刍议高考实验题“源于课本而高于课本”

卞志荣

（江苏省天一中学，江苏 无锡 214101）

近几年来，高考实验考查越来越全面，越来越灵活，试题已不局限于课本、大纲规定的几个基本实验，而是在此基础上进行重组与创新，旨在考查学生是否熟悉这些常规实验器材，是否真正动手做过这些实验，是否能灵活运用学过的理论、实验方法去处理、分析、研究某些未做过的实验，包括设计某些比较简单的实验等.现以2013届实验备考中出现的部分具有代表性的创新实验题的分析，说明不管试题如何创新，理解大纲规定实验的实验原理和方法是解决创新性实验问题的根本所在.

1 实验原理的创新导致实验控制条件发生变化

图1

2011年江苏高考实验题第10题“验证力的平行四边形定则”装置如图1所示.弹簧测力计A挂于固定点P，下端用细线挂一重物M.弹簧测力计E的一端用细线系于O点，手持另一端向左拉，使结点O静止在某位置.分别读出弹簧测力计A和E的示数，并在贴于竖直木板的白纸上记录O点的位置和拉线的方向.其中第（2）小题为有关实验操作选择题，（D）选项是“改变拉力，进行多次实验，每次都要使O点静止在同一位置”是否正确？

图2

分析：这个命题的提出，源于课本但又不同于课本.课本上“验证力的平行四边形定则”实验采用的是图2装置.若考生不迁移比较，就可能得出“（D）选项正确”的错误结论.首先应弄清课本中实验中“改变拉力，进行多次实验，每次都要使O点静止在同一位置”的目的是保持每次实验时两拉力的合力大小和方向不变，然后细细比较可以发现，本实验不管两个分力大小和方向如何改变以及O点的位置在何处，都保证了合力的大小和方向总是保持不变，始终为重物的重力，所以不需要每次都要使O点静止在同一位置，这样的改进使得操作更为方便，也拓展了学生实验视野.

又如，用图3的实验装置探究加速度与力的关系时，需要满足“滑块质量远大于钩码和力传感器的总质量”吗？

图3

分析：课本上“探究物体加速度与受合外力关系”的实验装置如图4所示.小车受到重力、支持力、细线的拉力和摩擦阻力，为了简化，在平衡摩擦力的情况下，小车所受合外力等于细线的拉力，由于细线拉力测量的不便，理论推导可知，当满足砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量时，细线的拉力就近似等于砝码和砝码盘的重力，即小车受到的合外力.而图3中细线的拉力直接用力的传感器测出，不需要像图4中那样满足近似处理的条件，故不要求滑块质量远大于钩码和力传感器的总质量.这也体现了现代科技给实验带来了极大的方便.

点评：实验原理是实验的核心内容，讲清实验基本原理是复习的重要环节，也是高三复习容易忽视之处.充分理解实验原理，有利于掌握实际操作过程中的规定、要求和注意事项，识别实验创新之处的本质.因此，我们在实验教学中，要有意识地强化对实验原理和方法的理解教学，引导学生将实验问题与有关理论知识结合起来思考，就能较为顺利地解决这些创新性实验问题.

图4

2 实验方案的创新导致实验测量结果发生变化

“验证机械能守恒定律”的实验可以采用如图5所示的甲或乙方案来进行.甲方案为用自由落体实验验证机械能守恒定律，乙方案为用斜面小车实验验证机械能守恒定律.请比较这两种方案，哪一个方案好一些？

图5

分析：甲方案是课本中采用的典型方案，乙方案是对原实验的一次突破，主要亮点在于灵活应用所学知识来设计验证机械能守恒实验，开阔了学生的实验视野.这两种方案从原理上来说都可以验证机械能守恒定律.哪一种更优呢？需要我们通过比较，在这里无非是从实验操作的方便性、准确性来作出判断.由于机械能守恒的条件是只有重力做功，在实际操作的方案中不可能不受到各种阻力，因此实验方案应该使摩擦力越小越好，故甲方案好一些.

点评：评价实验更能体现实验素养.一个实验可能有不同的实验方案.在众多的实验方案中可能是实现实验目的原理发生了变化；可能是进行实验操作的条件发生了变化；也可能是实验情景发生了变化等，我们应该从关键点或有变化之处入手，进行比较，引导学生评估实验方法，比较每一种方案的优劣，使实验方案达到最优化.

3 实验器材的参数告知不同导致电路设计发生变化

某学生用伏安法测一节干电池的电动势和内阻，除了待测电池和开关、导线若干外，还备有下列器材选用：

（A）电流表 A1：量程0～0.6A，内阻为0.4Ω.

（B）电流表A2：量程0～0.6A，内阻约为0.1Ω.

（C）电压表V1：量程0～3V，内阻未知.

（D）电压表V2：量程0～15V，内阻未知.

（E）滑动变阻器R1：0～10Ω，2A.

（F）滑动变阻器R2：0～100Ω，1A.

图6

（1）为了要尽可能准确地测量电源的电动势和内阻，请在上述器材中选择适当的器材，画出实验电路图.

（2）根据实验中电流表和电压表的示数得到了如图6所示的UI图像，则干电池的电动势和内电阻各是多少.

分析：由于电压表V2量程太大和滑动变阻器R2阻值太大不可选用，这一点学生极易判断，难点在于电流表的选择.虽然两电流表的量程相同，但A1内阻较大，通常电流表选用内阻较小的，但由于A1内阻为确定值，故选用A1且采用图7所示的电路进行实验，既可以使得电动势测量准确，又可以消除电流表内阻对电池内阻测量产生的系统误差，而不采用课本上的实验电路如图8.但由于学生长期接受了课本上的实验方案，而且认为利用图8测得的电动势和内阻虽然都偏小，但小得都不多，而用图7进行实验测得的电动势虽然准确，但内阻偏得太大，思维定势造成错误.殊不知，本题所给器材中有一电流表内阻已知，可以消除电流表内阻带来的系统误差.由UI图像可以求得电动势E＝1.5V，内阻

点评：伏安法测干电池的电动势和内阻由常规内接法转化为电流表内阻已知的外接法，以消除系统误差.利用相同的器材，变更实验条件，巧妙地将系统误差化解于无形中，以该方案为蓝本派生出来的一系列实验能够很好地考查学生对实验原理的理解和新情景中的分析能力、迁移能力.

图7

图8

4 不同实验方案同时测量导致数据处理方法发生变化

在测定水果电池的电动势和内阻时，某实验小组选取相同的实验器材，分别用图9中的甲、乙两种电路进行实验.其中一种电路测得的实验数据作出的UI图线，如图丙中图线1所示，另一电路测得的实验数据如表1.

表1

图9

（2）图线1所对应实验电路是甲还是乙？

（3）消除电表内阻产生的误差，电源的电动势E和内电阻r分别是多少？

分析：题中要消除电表内阻产生的误差，求出准确的测量值，可是两电表的内阻不知，无法用甲、乙两种电路中的任何一个直接消除电表内阻造成的系统误差，但是如果我们真正理解这两种电路产生误差的原因，通过迁移和比较，就能灵活求得电动势和内阻的准确值.对于甲电路，由于电流表的分压造成路端电压测量偏小，我们采用极限分析的方法可知，当干路中电流为0时，电流表分压为0，即此时测量值和真实值相同，在UI图线中纵轴截距数据点零误差；同理，乙电路是由于电压表的分流造成干路中电流测量偏小，同样采用极限分析的方法，当路端电压为0时，电压表分流为0，即此时测量值和真实值相同，在UI图线中横轴截距数据点零误差.如果能将这两个电路的零误差点巧妙结合起来进行处理，照样能消除在不知两电表内阻的情况下产生的系统误差，由此可求得电源电动势和内电阻的准确值.即电动势为甲电路所测数据画出的UI图线上的纵截距，内电阻由乙电路测得数据画出的UI图线上的横截距I短，再根据求得，或者由两个零误差点连接成直线即为电源的外特性曲线的真实图线.

点评：由本题可以进一步领略到高考试题“源于课本，高于课本，出活题，考能力”的思想，必须灵活应用所学基础知识，具备比较、分析和综合应用能力，巧妙地选择甲事件中有用的信息与乙事件中有用的信息，并能找到二者的联系，才能顺利地解决问题.可谓方法灵活、能力要求之高啊.

5 改变由实验目的来选择实验仪器为由测量数据判断实验中所用仪器器材

一个小灯泡的额定电压为2.0V，额定电流约为0.5 A.除了开关，导线若干外，选用下列实验器材进行实验，并利用实验数据描绘和研究小灯泡的伏安特性曲线.

（A）电源E：电动势为3.0V，内阻不计.

（B）电压表V1：量程为0～3V，内阻约为1kΩ.

（C）电压表V2：量程为0～15V，内阻约为4kΩ.

（D）电流表A1：量程为0～3A，内阻约为0.1Ω.

（E）电流表 A2：量程为0～0.6A，内阻约为0.6A.

（F）滑动变阻器R1：最大阻值为10Ω，额定电流为0.6A.

（G）滑动变阻器R2：最大阻值为15Ω，额定电流为1.0A.

（H）滑动变阻器R3：最大阻值为150Ω，额定电流为1.0A.

实验得到数据（I和U分别表示通过小灯泡的电流和加在小灯泡两端的电压）如表2.

表2

请选择符合条件的电压表、电流表和滑动变阻器.

图10

点评：选择仪器器材应遵循安全性、方便性、准确性基本原则.这类问题的常规思路是根据实验原理和实验目的，从提供的仪器器材中选择符合要求的仪器器材来设计电路进行实验.本题一反常态，程序倒置，由实验测得的数据，结合具体电路分析判断实验中所用的仪器器材.这样的逆向思维过程平时讲练较少，学生有点不太习惯，但在科学研究中对实验数据和结果的分析、论证及其修正的研究方法太常见不过了.

6 改变由实验目的来设计电路为由测量数据判定实验电路

在“测定金属的电阻率”实验中，所用测量仪器均已校准，首先用伏安法测量电阻丝的电阻Rx.实验所用器材为：电池组（电动势3V，内阻1Ω），电流表（内阻0.1Ω），电压表（内阻约3kΩ），滑动变阻器R（0～20Ω，额定电流2A），开关，导线若干.某小组学生利用以上器材正确连接好电路，进行实验测量，记录数据如表3.

表3

由以上实验数据可知：他们测量Rx是采用图11中的哪一个电路图？

图11

点评：电学实验中的电路的设计一直是高考的热点之一.通常是由测量要求和所给的仪器器材来设计控制电路和测量电路，同时考虑到设计简单、适用，所用仪器少，节能环保等因素.这类问题能很好地考查考生的实验创新能力，它要求考生能将课本中分组实验和演示实验的实验原理和实验方法迁移到新的背景中，只有在深刻理解物理概念和规律，并能灵活应用，才能完成创新性的实验设计.本题设计巧妙，要求由实验结果分析判断实验所用电路，综合考查了用所学知识解决实验实际问题的能力.

总之，高考实验题千变万化，但不变的是实验原理和方法.在实验复习中切不可舍本求末，搞题海战术，而应该紧紧抓住原理和方法这个“纲”，做到纲举目张.适时选择典型实验问题，引导学生溯课本之源，习方法所得，迁移解决实际问题，达到实验素养和能力的提升.

1 何勇军.不同实验对 M≫m条件的不同要求［J］.物理教师，2011（2）.

2 吴天峰.“探究加速度与力、质量的关系”实验的迁移和创新［J］.物理教师，2011（9）.

3 卞志荣.高考设计性实验试题的突破方法研究［J］.中学物理教学参考，2008（1）.

4 左祥胜.高考物理实验复习应回归何处——近5年江苏高考物理实验试题的分析思考［J］.物理教师，2013（8）.