實驗命題新題型 科學探究新考向

吳 強 (正高級教師) 郭榮英

(1.山東省泰山中學 2.山東省禹城市綜合高中)

2022年高考命題遵循課程標準要求,依托高考評價體系,深化基礎考查,突出思維品質,落實核心素養(yǎng),服務“雙減”落地.通過對2022年高考試題的對比分析,發(fā)現(xiàn)全國甲、乙卷,北京、山東、浙江、廣東、上海、河北、湖北、重慶等10套試卷中,對實驗題的考查除常規(guī)的“一力一電”實驗題外,還涉及了以實驗情境為素材命制的選擇題和計算題,以引導高中物理教師進一步完善實驗教學體系,提高實驗教學水平,發(fā)展學生的科學思維、科學探究素養(yǎng),培養(yǎng)其創(chuàng)新精神和能力,助力學生科學素質的全面提高.

1 2022年高考物理以實驗情境為素材命題的題型特點

物理學基于觀察與實驗,建構物理模型,應用數(shù)學等工具,通過科學推理和論證,形成系統(tǒng)的研究方法和理論體系.高中物理課程在義務教育的基礎上,幫助學生從物理學的視角認識自然,理解自然,建構關于自然界的物理圖景;引導學生經歷科學探究過程,體會科學研究方法,養(yǎng)成科學思維習慣,增強創(chuàng)新意識和實踐能力.高考命題進一步優(yōu)化試題情境,近幾年出現(xiàn)了實驗新題型,這是課程標準的要求.試題的情境要具有一定的問題性、真實性、探究性或開放性,通過學生應對復雜現(xiàn)實情境、參與相應探究學習活動時的外在表現(xiàn)來考查其物理學科核心素養(yǎng).

《普通高中物理課程標準(2017 年版2020 年修訂)》的第四部分課程內容中,給出的內容要求共87條,其中有51條涉及觀察和實驗(以下簡稱“課標要求的實驗”),在給出的例證中突出了實踐性和應用性.如制作一個簡易彈簧測力計,用胡克定律解釋其原理;了解直線加速器、同步加速器、粒子探測器在核物理和粒子物理研究中的作用.在給出的活動建議中突出探究性和開放性,如根據(jù)牛頓第二定律,設計一種能顯示加速度大小的裝置;觀看有關人造地球衛(wèi)星、神舟飛船、航天飛機、空間站的錄像片,與同學交流觀后感;分別描繪電爐絲、小燈泡、半導體二極管的I-U特性曲線,對比它們導電性能的特點;等等,還給出了21個學生必做實驗.

教材(以人教版為例)同樣重視科學的發(fā)展過程,關注科學探究活動的設計,關注科學家在科學探索過程中所凝練、升華的科學思維方式和科學研究方法,讓學生學習科學家的科學思維、研究方法及科學態(tài)度等.如教材科學漫步欄目中有“伽利略對自由落體運動的研究”;練習與應用中設置小制作類的實驗探究,如制作一把“人的反應時間測量尺”;在教材的正文中呈現(xiàn)密立根油滴實驗測粒子的比荷,并在課后的練習與應用中設置測定電子的比荷的實驗情境練習題.

可見,在課程標準要求加強實驗教學的同時,教材也在引領習題教學走向情境化、探究化、開放性、活動性.2022年高考試題也具有這樣的特點,在選擇題和計算題中出現(xiàn)了大量的以實驗情境為素材的實驗題,其特點如下.

考查實驗基本能力:對于課程標準要求的必做實驗和演示實驗重點考查實驗的原理和方法,考查學生的科學思維和科學探究能力.

突出考查創(chuàng)新能力:拓展實驗以教材實驗為背景,改變實驗條件或創(chuàng)設條件創(chuàng)新情境,加強對遷移應用、創(chuàng)新實踐能力的考查,要求學生提取有效信息、抽象概括物理模型、應用數(shù)學和科學思想方法處理實驗情境中的復雜問題,加強試題復雜程度、開放性和探究性,以考查學生的創(chuàng)新思維和意識.

靶向考查核心素養(yǎng):以實驗情境為素材命制的創(chuàng)新題型,從學生熟悉的實驗情境出發(fā),由淺入深,由易到難,加強對學生理解、模型建構、推理論證、信息加工、證據(jù)解釋、質疑創(chuàng)新等關鍵能力的考查,突出考查物理觀念、科學思維、科學探究等核心素養(yǎng).突出綜合性、應用性和創(chuàng)新性,進一步提升命題質量,創(chuàng)新探索高考命題改革的實施路徑.

2 試題賞析

2.1 對學生必做實驗的考查

《普通高中物理課程標準(2017 年版2020 年修訂)》中規(guī)定了21個學生必做實驗,在以往的高考試題中主要以實驗題題型單獨考查,而在2022年的高考試題中出現(xiàn)了選擇題、計算題的考查形式.如在選擇題中,北京卷第9題考查了“觀察電容器的充放電現(xiàn)象”,第13題考查了“利用傳感器制作簡單的自動控制裝置”,山東卷第10題和浙江6月卷第4題考查了“用雙縫干涉實驗測量光的波長”等.在計算題中,全國甲卷第24題考查了“探究平拋運動的特點”.

在選擇題、計算題中考查實驗,雖不是“首開先河”,但在2022年高考試題中卻尤為突出.這進一步凸顯了物理實驗在發(fā)展學生核心素養(yǎng)方面的重要地位和作用,引導高中一定要開足開好實驗課,一定要讓學生到實驗室去做實驗,鼓勵學生開展各種科學探究活動,提高實驗技能和創(chuàng)新能力.

例1(2022年北京卷)利用如圖1所示的電路觀察電容器的充、放電現(xiàn)象,其中E為電源,R為定值電阻,C為電容器,A 為電流表,V 為電壓表.下列說法正確的是( ).

圖1

A.充電過程中電流表的示數(shù)逐漸增大后趨于穩(wěn)定

B.充電過程中電壓表的示數(shù)迅速增大后趨于穩(wěn)定

C.放電過程中,電流表的示數(shù)均勻減小至零

D.放電過程中,電壓表的示數(shù)均勻減小至零

答案B.

解析充電過程中,隨著電容器C兩極板電荷量的積累,電路中的電流逐漸減小,電容器充電結束后,電流表示數(shù)為零,選項A 錯誤;充電過程中,隨著電容器C兩極板電荷量的積累,電壓表測量電容器兩端的電壓,電容器兩端的電壓迅速增大,電容器充電結束后,趨于穩(wěn)定,選項B正確;電容器放電的I-t圖像如圖2所示,可知電流表和電壓表的示數(shù)不是均勻減小至零的,選項C、D 錯誤.故選B.

圖2

點評本題源于教材中的實驗欄目和拓展學習欄目,觀察電容器的充、放電現(xiàn)象也是課程標準中規(guī)定的必做實驗之一.本題主要考查電容器充、放電過程中電流表和電壓表示數(shù)的變化,考查實驗原理和實驗現(xiàn)象.

例2(2022年全國甲卷)將一小球水平拋出,使用頻閃儀和照相機對運動的小球進行拍攝,頻閃儀每隔0.05s發(fā)出一次閃光.某次拍攝時,小球在拋出瞬間頻閃儀恰好閃光,拍攝的照片編輯后如圖3所示.圖中的第一個小球為拋出瞬間的影像,每相鄰兩個球之間被刪去了3個影像,所標出的兩個線段的長度s1和s2之比為3∶7.重力加速度g取10m·s-2,忽略空氣阻力.求在拋出瞬間小球速度的大小.

圖3

解析頻閃儀每隔0.05s發(fā)出一次閃光,每相鄰兩個球之間被刪去3個影像,故相鄰兩球的時間間隔為

設拋出瞬間小球的速度為v0,每相鄰兩球間水平方向上的位移為x,豎直方向上的位移分別為y1、y2,根據(jù)平拋運動位移公式有

由平拋運動在豎直方向上的運動規(guī)律知

已標注的線段s1、s2分別為

點評本題以平拋運動實驗中的頻閃照片設置情境任務,考查研究平拋運動的特點并求初速度,旨在考查研究曲線運動的基本方法,即“運動的合成與分解”,應用“化曲為直”的研究方法分析處理曲線運動,情境新穎,可有效杜絕死記硬背和機械刷題.本題還同時考查學生的物理模型構建能力、分析推理能力、數(shù)學運算能力,充分體現(xiàn)了以問題情境承載考查內容的要求,嚴格遵循了課程標準的要求.計算題以實驗素材為情境,主要在實驗原理的理解和實驗數(shù)據(jù)的處理兩個方面考查學生的實驗能力和科學探究能力,試題注重基本概念和基本規(guī)律的考查,沒有直接給出平拋運動的水平、豎直位移,而是給出兩段運動的合位移之比,巧妙地考查了分運動與合運動的關系,進而考查了平拋運動的規(guī)律,突出對科學思維、科學探究兩大核心素養(yǎng)的考查.

2.2 對課程標準要求實驗的考查

物理課程標準中規(guī)定了一些通過觀察和實驗等探究活動得出概念和規(guī)律的內容要求,教材主要通過實驗、演示、做一做、拓展學習、練習與應用、復習與提高等欄目對其加以呈現(xiàn).

這類實驗在以往高考試題中較少考查,在2022年高考中不僅以實驗題題型單獨考查,還出現(xiàn)了選擇題、計算題等考查形式.如在選擇題中,河北卷第4題考查了“通過實驗,了解光電效應現(xiàn)象”,上海卷第3題和山東卷第10題考查了“觀察光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象”.在計算題中,廣東卷第18題考查了“通過實驗,理解光的折射定律,會測量材料的折射率”等.

例3(2022年河北卷)如圖4是密立根于1916年發(fā)表的納金屬光電效應的遏止電壓Uc與入射光頻率ν的實驗曲線,該實驗直接證明了愛因斯坦光電效應方程,并且第一次利用光電效應實驗測定了普朗克常量h.由圖像可知( ).

圖4

A.鈉的逸出功為hνc

B.鈉的截止頻率為8.5×1014Hz

C.圖中直線的斜率為普朗克常量h

D.遏止電壓Uc與入射光頻率ν成正比

答案A.

解析根據(jù)遏止電壓與最大初動能的關系有eUc＝Ekmax.根據(jù)光電效應方程有

結合圖像可知,當Uc＝0 時,解得鈉的逸出功W0＝hνc,選項A 正確;鈉的截止頻率為νc,根據(jù)圖像可知,截止頻率約為5.5×1014Hz,小于8.5×1014Hz,選項B 錯誤;結合遏止電壓與光電效應方程可解得

由此可知圖中直線的斜率表示,選項C 錯誤;根據(jù)遏止電壓與入射光的頻率關系式可知,遏止電壓Uc與入射光頻率ν成線性關系,不是成正比,選項D錯誤.

點評教材中的正文情境素材本身就是很好的原始物理問題,通過實驗獲取數(shù)據(jù),基于證據(jù)分析解釋得出結論,深度考查理解“光電效應”概念的形成過程和“愛因斯坦光電效應方程”規(guī)律的探究過程,引導師生重視基于教材的深度教學活動,幫助學生形成微觀世界的量子化觀念,體會量子論的建立對人們認識物質世界的影響.

例4(2022年廣東卷)一個水平放置的圓柱形罐體內裝了一半的透明液體,液體上方是空氣,其截面如圖5所示.一激光器從罐體底部P點沿著罐體的內壁向上移動,它所發(fā)出的光束始終指向圓心O點.當光束與豎直方向成45°角時,恰好觀察不到從液體表面射向空氣的折射光束.已知光在空氣中的傳播速度為c,求液體的折射率n和激光在液體中的傳播速度v.

圖5

點評本題來源于教材中光的“全反射現(xiàn)象”部分,課程標準要求設置演示實驗“演示光沿水柱(或彎曲的玻璃柱)的傳播”,要求“知道光的全反射現(xiàn)象及產生的條件,初步了解光纖的工作原理、光纖技術在生產生活中的應用”.試題以生活中的材料“圓柱形罐體裝了透明液體”為情境考查激光透過液體時的全反射現(xiàn)象,在教材演示實驗和做一做的基礎上遷移應用到實際問題中,重在考查學生對物理規(guī)律的理解和遷移應用能力,以強化基礎性,引導教學.

2.3 拓展提高實驗

關于教材的編寫,課程標準指出無論是內容還是呈現(xiàn)方式皆應遵從科學性原則,還應準確反映課程標準要求的物理概念和規(guī)律,正確納入物理實驗,還應科學融入研究方法、科學態(tài)度與價值觀等內容.所以,教材最大限度地通過觀察和實驗,得出物理概念和規(guī)律,并以正文和拓展學習、做一做、STSE、練習與應用、課題研究等欄目呈現(xiàn)了一些拓展提高類實驗.

在以往高考試題中較少出現(xiàn)關于拓展提高實驗的試題,在2022年高考中不僅以實驗題題型單獨考查,還出現(xiàn)了選擇題、計算題等考查形式.如在選擇題中,全國乙卷第18題考查了手機測地磁場的磁感應強度,湖北卷第4題考查了密立根油滴實驗測粒子的電荷量和半徑,重慶卷第16(1)題考查了研究水波的傳播特點等.在計算題中,全國甲卷第25題考查了光點式檢測計測量微小電流,北京卷第2題考查了利用搖繩和傳感器測地磁場磁感應強度,廣東卷第14、16題分別考查了利用密立根實驗測量球形油滴受到的空氣阻力的比例系數(shù)和利用玻璃瓶簡易水深測量裝置測量水的深度,重慶卷第13、15題分別考查了探究金屬物品在變化磁場中的熱效應和探究理想氣體的狀態(tài)變化特性等.

例5(2022年湖北卷)密立根油滴實驗裝置如圖6所示,兩塊水平放置的金屬板分別與電源的正負極相接,板間產生勻強電場.用一個噴霧器把密度相同的許多油滴從上板中間的小孔噴入電場,油滴從噴口噴出時由于摩擦而帶電.金屬板間電勢差為U時,電荷量為q、半徑為r的球狀油滴在板間保持靜止.若僅將金屬板間電勢差調整為2U,則在板間能保持靜止的球狀油滴所帶電荷量和半徑可以為( ).

圖6

A.q,r

B.2q,r

C.2q,2r

D.4q,2r

答案D.

解析初始狀態(tài)下,油滴處于靜止狀態(tài)時,滿足qE＝mg,即

當電勢差調整為2U時,若油滴的半徑不變,則滿足

當電勢差調整為2U時,若油滴的半徑變?yōu)?r時,則滿足

解得q′＝4q,選項C錯誤,選項D 正確.

點評本題以密立根油滴實驗為素材創(chuàng)設學習探索情境,要求考生利用平衡條件結合選項應用假設法、控制變量法判斷在改變電容器電壓的情況下,研判球狀油滴所帶電荷量和半徑的關系,考查模型建構、假設推理的科學思維方法.讓學生體驗科學家做實驗的某一環(huán)節(jié),提升學生科學探究素養(yǎng).

例6(2022年北京卷)指南針是利用地磁場指示方向的裝置,它的廣泛使用促進了人們對地磁場的認識.現(xiàn)代科技可以實現(xiàn)對地磁場的精確測量.

(1)如圖7-甲所示,兩同學把一根長約10m 的電線兩端用其他導線連接一個電壓表,迅速搖動這根電線.若電線中間位置的速度約10 m·s-1,電壓表的最大示數(shù)約2mV,粗略估算該處地磁場磁感應強度的大小B地.

圖7

(2)如圖7-乙所示,一矩形金屬薄片,其長為a,寬為b,厚為c.大小為I的恒定電流從電極P流入、從電極Q流出,當外加與薄片垂直的勻強磁場時,M、N兩電極間產生的電壓為U.已知薄片單位體積中導電的電子數(shù)為n,電子的電荷量為e.求磁感應強度的大小B.

(3)假定(2)中的裝置足夠靈敏,可用來測量北京地區(qū)地磁場磁感應強度的大小和方向,請說明測量的思路.

答案(1)數(shù)量級為10-5T.

(3)見解析.

解析(1)由E＝BLv可估算得該處地磁場磁感應強度B地的大小的數(shù)量級為10-5T.

(2)設導電電子定向移動的速率為v,Δt時間內通過橫截面的電荷量為Δq,有

導電電子定向移動過程中,在MN方向受到的電場力與洛倫茲力平衡,有

(3)建立如圖8所示的三維直角坐標系Oxyz.設地磁場磁感應強度在三個方向的分量為Bx、By、Bz.把金屬薄片置于xOy平面內,M、N兩極間產生電壓Uz僅取決于Bz.

圖8

根據(jù)Bx、By、Bz的大小和方向可確定此處地磁場的磁感應強度的方向.

點評本題第(1)問情境來源于舊教材中的做一做“搖繩能發(fā)電嗎”,把教材中的定性實驗或學生探究活動拓展提升為定量估測實驗,體現(xiàn)了試題命制的嚴謹性和創(chuàng)新性,從而考查學生的科學探究和科學思維核心素養(yǎng).第(2)問以霍爾元件為背景,在理解霍爾元件工作原理的基礎上定量推導間接測量磁感應強度的公式,拓展測磁感應強度的方法,以引導深度學習和綜合實踐.第(3)問是在第(2)問測量元件的基礎上,設計一個測量當?shù)氐卮艌龃鸥袘獜姸鹊膶嶒灧桨?即相當于寫一個簡易的實驗報告——簡述實驗原理和實驗步驟,以引導對實驗教學的突出,抓住實驗教學的靈魂.試題以實驗為素材情境命制計算題,以磁感應強度這個核心概念為中心,先并列后遞進設置開放式情境任務,以考查場的物質觀念,以科學探究為手段,在應用觀念的過程中考查科學思維和科學態(tài)度與責任素養(yǎng),在落實新課程標準和引導教學等方面,為開發(fā)高中跨學科案例提供參考.

(完)