2023年高考物理以实验为背景的非实验题分析与启示

许 文

(华中科技大学附属中学)

2023年高考全国卷与各新高考省份试题的题型和往年一样,均为三个稳定的题型,即选择题、实验题与计算题。实验题一般分为两个小题,分别考查高中物理力学与电学中主要实验的创新与拓展。但除实验题型考查实验内容之外,在2023年高考物理试题中的选择题型与计算题型中,均出现了以实验为背景的试题,这使问题的分析与求解更具有可操作的实验探究性,同时也更进一步凸显物理实验在发展学生核心素养方面的重要地位和作用。试题引导高中开足开好实验课,鼓励学生开展各种科学探究活动,提高实验技能和创新能力。本文通过对2023年高考物理几道以实验为背景的非实验题型的分析,探索新课程理念下高考物理实验复习备考策略。

一、试题分析

1.(2023全国乙卷第17题)一学生小组在探究电磁感应现象时,进行了如下比较实验。用图1(a)所示的缠绕方式,将漆包线分别绕在几何尺寸相同的有机玻璃管和金属铝管上,漆包线的两端与电流传感器接通,两管皆竖直放置。将一很小的强磁体分别从管的上端由静止释放,在管内下落至管的下端。实验中电流传感器测得的两管上流过漆包线的电流I随时间t的变化分别如图1(b)和(c)所示。分析可知

(a)

( )

A.图1(c)是用玻璃管获得的图像

B.在铝管中下落,小磁体做匀变速运动

C.在玻璃管中下落,小磁体受到的电磁阻力始终保持不变

D.用铝管时测得的电流第一个峰到最后一个峰的时间间隔比用玻璃管时的短

【命题立意】本题通过在几何尺寸相同的有机玻璃管和金属铝管上自绕相同线圈,对比探究电磁感应现象。要求学生根据有机玻璃管和金属铝管对线圈中产生电磁感应现象的不同影响,从逆向思维角度考查学生的分析判断能力、推理论证能力。通过本题的分析与求解,让学生体会物理学习要注意动手实验,对实验现象的观察、分析与比较,提升学生对物理实验探究的兴趣,发展学生的证据意识。

【解析】强磁体在铝管中运动,铝管中会形成涡流,强磁体在玻璃管中运动,玻璃管中不会形成涡流。强磁体在铝管中加速后很快达到平衡状态,做匀速直线运动,而玻璃管中的磁体则一直做加速运动,故由图像可知图1(c)的脉冲电流峰值不断增大,说明强磁体的速度在增大,与玻璃管中磁体的运动情况相符,选项A正确;在铝管中下落,脉冲电流的峰值一样,磁通量的变化率相同,故小磁体做匀速运动,选项B错误;在玻璃管中下落,玻璃管为绝缘体,线圈的脉冲电流峰值增大,电流不断在变化,故小磁体受到的电磁阻力在不断变化,选项C错误;强磁体分别从管的上端由静止释放,磁体在铝管线圈间做匀速运动,在玻璃管线圈间做加速运动,故用铝管时测得的电流第一个峰到最后一个峰的时间间隔比用玻璃管时的长,选项D错误。

2.(2023全国甲卷第21题)(多选)一有机玻璃管竖直放在水平地面上,管上有漆包线绕成的线圈,线圈两端与电流传感器相连,线圈在玻璃管上部的5匝均匀分布,下部的3匝也均匀分布。下部相邻两匝间距离大于上部相邻两匝间距离,如图2(a)所示。现让一个很小的强磁体在玻璃管内沿轴线从上端口由静止下落,电流传感器测得线圈是电流I随时间t的变化如图2(b)所示。则

(a)

( )

A.小磁体在玻璃管内下降速度越来越快

B.下落过程中,小磁体的N极、S极上下颠倒了8次

C.下落过程中,小磁体受到的电磁阻力始终保持不变

D.与上部相比,小磁体通过线圈下部的过程中,磁通量变化率的最大值更大

【命题立意】本题从经典的电磁阻尼现象演示实验出发,从多个设问角度考查学生对电磁感应原理的深入理解和掌握。题中给出了实验过程及实验现象(或实验数据),要求学生对实验现象进行解释,考查了科学探究中的“解释”要素。“解释”离不开科学思维维度等核心素养要素的参与。意在通过设置新颖的问题情境,增强试题的灵活性,考查学生阅读理解、推理分析、迁移应用等关键能力和科学建模、实践探究、科学论证等学科核心素养;引导学生领悟小实验中所蕴含的大道理,形成认真严谨的科学态度。

【解后反思】以上两题分别从不同角度考查了对电磁感应现象的探究。第1题从涡流的形成、电磁阻尼的角度对实验现象对比设问;第2题从楞次定律、法拉第电磁感应定律的角度考查对电磁感应过程的理解与现象的分析。这两题的实验情景均来自当前人教版教材选择性必修第二册P29小实验“做一做”(图3)和P37练习与应用第3题(图4)。试题将教材内容改编后呈现出来,两题均将图3中的单匝线圈变成了多匝线圈,将电压表变成了电流传感器,把记录电压表的示数以及发生的现象通过I-t图像体现出来。试题与教材上小实验的习题相比,虽然存在以上变化,但其考查的物理本质却是相同的。

图3

图4

从知识考查的角度看,试题均定性考查了法拉第电磁感应定律、电磁阻尼、感应电流产生的条件等物理概念的认识与理解;从核心素养考查的角度看,试题主要考查了物理学科核心素养中物理观念中的相互作用观和运动观、科学思维中的科学推理和科学论证以及科学探究中的分析与论证等要素;从考查能力的角度看,试题主要考查了学生的理解能力、模型建构能力、推理论证能力、创新能力和实验能力。第2题命题人立足考生视角,很好地命制了干扰选项,把能够分析物理过程本质的考生和“形式判断”考生区分开来,如只从“形式判断”的考生很可能根据图2(b)感应电流方向周期性变化,误认为磁体在管内有颠倒现象,从而错选B。

3.(2023湖南卷第9题)(多选)某同学自制了一个手摇交流发电机,如图5所示,大轮与小轮通过皮带传动(皮带不打滑),半径之比为4∶1,小轮与线圈固定在同一转轴上。线圈是由漆包线绕制而成的边长为L的正方形,共n匝,总阻值为R。磁体间磁场可视为磁感应强度大小为B的匀强磁场,大轮以角速度ω匀速转动,带动小轮及线圈绕转轴转动,转轴与磁场方向垂直。线圈通过导线、滑环和电刷连接一个阻值恒为R的灯泡,假设发电时灯泡能发光且工作在额定电压以内。下列说法正确的是

( )

A.线圈转动的角速度为4ω

D.若仅将小轮半径变为原来的两倍,则灯泡变得更亮

【命题立意】本题以手摇交流发电机装置为情境,考查学生对皮带传动装置的理解与应用,理解正弦交流电的产生与描述,要求学生正确认识交流电的有效值,并能用有效值分析解决实际问题。通过以手摇交流发电机装置实验为背景,拉近学生与生活的距离,培养学生的物质观念、运动观念、相互作用观念、能量观念等物理观念与科学探究、科学思维、科学论证等物理核心素养。

【解后反思】本题中手摇交流发电机是人教版选择性必修第二册P48的演示实验,在演示实验中,手摇交流发电机与不同颜色的两二极管及电流计组成实验电路,通过二极管的发光情况观察线圈转动过程中交流电的流向。试题将两二极管与电流表换成一个小灯泡,通过小灯泡的亮度变化判断灯泡两端交流电压有效值的变化。试题以此演示实验装置为背景,突出了课堂演示实验在物理教学中的重大作用,体现了知识的应用价值,考查学生对物理学基础知识的理解和基本技能的掌握与运用,在理解基本概念与基本规律的过程中感悟和体验物理学的基本方法以及知识的形成过程,树立起对科学、社会、人类正确的情感态度与价值观。这种构题方式能更好地深化教材,做到理论联系实际,培养创新意识和实践能力。

图6

(1)求油滴a与b的质量之比;

(2)判断油滴a与b所带电荷的正负,并求a、b所带电荷量绝对值之比。

【命题立意】本题以密立根油滴实验为情境,与科学实践紧密结合,考查学生的受力分析、电场力、力的平衡条件的理解与运用能力。意在通过设置新颖的问题情境,增强试题的灵活性,考查学生阅读理解、推理分析、迁移应用及应用数学分析处理物理问题等关键能力和科学建模、实践探究、科学论证等学科核心素养;引导学生领悟经典物理实验中所蕴含的物理思想,形成认真严谨的科学态度,倡导理论联系实际,体现学以致用。

【解后反思】密立根油滴实验被评为物理学史上十大经典实验之一,高中物理各种版本的教材中都有对该实验的介绍(如图7)。本题以密立根油滴实验为背景,将真实的实验现象转换为问题情境,让学生对不同对象和不同过程进行对比分析与判断,从中初步感受人类利用运动性质巧妙探究粒子带电微粒电性与电荷量的研究方法。不仅让学生了解密立根所用的基本实验方法,更要借鉴与学习密立根采用宏观的力学模式揭示微观粒子的量子本性的物理构思、精湛的实验设计和严肃的科学作风,从而更好地提高我们的实验素质和能力。2022年广东卷物理压轴题也以密立根油滴实验为情境命制,两试题的物理情境和思维内核完全相同,均给定了油滴受到空气阻力的大小的影响因素。只是影响因素略有不同。从命题角度来说,这里揭示了一种改编试题的方法,即对所给的关键条件进行适当合理的改变。从高考备考角度来说,高考真题才是经典中的经典,研做高考真题,以高考题为桥梁注重教材研读,注重知识网络建构和深度学习,这才是备考的上策。

图7

二、教学启示

物理学是一门以实验为基础的学科,实验在物理学的研究与发展中有着不可替代的作用。新高考理念下的物理试题,除了保留传统的实验题型外,还在选择题与计算题中植入了一定量的以实验为背景的试题,在最近几年的高考试题中均有体现。高考物理试题的这一新变化,明确告诉我们要加强物理实验的教学与研究,对高考物理实验的研究,不仅仅是针对教材中安排的学生分组实验,对一些演示实验、课外探究拓展性实验,也要引起重视。我们要做到以下几点:

1.对教材中的分组实验、演示实验或教材阅读栏目中的介绍性、拓展性实验,要充分地利用实验室现有条件或身边的一切可以利用的物品,或自制实验器材,尽量让学生亲自动手实验,给学生展示完整的实验探究过程;对实验中形成的结论分析,要求学生将理论与实验相结合,培养学生的证据意识。

2.充分运用信息技术开展物理实验教学研究。在当前的各种版本的新教材中,出现了大量的运用信息技术开展物理实验的课程内容或素材资源。智能手机就是一个很好的信息技术工具,为一些探究性物理实验的开展提供了技术支撑。在当前的学习环境下,引导学生充分利用好智能手机这一信息工具,开展实验探究与体验,能体现出“双减”政策下的要求,提高学生的学习兴趣,减少“机械刷题”现象,让学生在实验中掌握基本实验原理、内化实验方法,能举一反三,主动地进行探究和深层次学习,吸引学生回归教材、回归课堂、回归物理本真。

3.注重短视频平台中的一些科普小实验,这些小实验有可能作为高考题的原型。因条件限制,对不能动手展开的物理实验,如原子核反应、人造卫星的发射与变轨、回旋加速器等反映当前最新科技成果的相关实验,可让学生观看相关视频素材,使学生形成一定的感性认识,再引导学生用所学的物理知识分析这些实验中的思想方法,让学生看图说话,使教材中的这类实验插图成为原型启发。关注科技的发展与应用,了解物理学在科技发展中的应用情况,尝试用有关的物理知识和技能解释科技成果及一些自然现象与生活中的问题,切实感受到物理知识的应用价值,获得对物理思想方法的理解和感悟。