新课程下高考物理实验命题探析及求解策略

2018-07-25河北

教学考试(高考物理) 2018年2期

河北

陈宝友(特级教师)

众所周知，物理学是一门以实验为基础的学科，而实验是物理教学的一个重要组成部分。实验过程蕴涵丰富的科学思维和方法，实验能力又是综合能力，因而实验在高考中占有重要的地位，一直是考查的重点。

全国普通高等学校招生考试要求考生能掌握教学大纲中规定的实验，包括理解实验目的、实验原理及要求，了解材料、用具，掌握实验方法、步骤，会控制实验条件和会使用实验仪器，会处理实验安全问题，会观察和分析实验现象，解释实验结果并得出合理的实验结论；其次，能够根据要求灵活运用已学过的自然科学理论、实验方法和仪器，设计简单的实验方案并处理相关的实验问题。简而言之，高考对设计和完成实验的能力目标分为两点，(1)能解释实验现象和结果，能通过分析和推理得出实验结论；(2)根据要求设计简单的实验方案。由近十五年高考实验试题特点可见,实验题分数与物理总分相比，所占的比例相对较稳定，约占到了总分的12.3%～16.7%，平均达到了14.6%，足见实验的重要性。这十五年来，除了2002年高考试卷中无电学和力学实验题外，其余年份都考查了电学和力学的实验题。按实验出现的几率来看，最重要的是电学实验，其次是力学实验，光学和热学实验次之；也曾涉及原子物理实验，总体趋向全面化。从实验仪器的使用上看，考查频率最高的是游标卡尺、螺旋测微器和滑动变阻器；从被测量物理量上看考查频率最高的是测量电阻(含电压表、电流表内阻)、测量长度(主要是用游标卡尺和螺旋测微器测量)。

从实验试题的情况来看，实验试题既体现了学生的实践能力和创新精神的考查，又不脱离当前中学物理实验教学的实际。同时，绝大多数实验试题并不是对课本实验直接进行考查，而是以这些基本实验为基础进行实验的设计、改造和创新，注重考查对实验思想、方法、原理的解释，即所谓设计性实验。在高考物理复习中，必须注意以下几方面问题。

一、必须重视基本实验的复习

如上所述，近几年的高考物理实验题基本上为设计性实验，因此，设计性实验的重要性可见一斑，但这决不意味着可以放弃学生实验和演示实验，正所谓“万丈高楼平地起”，实验试题的设计思想都来自教材，即立足于课本，在过去已学实验的基础上演变而来，要求考生用学过的物理知识、原理、实验思想、方法设计出合理的方案，应该说对实验能力提出了更高层次的要求，因此只有对实验目的、实验原理、实验器材的选择、安装、调试、实验操作步骤、实验数据的记录与处理、实验误差分析及得出实验结论等各方面都熟练掌握，具有了一定的实验能力，才能以不变应万变，顺利完成实验设计题。

2005年全国卷Ⅰ物理实验第22题第(1)问即是对“验证力的平行四边形定则”这一基础实验的考查，主要通过实验步骤考查考生对实验原理的理解和实验误差的分析。同时，高考物理实验试题也非常重视对基本实验仪器的考查，注重实验操作过程的考查，重视对重要的演示实验的考查。从实验仪器的使用上看考查频率最高的是游标卡尺、螺旋测微器和滑动变阻器，仅以2005年高考试卷为例，即有全国卷Ⅱ、卷Ⅲ、天津卷等分别考查了游标卡尺、螺旋测微器的读数，上海卷考查了滑动变阻器的使用；从被测量物理量上看考查频率最高的是测量长度(主要是用游标卡尺和螺旋测微器测量)及测量电阻(含电压表、电流表内阻)。2006年全国卷Ⅰ考查的是双缝干涉实验中决定干涉条纹间距的物理量；2007年全国卷Ⅰ考查的是示波器的使用与调节;2008年宁夏卷考查根据正在测量中的多用电表表盘的刻度读出电阻、电压和电流；2009年辽宁卷、宁夏卷则是用游标卡尺测量圆柱体的长度，同时用螺旋测微器测量该圆柱体的直径,2015年海南卷重现同样问题;2010年课标卷是验证机械能守恒定律，要求选择器材及分析误差产生的原因;2011年北京卷、广东卷再次考查了欧姆表的使用；2016年上海卷再次考查了用多用电表测电流或电阻。

此外，高考物理实验试题还注重理论联系实际的考查。2001年上海卷即以利用打点计时器测量加速度为蓝本，考查考生解决实际问题的能力；而2005年江苏卷和广东卷则分别考查了电流表改装和传感电路中的热敏电阻问题。

【例1】某同学利用闪光照相研究物体的平抛运动，他拍摄了小球沿水平桌面运动并抛出的闪光照片，如图所示。若图中每一正方形小格的边长均表示5.0 cm。根据图1中的记录，可计算出小球做平抛运动的初速度大小为 m/s，小球通过c点时的速度大小为 m/s。(取g=10 m/s2)

图1

【解析】平抛运动的基本特点是在水平方向做匀速运动，而在竖直方向是自由落体运动，则由照片可知，小球依次通过各点所需要的时间是相等的，根据匀变速运动的基本规律，在相邻相等的时间间隔内，物体通过的位移差相等。即

【例2】用多用表的欧姆挡“×10 Ω”挡测量一个电阻的阻值，发现表的指针偏转角度极小，为了准确测定该电阻的阻值，正确的判断和做法是 ( )

A.这个电阻的阻值肯定也是极小的

B.应把选择开关换到“×1 Ω”挡，将欧姆表重新调零后再进行测量

C.应把选择开关换到“×100 Ω”挡，将欧姆表重新调零后再进行测量

D.为了使测量值比较准确，应该用两手分别将两表笔与待测电阻两端紧紧捏在一起，使表笔与待测电阻接触良好

【解析】多用表是利用电流表改装而成的，在表头上串联一个较大的电阻分压即可成为电压表；而在表头上并联一个较小的电阻分流即可成为大量程的电流表。当将表头与电池、可变电阻串联后即可成为欧姆表，即欧姆挡实际上是根据欧姆定律测量电阻的。测量电阻较小时电流较大，表的指针偏转角度较大；电阻较大时电流较小，表的指针偏转角度较小，故发现表的指针偏转角度极小时，应是电阻很大，所以应把选择开关换到“×100 Ω”挡，且将欧姆表重新调零后再进行测量，故选项A 、B不正确；为了使测量值比较准确，应该使两表笔与待测电阻接触良好，但不能用两手分别将两表笔与待测电阻两端紧紧捏在一起，这样将造成测量的阻值偏小，因此本题正确答案为C。

二、设计性实验的解题思路

考查学生设计实验的能力，是素质教育培养学生创新意识的重要手段之一，是对学生实验知识和实验能力的综合考查。设计性实验具有综合性强、考查全面、能力要求高等特点，已成为高考实验考查的热点。近几年高考中每年都有设计性实验题，考查考生创造性地应用已学过的知识、方法、原理灵活处理具体实验问题的能力，要求考生有较强的综合素质，为考生创造能力的发挥提供了较大的思维空间。2009年辽宁卷、宁夏卷是以青岛奥运会帆船赛场为载体，要求设计用光敏电阻作为传感器控制路灯电路的开关，实现自动控制；而2009年山东卷的实验同样要求设计利用光控开关控制照明系统，充分反映了实验设计的重要性；2015年全国卷Ⅰ则为改装毫安表及其校准，要求在设计的电路中进行计算，并进行故障判断；而2016年全国卷Ⅰ则为组装由热敏电阻控制的报警系统。

解决此类问题的关键是要由学过的物理规律确定实验原理，由实验原理确定需要测量的物理量；再选择测量仪器、实验装置，安排实验步骤，只有做到理论联系实际，才能正确地解决设计性实验问题。设计性实验的核心是设计和选择实验方案，其求解思路一般可按如下顺序进行：

1.明确设计实验的目的，把握设计实验的方向，广泛联系，初步设计并提出各种可能的方案。

2.按照简便性、可行性、准确性的原则综合考虑，从中选择最佳方案。

3.根据方案恰当选择器材，并拟定合理的实验步骤。

4.正确处理实验数据，并进行误差分析。

【例3】待测电阻Rx的阻值大约是40～50 Ω，现要准确测量其阻值。提供的器材有：

直流电源E(电压9 V，内阻r较小但不为零且未知)；

定值电阻R0=100 Ω；

滑动变阻器R1(总阻值20 Ω)；

滑动变阻器R2(总阻值200 Ω)；

电流表A(量程0～100 mA，内阻rA较小但不为零且未知)；

单刀单掷开关S1；

单刀双掷开关S2；

导线若干。

(1)设计一个能够准确测量电阻Rx的阻值的电路。滑动变阻器只用其中一只，应该选用________(选代号)，在图2方框中画出实验电路图(在图上标明所选器材的代号)。

图2

(2)在正确连接实验电路后，简要写出实验测量的主要步骤，特别指出需要测量的物理量和符号。

___________________________________________。

(3)计算Rx的表达式是Rx=____________(用已知物理量和实验测得的物理量表示)。

【解析】(1)本题考查电阻的一种测量方法，在有电阻箱的情况下，可以采用等效法处理，而本题由于没有提供电阻箱，故不能采用此法，但是可以通过欧姆定律准确测量电阻，实验电路仍然与等效法相似，不同的是本题用定值电阻R0代替电阻箱，实验电路图如图3所示。

图3

(2)在正确连接实验电路后，实验测量的主要步骤如下：闭合S1，将S2接到接线柱1，调节滑动变阻器，使电流表A有较大的示数，并读出此时电流表的示数I1；保持滑动变阻器滑片的位置不动，将S2接到接线柱2，并读出此时电流表的示数I2。

(3)根据欧姆定律在上述实验步骤中分别有

三、实验复习要注意知识迁移能力培养

由于目前高考实验的考查已从一般地背诵实验转向对实验原理和方法等的理解，所以在解决设计性实验题时，关键在于能否将已掌握的实验知识和方法灵活地迁移到新的实验情境中去，因此要重视培养实验知识迁移能力，引导学生将实验知识迁移并应用到新的物理情境中去。这里我们要注意基本仪器使用知识的迁移，学生分组实验知识的迁移，演示实验知识的迁移。在实验复习教学中，我们还可以设法创设知识迁移的情景，变换实验装置的模型等方法，培养其知识迁移能力。2004年全国卷Ⅲ实验是变“电流表改装为电压表”为“电压表改装为电流表”，只要掌握了实验原理，答案容易求解；2006年上海卷实验则是研究电磁感应现象，要求在给定的器材中选择必要的器材，并连成相应的实物电路图，同时还要求确定感应电流的方向，对本题，我们只要联系感应电流产生的条件，将原线圈通过开关、滑动变阻器连接成回路，再插入副线圈即可，后边的问题利用楞次定律容易得到答案；而2015年全国卷Ⅰ的实验之一是考查玩具小车通过凹形桥最低点的速度，表面上是实验，实则是牛顿第二定律和机械能守恒守恒定律的综合应用，反映出知识迁移能力的重要性；2016年天津卷以描绘小灯泡伏安特性曲线为背景，考查了电流表、电压表的改装。

【例4】从下表中选取出适当的实验器材，设计一电路来测量电流表A1的内阻r1，画在下面的方框中，要求方法简捷，有尽可能高的精确度，并能测出多组数据。

器材(代号)规格电流表(A1)量程10 mA,内阻r1待测(约40 Ω)电流表(A2)量程500 μA,内阻r2=750 Ω电压表(V)量程10 V,内阻r3=10 kΩ电阻(R1)阻值约100 Ω,作保护电阻用滑动变阻器(R2)总阻值约50 Ω电池(E)电动势1.5 V,内阻很小开关(S)导线若干

图4

四、实验复习中要重视创造能力的培养

教学的基本任务之一是培养具有一定创造能力的人才，设计的过程蕴含着创造，而创造能力是人类最高层次的认识能力。近几年高考的实验题正是利用设计性实验来引导实验教学向着培养学生创造能力的方向发展，所以我们一定不要拘泥于教材所列实验，要注意扩大学习的视野，注意引导学生探索新的实验原理，提出新的操作思路，设计一些实验过程,以增强综合能力。2003年江苏卷的实验题之一则属于教科书中的重要实验“电阻的测量”，原理也不过是闭合电路的欧姆定律，但本题巧妙之处在于，多用电表虽是待测电阻，却又可充当测量工具——测直流电源的电动势和定值电阻的阻值，真正全方位发挥了多用表的一表多用作用；而在2006年全国卷中则要求利用电流表和已知电阻来测量电压表的内阻，但又不可能将电流表和电压表并联，故只能采取电压表跟合适的电阻并联，电流表测量干路的电流，进而通过电路的基本特点求解；2008年全国卷Ⅰ是验证机械能守恒定律，但并不是利用常规的打点计时器进行，而是借助悬挂在滑轮两侧的质量不同的物体的重力势能及动能的变化来做；2010年全国卷Ⅰ是利用电流表的非常规接法测量电流表的实际量程；而江苏卷则是利用电压表和电阻箱以及定值电阻来测量电源的电动势和内阻，更是与众不同。

【例5】在《验证力的平行四边形定则》的实验中，提供的器材有：方木板、白纸、弹簧秤一个、橡皮条、细绳两条、三角板、刻度尺、图钉(几个)。下面是主要实验步骤：

(1)在桌上平放一方木板，在方木板上铺一张白纸，用图钉把白纸钉在方木板上。

(2)用图钉把橡皮条的一端固定在板上的A点，在橡皮条的另一端拴上两条细绳，细绳另一端系着绳套B、C。

(3)__________________________________________。

(4)__________________________________________。

(5)__________________________________________。

(6)按照一定的标度作出两个力F1和F2的图示。用平行四边形定则求出合力F。

(7)用弹簧秤，通过细绳把橡皮条的结点拉到同一结点位置O，读出弹簧的示数F′，记下细绳的方向。

(8)比较力F′与用平行四边形定则求得的合力F的大小和方向，看它们是否相等。

(9)改变两个分力的大小和夹角，再做两次实验，得出的结论是____________。

以上步骤中有的没有写全，请将不全的地方加以补充。

【解析】本实验中一般提供两个弹簧秤，分别向不同的方向拉动，只要使得橡皮条的结点拉到原来的同一位置即可。由于此处仅仅提供一个弹簧秤，而拉力大小又必须测出，故我们可以分别测量拉力，再作力的图示，故有如下答案：

(3)用弹簧秤勾住绳套B，用手拉住绳套C，互成角度地拉橡皮条，使橡皮条伸长，让结点到达某一位置O。

(4)用铅笔记下O点位置和两条细绳的方向，读出弹簧秤的读数F1。

(5)用弹簧秤钩住绳套C，用手拉住绳套B，沿已记录的两细绳的方向拉橡皮条，仍使结点达到同样位置O，读出弹簧秤的示数F2。

(7)用同一标度作出力F′的图示。

(9)在误差允许范围内，F′与F大小相等，方向相同。

五、试题重视对实验数据处理的考查，注重实验结果的分析和误差分析的考查

在实验设计完成并得到相关实验数据之后，关于实验数据处理的考查和实验结果误差分析的考查也是比较重要的。2001年全国卷是利用半偏法测量电流表的内阻，在给出实验步骤后，要求分析相对误差与电源电动势、电流表量程和电流表的内阻的关系式并进行电动势的计算；2003年全国卷则是测定圆柱形金属导体的电阻率，在得到导体的长度、直径和电阻后，计算电阻率对考生的运算能力是一个严峻的考验；而2005年全国卷Ⅰ实验第(2)问是教材中测电源电动势和内阻的变形实验，与教材中不同的是多了一个定值电阻,题中由于电压表为理想表，故分流影响不计，为减少误差应采用电流表内接法；由于电压表的量程小于电源的电动势，若将电压表直接接在电源两端,无论R′取何值,电压表读数都超过量程，故必须增加一个限流电阻以分得部分电压，设计出实验电路并利用相关物理量即可求出电源电动势和内阻的表达式。显而易见，本题通过实验电路的设计和数据的处理考查了考生独立完成实验和处理实验数据的能力；2011年全国卷Ⅰ考查分子直径的计算，必须准确判断油酸的体积和油膜的面积；2011年上海卷考查电流表内阻的测量，在给出实验电路后要确定器材的选择及实验步骤，进而通过图象求出电流表内阻的表达式;而2011年新课标卷则是测量滑块在斜面上运动的加速度，需要求出相关物理量之间的关系，并根据给出的数据画出图线，更要由画出的图线得到滑块加速度的大小，由此可见实验数据处理的重要性；2016年全国卷Ⅲ是探究物体加速度与其所受合外力之间的关系的实验，求小车质量的计算就比较麻烦。

【例6】某同学在实验室测定一节干电池的电动势和内阻，实验室中有如下器材：

A．待测干电池

B．电流表G(0～3 mA，内电阻r1=20 Ω)

C．电流表A(0～0.6 A，内电阻r2=0.20 Ω)

D．滑动变阻器甲(最大阻值10 Ω)

E．滑动变阻器乙(最大阻值100 Ω)

F．定值电阻R1=100 Ω

G．定值电阻R2=500 Ω

H．定值电阻R3=1.5 kΩ

开关、导线。

由于没有电压表，为此他设计了如图5所示的电路完成了实验要求的测量。

图5

(1)为了方便并能较准确测量，滑动变阻器应选_________，定值电阻应选用_________。(填写器材前的序号)

(2)若某次测量中电流表G的示数为I1，电流表A的示数为I2；改变滑动变阻器的位置后，电流表G的示数为I1′，电流表A的示数为I2′。则可知此电源的内电阻测量值为r=_________，电动势测量值为E=_________。

六、注意发展专题研究能力

中学物理教学大纲指出，在高级中学开展课题研究，是全面培养学生综合运用所学知识的能力、收集和处理信息的能力、分析和解决问题的能力、语言文字表达能力以及团结协作能力的重要环节，这项活动还有利于培养学生独立思考的习惯，激发学生的创新意识。教育部最近颁发的普通高中物理课程标准，也对高中学生在科学探究和物理实验中的科学探究要素提出了一些基本要求。可以说，课题研究是高中物理教学中的新内容。实际上，2002年上海卷中即已出现此类问题，而2008年江苏省的考试大纲对探究实验也有所涉及，故对此要予以高度重视。重视在实验中体现研究性学习，培养学生的创新精神和实验能力。这就要求我们在实验复习中要根据教材内容和学生实验中的方法，选好课题，组织引导学生进行实验研究，并要求写出有研究方案、实验器材、实验研究过程、数据统计与分析、实验方案的优点与不足为主要内容的研究报告。

【例7】科学探究活动通常包括以下环节：提出问题，作出假设，制订计划并设计实验，进行实验收集证据，分析论证，评估交流等。一位同学学习了滑动摩擦力后，怀疑滑动摩擦力可能与接触面积有关，于是他准备用实验探究这个问题。

(1)这位同学认为：滑动摩擦力的大小与接触面积成正比，这属于科学探究活动的_________环节。

(2)为完成本实验，需要自己制作木块，他应制作的木块是下列选项中的_________。

A.各面粗糙程度相同的正方体木块

B.各面粗糙程度不相同的正方体木块

C.各面粗糙程度相同，长宽高各不相等的长方体木块

D.各面粗糙程度不相同，长宽高各不相等的长方体木块

(3)为了测量木块与木板之间的滑动摩擦力，他设计了两种方案，图6中甲是将长木板固定在水平面上，用弹簧测力计水平拉动木板上的木块；图6中乙是用弹簧测力计水平拉住木块，他水平拉动木块下的木板，你认为更利于操作的方案是_________，理由是____________________________________。

图6

【解析】(1)“滑动摩擦力的大小与接触面积成正比”，这仅是该同学的设想，属于科学探究活动的作出假设；

(2)由于需要探究滑动摩擦力的大小与接触面积的关系，则需要制作不同面积的木块，且各面粗糙程度相同，故选择C；

(3)木块与木板之间的滑动摩擦力等于弹簧测力计的读数，甲操作需要匀速拉动木块，且读取运动中的弹簧秤的示数；乙操作只需要木板运动即可，且容易读数，故乙是更利于操作的方案。

值得注意的是，在近年上海试卷中，多次出现DIS的实验试题。所谓DIS(Digital Information System)即数字化信息系统，由“传感器+数据采集器+实验软件包+计算机”构成的新型实验系统。DIS实验系统的工作原理是由各类传感器将实验过程中的物理量转化为电学量，进而由数据采集器将电学量转化成数字量后传输给计算机，同时识别并对数据进行分析处理和输出。这也是科学研究中非常重要的“转化”思想。2014年全国卷Ⅰ即出现了通过数字化信息系统获得了小车加速度与钩码的质量的关系图，考查了一系列问题。DIS实验系统具有操作简单、快速、方便、可靠、准确获得实验数据等特点，减少繁琐的数据处理，同时它具有实验过程的回放功能，从而使实验者更加专注于分析实验本身，加深对实验的理解，必须引起我们的高度重视。

【例8】在“用DIS测电源的电动势和内阻”的实验中：

(1)将待测电池组、滑动变阻器、电流传感器、电压传感器、定值电阻、开关及若干导线连接成电路如图7中甲所示。图中未接导线的A端应接在_________点(选填“B”“C”“D”或“E”)。