若要驗證動能定理，除了需測量鉤碼的質(zhì)量和小車的質(zhì)量外，還需要從圖3給出的數(shù)據(jù)中求得的物理量為_________.

答案0.36;1.80;B、P之間的距離.

本題要求學生根據(jù)對實驗原理的理解，補充完成實驗還需要測量的物理量，考查學生對實驗原理和條件是否全面理解，對實驗探究能力、理解能力、分析綜合能力有較高要求.同時，題目還要求學生能對實驗測得的數(shù)據(jù)進行簡單處理，對學生的信息加工能力有一定要求.

例3(2019年全國Ⅰ卷)某同學要將一量程為250μA 的微安表改裝為量程為20 mA 的電流表.該同學測得微安表內(nèi)阻為1200Ω，經(jīng)計算后將一阻值為R的電阻與該微安表連接，進行改裝.然后利用一標準毫安表，根據(jù)圖4-甲所示電路對改裝后的電表進行檢測(虛線框內(nèi)是改裝后的電表).

(1)根據(jù)題給條件，將圖4-乙中的實物連接.

圖4

(2)當標準毫安表的示數(shù)為16.0mA 時，微安表的指針位置如圖5所示，由此可以推測出改裝的電表量程不是預期值，而是_________.(填正確答案標號)

圖5

A.18mA B.21mA

C.25mA D.28mA

(3)產(chǎn)生上述問題的原因可能是_________.(填正確答案標號)

A.微安表內(nèi)阻測量錯誤，實際內(nèi)阻大于1200Ω

B.微安表內(nèi)阻測量錯誤，實際內(nèi)阻小于1200Ω

C.R值計算錯誤，接入的電阻偏小

D.R值計算錯誤，接入的電阻偏大

(4)要達到預期目的，無論測得的內(nèi)阻值是否正確，都不必重新測量，只需要將阻值為R的電阻換為一個阻值為kR的電阻即可，其中k＝________.

答案(1)見圖6.

圖6

本題以微安表改裝成電流表為情境，考查電流表改裝實驗中電阻的連接方式及電表校準等相關(guān)問題.第(1)問實物圖連接，是對學生的具體實驗操作的考查;第(2)問要根據(jù)標準表的示數(shù)和改裝表的指針位置分析電表改裝后的實際量程;第(3)問分析量程偏大的可能原因;第(4)問進一步對改裝電表的校準結(jié)果進行分析，計算實現(xiàn)實驗?zāi)康乃璧碾娮枧c實際所并電阻的關(guān)系.第(2)、(3)、(4)問都是對于電表校準的設(shè)問，既是對實驗原理的深入考查，也是對學生的實驗探究能力的全面考查.

2 增強開放性和探究性，考查學生的創(chuàng)新意識

物理實驗試題往往會體現(xiàn)鮮明的創(chuàng)新導向，這是開放性和探究性的具體體現(xiàn).試題的創(chuàng)新角度大致有兩種:呈現(xiàn)方式和設(shè)問方式.呈現(xiàn)方式的創(chuàng)新即通過設(shè)計新穎的實驗情境，要求學生將物理實驗知識、方法和技能與新的情境相結(jié)合完成實驗.設(shè)問方式的創(chuàng)新可以引導學生從不同角度認識問題，鼓勵學生主動思考、發(fā)散思維，讓學生從標準答案的束縛中得到解放.這種創(chuàng)新題目突出考查學生運用基本物理規(guī)律解決問題的能力，引導學生從解題訓練向解決問題轉(zhuǎn)化，促進了學生學科素養(yǎng)的提升.同時，在一定程度上降低大量刷題、機械訓練的收益，助力減輕學生學業(yè)負擔.

在呈現(xiàn)方式上進行創(chuàng)新的代表性題目有:

例4(2021 年河北省4月份第二次適應(yīng)性測試)土壤的干濕狀態(tài)是影響植物生長的重要指標.某同學為了實現(xiàn)智能澆水，準備設(shè)計一個簡易土壤濕度計，實驗方案如圖7所示:

圖7

(1)將兩電極以合適的間距和深度插入待測土壤.使用多用電表電阻擋測量不同土壤濕度下電極間的電阻，數(shù)據(jù)如表1所示.

表1

(2)實驗室提供器材如下:

電源E1(電動勢1.5V，內(nèi)阻不計);

電源E2(電動勢5V，內(nèi)阻不計);

電流表A(量程200μA，內(nèi)阻約500Ω);

定值電阻R1(阻值1kΩ);

定值電阻R2(阻值20kΩ);

開關(guān)和導線若干.

為使土壤的干濕狀態(tài)在濕度計表盤上最優(yōu)顯示，應(yīng)選用電源________，定值電阻________.(填寫對應(yīng)的器材符號)

(3)請按照示例在電流表表盤上標出與土壤“濕度適中”對應(yīng)的示數(shù)范圍.

圖8

答案(2)E2;R2.(3)略.

本題目以設(shè)計土壤濕度計為情境，考查電路相關(guān)知識.1)要求學生能根據(jù)已給信息選擇合適的實驗器材;2)需要結(jié)合實驗原理及表格數(shù)據(jù)在表盤上標注示數(shù)信息.題目呈現(xiàn)新的情境和新的信息，對學生的實驗設(shè)計能力和探究能力有較高要求.但是仔細分析題目所考查的內(nèi)容不難發(fā)現(xiàn)，涉及的物理知識及方法均為基礎(chǔ)知識和基本方法，實驗器材的選擇是電阻測量類實驗的常見考法.

在設(shè)問方式上進行創(chuàng)新的代表性題目有:

例5(2019年全國Ⅲ卷)甲乙兩位同學設(shè)計了利用數(shù)碼相機的連拍功能測重力加速度的實驗.實驗中，甲同學負責釋放金屬小球，乙同學負責在小球自由下落的時候拍照.已知相機每間隔0.1s拍1 幅照片.

(1)若要從拍得的照片中獲取必要信息，在此實驗中還必須使用的器材是______.(填正確答案標號)

A.米尺 B.秒表 C.光電門 D.天平

(2)簡述你選擇的器材在本實驗中的使用方法.

答:_______.

(3)實驗中兩同學由連續(xù)3幅照片上小球的位置a、b和c得到ab＝24.5cm、ac＝58.7cm，則該地的重力加速度大小為g＝_______m·s－2.(保留2位有效數(shù)字)

答案(1)A.(2)將米尺豎直放置，使小球下落時盡量靠近米尺.(3)9.7.

第(1)問學生需要在理解實驗原理的基礎(chǔ)上確定需要測量的物理量，進而確定所需器材，設(shè)問較為常規(guī);第(2)問則是一個開放性問題，考查學生如何從相同時間間隔內(nèi)拍攝的小球下落照片中測量出小球下落的位移，參考答案給出的是一個比較常用的方法，即讓甲同學將米尺豎直放置，然后盡量在靠近米尺的位置把小球釋放，讓小球沿米尺刻度下落(小球不應(yīng)遮擋米尺刻度).實驗方法并不唯一，也可以選擇讓小球沿靠近實驗室內(nèi)墻壁下落，實驗前先用米尺在小球自由下落路徑上標好刻度等.該題目設(shè)問具有一定的開放性、探究性，鼓勵學生從多角度思考問題，有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識.

綜上可見，高考實驗試題是在考查實驗探究能力，而不是考實驗本身.因此，近年來的實驗題似乎“游離”于教材中的學生實驗或演示實驗之外，實則是經(jīng)過適當拓展整合成題，試題由單一、基本形式向綜合、高層次方向發(fā)展，突出了對實驗原理的理解、利用物理圖像處理實驗數(shù)據(jù)、分析實驗影響因素等能力的考查，注重了對考生的實驗探究能力、知識遷移能力的考查.面對新高考，死記硬背實驗原理、實驗器材、實驗步驟、實驗數(shù)據(jù)、誤差分析，往往達不到理想的效果.高考實驗題千變?nèi)f化，但不變的是實驗原理和方法.只有把原理弄清楚，才能在面對題目變式時從根源上找到解決問題的方法.此外，高考實驗試題對實驗的可參與性非常重視，應(yīng)給予足夠重視.在復習備考中，要重視基本儀器的使用和基本方法的運用，重視對實驗現(xiàn)象和實驗過程的體驗.要積極創(chuàng)造條件，有意識地進行實驗設(shè)計、實驗操作、實驗條件控制、實驗數(shù)據(jù)處理和實驗結(jié)論分析等方面的訓練，努力提升實驗素養(yǎng).

(完)