高考物理实验试题特点分析与研究

王 刚 贾晓轩

(1.河北省邯郸市教育科学研究所 2.河北省邯郸市一中)

众所周知，物理学是一门以实验为基础的自然科学.实验题一直以来都是最具学科特色的考查形式之一，也是考查探究能力和创新能力的最好题型.分析近年来的高考物理实验题，不难发现，试题越发突出“以考查实验探究能力为关键点”，“增强开放性和探究性，考查学生的创新意识”.

1 以考查实验探究能力为关键点

自然科学的本质属性使得实验探究能力成为物理学科关键能力的重要组成部分.高考物理实验题立足于真实情境，引导学生从不同角度思考问题、作出假设，既考查实验探究方案的制定，又重视实验数据的获取与分析，尤其考查学生通过数据分析发现规律、形成结论并进行科学解释的能力.因此，高考物理实验题凸显了“科学探究”，成为落实核心素养“科学探究”要素的重要载体.

例1(2021年全国乙卷)一实验小组利用图1-甲所示的电路测量一电池的电动势E(约1.5V)和内阻r(小于2Ω).图中电压表量程为1 V，内阻RV＝380.0Ω;定值电阻R0＝20.0Ω;电阻箱R最大阻值为999.9Ω;S为开关.按电路图连接电路，完成下列填空:

图1

(1)为保护电压表，闭合开关前，电阻箱接入电路的电阻值可以选_________Ω(填“5.0”或“15.0”);

(2)闭合开关，多次调节电阻箱，记录下阻值R和电压表的相应读数U;

(3)根据图1-甲所示电路，用R、R0、RV、E和r表示＝________;

(5)通过图1-乙可得E＝_________V (保留2位小数)，r＝_________Ω(保留1位小数);

(6)若将图1-甲中的电压表当成理想电表，得到的电源电动势为E′，由此产生的误差为×100%＝_________%.

答案(1)15.0.

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

本题设计了测量电池电动势和内阻的实验，第(1)问中学生需要根据题给相关数据，考虑电压表的安全性选择保护电阻的阻值;第(3)、(5)问对实验原理进行考查，要求学生能写出闭合电路欧姆定律的表达式，结合图表信息求解相关物理量，完成实验;第(6)问分析实验的系统误差，是对实验原理的进一步考查，已经给出相对误差表达式，需要学生计算误差的具体值.整体来看，该题对学生的理解能力、分析综合能力、信息加工能力及实验探究能力有较高要求.

例2(2020年全国Ⅲ卷)某同学利用图2所示装置验证动能定理.调整木板的倾角平衡摩擦阻力后，挂上钩码，钩码下落，带动小车运动并打出纸带.某次实验得到的纸带及相关数据如图3所示.

图2

图3

已知打出图3中相邻两点的时间间隔为0.02s，从图3给出的数据中可以得到，打出B点时小车的速度大小vB＝________m·s－1，打出P点时小车的速度大小vP＝________m·s－1(结果均保留2位小数).

若要验证动能定理，除了需测量钩码的质量和小车的质量外，还需要从图3给出的数据中求得的物理量为_________.

答案0.36;1.80;B、P之间的距离.

本题要求学生根据对实验原理的理解，补充完成实验还需要测量的物理量，考查学生对实验原理和条件是否全面理解，对实验探究能力、理解能力、分析综合能力有较高要求.同时，题目还要求学生能对实验测得的数据进行简单处理，对学生的信息加工能力有一定要求.

例3(2019年全国Ⅰ卷)某同学要将一量程为250μA 的微安表改装为量程为20 mA 的电流表.该同学测得微安表内阻为1200Ω，经计算后将一阻值为R的电阻与该微安表连接，进行改装.然后利用一标准毫安表，根据图4-甲所示电路对改装后的电表进行检测(虚线框内是改装后的电表).

(1)根据题给条件，将图4-乙中的实物连接.

图4

(2)当标准毫安表的示数为16.0mA 时，微安表的指针位置如图5所示，由此可以推测出改装的电表量程不是预期值，而是_________.(填正确答案标号)

图5

A.18mA B.21mA

C.25mA D.28mA

(3)产生上述问题的原因可能是_________.(填正确答案标号)

A.微安表内阻测量错误，实际内阻大于1200Ω

B.微安表内阻测量错误，实际内阻小于1200Ω

C.R值计算错误，接入的电阻偏小

D.R值计算错误，接入的电阻偏大

(4)要达到预期目的，无论测得的内阻值是否正确，都不必重新测量，只需要将阻值为R的电阻换为一个阻值为kR的电阻即可，其中k＝________.

答案(1)见图6.

图6

本题以微安表改装成电流表为情境，考查电流表改装实验中电阻的连接方式及电表校准等相关问题.第(1)问实物图连接，是对学生的具体实验操作的考查;第(2)问要根据标准表的示数和改装表的指针位置分析电表改装后的实际量程;第(3)问分析量程偏大的可能原因;第(4)问进一步对改装电表的校准结果进行分析，计算实现实验目的所需的电阻与实际所并电阻的关系.第(2)、(3)、(4)问都是对于电表校准的设问，既是对实验原理的深入考查，也是对学生的实验探究能力的全面考查.

2 增强开放性和探究性，考查学生的创新意识

物理实验试题往往会体现鲜明的创新导向，这是开放性和探究性的具体体现.试题的创新角度大致有两种:呈现方式和设问方式.呈现方式的创新即通过设计新颖的实验情境，要求学生将物理实验知识、方法和技能与新的情境相结合完成实验.设问方式的创新可以引导学生从不同角度认识问题，鼓励学生主动思考、发散思维，让学生从标准答案的束缚中得到解放.这种创新题目突出考查学生运用基本物理规律解决问题的能力，引导学生从解题训练向解决问题转化，促进了学生学科素养的提升.同时，在一定程度上降低大量刷题、机械训练的收益，助力减轻学生学业负担.

在呈现方式上进行创新的代表性题目有:

例4(2021 年河北省4月份第二次适应性测试)土壤的干湿状态是影响植物生长的重要指标.某同学为了实现智能浇水，准备设计一个简易土壤湿度计，实验方案如图7所示:

图7

(1)将两电极以合适的间距和深度插入待测土壤.使用多用电表电阻挡测量不同土壤湿度下电极间的电阻，数据如表1所示.

表1

(2)实验室提供器材如下:

电源E1(电动势1.5V，内阻不计);

电源E2(电动势5V，内阻不计);

电流表A(量程200μA，内阻约500Ω);

定值电阻R1(阻值1kΩ);

定值电阻R2(阻值20kΩ);

开关和导线若干.

为使土壤的干湿状态在湿度计表盘上最优显示，应选用电源________，定值电阻________.(填写对应的器材符号)

(3)请按照示例在电流表表盘上标出与土壤“湿度适中”对应的示数范围.

图8

答案(2)E2;R2.(3)略.

本题目以设计土壤湿度计为情境，考查电路相关知识.1)要求学生能根据已给信息选择合适的实验器材;2)需要结合实验原理及表格数据在表盘上标注示数信息.题目呈现新的情境和新的信息，对学生的实验设计能力和探究能力有较高要求.但是仔细分析题目所考查的内容不难发现，涉及的物理知识及方法均为基础知识和基本方法，实验器材的选择是电阻测量类实验的常见考法.

在设问方式上进行创新的代表性题目有:

例5(2019年全国Ⅲ卷)甲乙两位同学设计了利用数码相机的连拍功能测重力加速度的实验.实验中，甲同学负责释放金属小球，乙同学负责在小球自由下落的时候拍照.已知相机每间隔0.1s拍1 幅照片.

(1)若要从拍得的照片中获取必要信息，在此实验中还必须使用的器材是______.(填正确答案标号)

A.米尺 B.秒表 C.光电门 D.天平

(2)简述你选择的器材在本实验中的使用方法.

答:_______.

(3)实验中两同学由连续3幅照片上小球的位置a、b和c得到ab＝24.5cm、ac＝58.7cm，则该地的重力加速度大小为g＝_______m·s－2.(保留2位有效数字)

答案(1)A.(2)将米尺竖直放置，使小球下落时尽量靠近米尺.(3)9.7.

第(1)问学生需要在理解实验原理的基础上确定需要测量的物理量，进而确定所需器材，设问较为常规;第(2)问则是一个开放性问题，考查学生如何从相同时间间隔内拍摄的小球下落照片中测量出小球下落的位移，参考答案给出的是一个比较常用的方法，即让甲同学将米尺竖直放置，然后尽量在靠近米尺的位置把小球释放，让小球沿米尺刻度下落(小球不应遮挡米尺刻度).实验方法并不唯一，也可以选择让小球沿靠近实验室内墙壁下落，实验前先用米尺在小球自由下落路径上标好刻度等.该题目设问具有一定的开放性、探究性，鼓励学生从多角度思考问题，有助于培养学生的创新意识.

综上可见，高考实验试题是在考查实验探究能力，而不是考实验本身.因此，近年来的实验题似乎“游离”于教材中的学生实验或演示实验之外，实则是经过适当拓展整合成题，试题由单一、基本形式向综合、高层次方向发展，突出了对实验原理的理解、利用物理图像处理实验数据、分析实验影响因素等能力的考查，注重了对考生的实验探究能力、知识迁移能力的考查.面对新高考，死记硬背实验原理、实验器材、实验步骤、实验数据、误差分析，往往达不到理想的效果.高考实验题千变万化，但不变的是实验原理和方法.只有把原理弄清楚，才能在面对题目变式时从根源上找到解决问题的方法.此外，高考实验试题对实验的可参与性非常重视，应给予足够重视.在复习备考中，要重视基本仪器的使用和基本方法的运用，重视对实验现象和实验过程的体验.要积极创造条件，有意识地进行实验设计、实验操作、实验条件控制、实验数据处理和实验结论分析等方面的训练，努力提升实验素养.

(完)