高考实验题的创新途径及解题策略

胡道成

高考评价体系提出了“基础性、综合性、应用性、创新性”的考查要求.经过对2023年全国各地高考物理实验题的研究发现：高考实验题正朝着加强探究性、开放性的方向发展，考查学生的物理思想方法运用与创新迁移能力.现通过几道试题剖析指向核心素养的高考物理实验题的命题创新途径及解题策略．

一、拓展教材基本实验，考查创新迁移能力

通过设计“源于教材，高于教材”的情境类实验题，落实基础性，注重综合性，强化创新性，体现了高考命题改革与新课程标准的有效衔接，考查学生的现场学习能力和物理思想方法的迁移运用能力.要求学生能运用所学物理概念、规律、原理和认知经验来解决陌生问题，得出新的结论，充分体现了对“实验探究能力”的考查要求．

【例1】（2023年湖南卷）某物理兴趣小组在学习《单摆》后设计了一种异形摆，并通过实验研究它的周期.如图1，异形摆是由一根刚性轻杆和两个质量、大小相同的摆球组成的.它的周期可以用一个等效摆长L′来表示，即T=2πL′/g.他们通过查阅相关资料发现L′=x2+L2/x+L，周期为T=2πL′/g=2πx2+L2/（L+x）g，异形摆的周期与x的关系如图2，在图2中横坐标为x，纵坐标为周期T，则

（1）如果异形摆作简谐运动，则异形摆周期与振幅___ （填“有关”或“无关”）．

（2）当x增大时，则异形摆的周期如何变化：___ ．

（3）当x为___ 时（用L表示），异形摆周期有最小值．

【解析】（1）从异形摆的周期表达式中可以看出，其周期与振幅无关.周期表达式中没有的物理量通常都是无关的，这是最基本的逻辑推理方法．

（2）从图2中可以获取信息：随着横坐标x的增大，纵坐标为周期T先减小后增大．

【点评】本题通过拓展教材实验构建“异形单摆”来考查学生的现场学习能力和迁移创新能力，（1）（2）两个问题的解答只要从所给公式和图像中正确获取信息，就很容易得到正确答案；而第（3）问则属于“应用数学处理物理问题能力”的要求，要用“均值不等式”求极值，也可用“求导数”来解决，对学生的数学知识要求较高，我们要注意数学知识在求极值过程中的应用．

二、设计新颖的创新实验，考查学生的知识综合运用能力

采用教材中不存在的新颖创新实验，要求学生把学习到的物理知识、物理研究方法迁移到新的问题情境之中，通过主动思考，去探索新的问题、寻找新规律、归纳新结论.对学生的观察能力、理论联系实际能力、灵活运用所学知识分析和解决实际问题能力的要求较高，凸显物理思想方法的迁移应用，注重综合性和创新性．

【例2】（2023年湖南卷）某同学探究弹簧振子振动周期与质量的关系，实验装置如图3所示，轻质弹簧上端悬挂在铁架台上，下端挂有钩码，钩码下表面吸附一个小磁铁，其正下方放置智能手机，手机中的磁传感器可以采集磁感应强度实时变化的数据并输出图像，实验步骤如下：

（1）测出钩码和小磁铁的总质量m；

（2）在弹簧下端挂上该钩码和小磁铁，使弹簧振子在竖直方向做简谐运动，打开手机的磁传感器软件，此时磁传感器记录的磁感应强度变化周期等于弹簧振子振动周期；

（3）某次采集到的磁感应强度B的大小随时间t变化的图像如图4所示，从图中可以算出弹簧振子振动的周期T=___ （用“t0”表示）；

（4）改变钩码质量，重复上述步骤；

（5）实验测得数据如下表所示，分析数据可知，弹簧振子振动周期的平方与质量的关系是______ （填“线性的”或“非线性的”）；

（6）设弹簧的劲度系数为k，根据实验结果并结合物理量的单位关系，弹簧振子振动周期的表达式可能是______ （填正確答案标号）；

（7）除偶然误差外，写出一条本实验中可能产生误差的原因__________________．

【解析】（3）由某次采集到的磁感应强度B的大小随时间t变化的图像，可以看出弹簧振子完成了10次全振动，可算出弹簧振子振动周期T=t0/10．

（5）分析数据可知：每次实验改变钩码的质量Δm=0.010kg，而对应的T2变化量约为ΔT2=0.040s2，可见弹簧振子振动周期的平方与质量的关系是线性的．

（6）周期的单位是s，而弹簧劲度系数k的单位为N/m=kg/s2，只有表达式2πk/m才能使运算后的单位是s，所以弹簧振子振动周期的表达式可能是T=2πm/k，选项A正确．

（7）除偶然误差外，产生实验误差的原因就是系统误差，实验中可能产生偶然误差的原因是存在空气阻力．

【点评】本题通过“手机的磁传感器软件来记录磁感应强度变化周期，从而得到竖直方向上做简谐运动的弹簧振子的振动周期”来命题，用“转换法”来命制新颖的创新实验以考查学生的猜想能力、归纳思维和科学方法迁移能力.“量纲分析法”及数据规律的探究很契合物理实验的逻辑要求，而且要靠科学方法把物理知识综合到一起，才能顺利解答问题，充分体现了对“科学方法”的考查要求．

三、创新实验原理及器材，考查实验探究能力

围绕某一实验目的，结合相关的理论知识，创新实验原理和器材，要求考生通过观察实验装置，阅读题目对实验操作过程的描述及物理图像、图表等来获取有用信息，并通过类比、联想等思维方法来建构物理过程模型，寻找“创新实验”所使用的基本物理知识和规律、原理，识别这种“换汤不换药”的创新途径，再结合所学理论知识，列出含有待测量的原理公式，才能对题目进行解答．

【例3】（2023年湖北卷） 某同学利用测质量的小型家用电子秤，设计了测量木块和木板间动摩擦因数μ的实验.如图5所示，木板和木块A放在水平桌面上，电子秤放在水平地面上，木块A和放在电子秤上的重物B通过跨过定滑轮的轻绳相连.调节滑轮，使其与木块A间的轻绳水平，与重物B间的轻绳竖直.在木块A上放置n（n=0，1，2，3，4，5）个砝码（电子秤称得每个砝码的质量m0为20.0g），向左拉动木板的同时，记录电子秤的对应示数m．

（1）实验中，拉动木板时______ （填“必须”或“不必”）保持匀速．

（2）用mA和mB分别表示木块A和重物B的质量，则m和mA、mB、m0、μ、n所满足的关系式为m=

______ ．

（3）根据测量数据在坐标纸上绘制出m-n图像，如图6所示，可得木块A和木板间的动摩擦因数μ=______（保留2位有效数字）．

【解析】（1）实验是通过测出木块与木板间的滑动摩擦力来测摩擦因数的，而两者之间的滑动摩擦力大小与相对速度大小无关，所以，拉动木板时不必保持匀速．

（2）以重物B为研究对象，根据力的平衡条件可知：T+FN=mBg；T=f=μ（mA+nm0）g；FN=mg；于是：mg=mBg-μ（mA+nm0）g；解得

m=mB-μ（mA+nm0）即为所需关系式．

（3）结合图像可知，需要将m=mB-μ（mA+nm0）整理成关于n的一次函数关系式：m=mB-μmA-μm0·n，由图像斜率可得：μm0=59-19/5=8，所以μ=0.40．

【点评】这类题需要学生充分发挥“类比思维”能力，从实验目的出发，结合相关的理论知识，思考实验原理和过程，寻找到“创新实验”与基本实验在原理上、操作过程上、数据处理技巧上的相似性，迁移课本实验的基本思路进行突破.测物体之间的摩擦因数还会让物体经历一个有滑动摩擦力的运动过程，用“牛顿第二定律”或“动能定律”写出一个含有摩擦因数的方程，据此即可测出物体之间的摩擦因数，我们要充分发挥“聚合思维”能力，将题给器材与物理知识有机结合，才能突破这类实验创新题．

四、创新实验目的进行新颖设问，考查数据处理能力

直接采用课本中的实验装置和原理来设计新颖的设问方式，不仅能体现实验命题的“创新性”要求，对考生的观察能力、推理论证能力、灵活运用所学知识分析和解决实际问题能力进行考查. 这类创新实验与课本实验在“实验步骤”“注意事项”“误差分析”等方面几乎一致，只是在实验数据处理上需要考生根据所学的物理规律，找出与实验图像相符的函数关系式，再由图像的斜率、截距所表示的物理意义进行推导、求解而得出待求的物理量．

【例4】（2023年全国甲卷）某同学利用如图7所示的实验装置探究物体做直线运动时平均速度与时间的关系.让小车左端和纸带相连.右端用细绳跨过定滑轮和钩码相连.钩码下落，带动小车运动，打点计时器打出纸带.某次实验得到的纸带和相关数据如图8所示．

（1）已知打出图8中相邻两个计数点的时间间隔均为0.1s，以打出A点时小车位置为初始位置，将打出BCDEF各点时小车的位移Δx填到表中.小车发生位移所用时间和平均速度分别为Δt和，表中ΔxAD=___ cm，AD=___cm/s．

（3）从实验结果可知，小车运动的-Δt图线可以视为一条直线，此直线方程用=kΔt+b表示，其中k=___ cm/s2，b=___ cm/s.（结果均保留3位有效数字）

（4）根据（3）中的直线方程可以判定小车做匀加速直线运动，得到打出A点时小车速度大小vA=___，小车的加速度大小a=___ .（结果用字母k、b表示）

【解析】（1）从纸带上的数据可得：ΔxAD=6.60cm+8.00cm+9.40cm=24.00cm；小车从A运动到D的时间为Δt=3×0.1s=0.3s，所以AD=ΔxAD/Δt=80.00cm/s．

（2）将AD对应的数据点（0.3s，80.00cm/s）画在小车平均速度随时间的变化关系图像中，如图10所示．

（3）過尽可能多的点作出直线，如图11，此直线方程为=kΔt+b，其图像斜率k=68.0cm/s2，在纵轴上的截距b=59.0cm/s．

（4）由x=vAΔt+1/2a（Δt）2，可得x/Δt=vA+1/2aΔt ，即=vA+1/2aΔt，所以打出A点时速度大小vA=b，再由k=1/2a可得小车的加速度a=2k．

【点评】这道题在实验基本原理、器材（装置）上都与课本上测瞬时速度和加速度的实验一致，但实验目的改为“平均速度与时间的关系”以便设计新颖的问题，考查学生的实验数据的处理能力.解答过程中需要将匀变速直线运动规律及其相关知识点与题给实验装置、操作过程有机结合起来，从图像上寻找题目中的纵坐标和横坐标所表示的物理量，再对所列式子进行变形，整理成一次函数“y=kx+b”的形式以满足题目的坐标要求，进而从图像的斜率、截距上去获取待求量，这是“图像法”处理数据的基本思维模式.题中求A点的速度vA实际上是“外延法”的运用，题中是通过物理公式来实现的．

五、采用新仪器设计新实验，考查创新思维能力

依据新教材内容及物理课程标准，采用传感器等新仪器来设计创新实验，增强基础性与创新性，体现了对知识融会贯通、学以致用的“综合性”考查要求，对学生的独立思考和运用所学物理知识分析问题、解决问题的能力要求较高，是考查创新思维能力的主要途径。

【例5】（2023年山东卷）电容储能已经在电动汽车，风、光发电、脉冲电源等方面得到广泛应用。某同学设计图12（甲）所示电路，探究不同电压下电容器的充、放电过程，器材如下：

电容器C（额定电压10V，电容标识不清）；

电源E（电动势12V，内阻不计）；电阻箱R1（阻值0～99999.9Ω）；

滑动变阻器R2（最大阻值20Ω，额定电流2A）；

电压表V（量程15V，内阻很大）；发光二极管D1、D2，开关S1、S2，电流传感器，计算机，导线若干。

回答以下问题：

（1）按照图12（甲）连接电路，闭合开关S1，若要升高电容器充电电压，滑动变阻器滑片应向_________端滑动（填“a”或“b”）。

（2）调节滑动变阻器滑片位置，电压表表盘如图12（乙）所示，示数为_________V（保留1位小数）。

（3）继续调节滑动变阻器滑片位置，电压表示数为8.0V时，开关S2掷向1，得到电容器充电过程的I-t图像，如图12（丙）所示。借鉴“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中估算油膜面积的方法，根据图像可估算出充电结束后，电容器存储的电荷量为______C（结果保留2位有效数字）。

（4）本电路中所使用电容器的电容约为_________F（结果保留2位有效数字）。

（5）电容器充電后，将开关S2掷向2，发光二极管_________（填“D1”或“D2”）闪光。

【解析】（1）因滑动变阻器采用分压式接法，故要升高电容器充电电压，滑动变阻器滑片应向b端滑动；（2）电压表量程为15V，每个小格表示0.5V，故示数为6.5V；（3）I-t图像所围的面积等于电容器存储的电荷量，从图上数得面积为38个小格，每小格表示0.2×10-3×0.5C=1.0×10-4C，故电容器存储的电荷量为q=3.8×10-3C；（4）由电容的定义式C=q/U得：C=4.8×10-4F；（5）电容器左边极板带正电，开关S2掷向2时，电容器通过D1放电，故D1闪光。

【点评】本题将人教版必修三“金属丝电阻率的测量”所用的基本电路与拓展学习内容“用传感器观察电容器的放电过程”结合起来，通过设计新的电路来设置问题，利用传感器直接得到I-t图像，只需识别出图线所围的面积等于电容器存储的电荷量，再通过“数格子”的方法即可求出电容器存储的电荷量；通过观察可知电容器左边的极板与电源相连，所以电容器通过D1放电而使其闪光。对这类“组合式”的实验创新题，只要进行适当的拆分即可运用所学理论知识进行破解。

总之，在“科学教育”受到高度重视的背景下，高考物理实验题的“创新性”特征会越来越明显.实验题的命题设计会依据基本实验或基本器材，从实验目的、实验原理、实验思想方法、实验器材（装置）、实验规程、实验数据处理、实验注意事项、实验误差分析及反思评价等方面进行改造、整合、嫁接、迁移等拓展延伸处理，突出考查学生的实验探究能力、思想方法迁移能力、理论知识综合应用能力，在“问题解决”中全面考查学生的创新能力，实验复习过程中需要关注“聚合思维”与“发散思维”能力的提升．

责任编辑 李平安