管窺高考物理實驗題命題改革的方向

方永根

摘要：本文通過對2008年全國高考理科綜合能力測試（全國卷Ⅰ）的兩個物理實驗題的分析，揭示了高考物理實驗題改革的方向，即遵循《考試大綱》，考查的內容、要求和方法源于教材又超出教材，著重考查考生面對實驗問題時“能靈活地運用已學過的物理理論、實驗方法和實驗儀器去處理問題”的實驗能力。

關鍵詞：高考物理實驗題；方向；能力

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A文章編號：1003-6148(2009)5(S)-0050-3

2008年全國高考理科綜合能力測試（全國卷Ⅰ）的兩個物理實驗題是近年高考物理實驗題中難得一見的好題，試題情景新，但考查的內容、要求和方法源于《考試大綱》要求的教材實驗，要求考生面對新的實驗問題時“能靈活地運用已學過的物理理論、實驗方法和實驗儀器去處理問題”,體現了高考物理實驗題命題改革的方向，對中學物理實驗教學有較好的指導作用。下面分別對其進行分析和點評。

Ⅰ.（6分）如圖1所示，兩個質量各為m1和m2的小物塊A和B，分別系在一條跨過定滑輪的軟繩兩端，已知m1＞m2，現要利用此裝置驗證機械能守恒定律。

（1）若選定物塊A從靜止開始下落的過程進行測量，則需要測量的物理量有______。（在答題卡上對應區域填入選項前的編號）

① 物塊的質量m1、m2。

② 物塊A下落的距離及下落這段距離所用的時間；

③ 物塊B上升的距離及上升這段距離所用的時間；

④ 繩子的長度。

（2）為提高實驗結果的準確程度，某小組同學對此實驗提出以下建議：

① 繩的質量要輕；

② 在“輕質繩”的前提下，繩子越長越好；

③ 盡量保證物塊只沿豎直方向運動，不要搖晃；

④ 兩個物塊的質量之差要盡可能小。

以上建議中確實對提高準確程度有作用的是________。（在答題卡上對應區域填入選項前的編號）

（3）寫出一條上面沒有提到的提高實驗結果準確程度有益的建議：________________________________________。

考點和命題意圖剖析 本題考查考生對“驗證機械能守恒定律”實驗原理和過程的理解及其遷移運用能力。

教材實驗分析 驗證機械能守恒，就是在重物下落過程中選擇兩個物理狀態，通過測量一系列物理量來驗證“重物從初狀態到末狀態的過程中重力勢能的減少等于動能的增加”。初狀態是重物在高h處時，末狀態是重物下落h時，從初狀態到末狀態的過程中重物重力勢能的減少為mgh，動能的增加為12mv2。可見涉及到的物理量有m、g、h、v四個，由于是同一個物體，不需要測m，g取當地的數值，所以需要直接測量的是h，間接測量的是v，測量v的根據是“時間t內的平均速度等于該段時間中點t2時刻的瞬時速度”。在實驗過程中要提高實驗結果的準確程度，就是要保證上述物理量的測量準確。

考題解析 首先確定兩個狀態，初狀態是小物塊A、B都靜止時，末狀態是小物塊A下落或小物塊B上升一定高度時，從初狀態到末狀態的過程中重力勢能的減少為（m1－m2）gh，動能的增加為12(m1+m2)v2。g取當地的數值，不需要測量；由于是兩個不同物體，并且重力勢能的減少的表達式中是（m1－m2），動能的增加的表達式中是（m1＋m2），所以需要測量m1、m2；小物塊A下落的距離h可以直接測量，速度不能直接測量，又如何測量呢？由v=at和h=12at2有v=2ht，所以通過測量h、t可以間接測量速度v。由于物塊A下落的距離和所需時間與物塊B上升的距離和所需時間相等，物塊A和B的速度大小始終相等，所以第（1）問中的②、③選一個即可，答案為①②或①③。

第（2）和（3）問都是關于提高實驗結果的準確程度，分析的出發點是看操作方法是否保證上述物理量測量準確。如果繩有一定的質量，繩就有重力勢能和動能的變化，而關系式中并不包括繩的重力勢能和動能變化，所以繩應為輕繩；繩的長度對測量距離h的準確程度沒有影響；如果物塊不是沿豎直方向運動，有晃動，那么用v=2ht得到的速度就小于真實速度，并且物塊A和B的速度大小不相等；如果兩個物塊的質量之差太小，（m1－m2）和速度都太小，重力勢能的減少值和動能的增加值都太小，不便于驗證，同樣兩個物塊的質量之差太大也不好。所以第（2）問的答案為①③。

第（3）問的答案具有開放性，有利于提升學生的創新性思維，是今年高考物理試題的閃光點。

點評 本題源于教材又高于教材，不同之處是教材中研究對象是一個，本題研究對象有兩個，但實驗的思路是相同的，即通過測量得到重力勢能的減少值和動能的增加值，并比較二者是否相等。其高于教材之處即要求考生在理解教材實驗為什么不需要測重物質量的基礎上，分析得出本實驗需要測小物塊A、B的質量；在知道需要測速度的基礎上，結合實驗具體過程，根據勻變速運動規律，尋找間接測量速度的方法。這種源于教材的變形題，對中學物理的實驗教學有非常好的指導作用。

Ⅱ.（12分）一直流電壓表，量程為1V，內阻為1000Ω。現將一阻值為5000~7000Ω之間的固定電阻R1與此電壓表串聯，以擴大電壓表的量程。為求得擴大后量程的準確值，再給定一直流電源（電動勢E為6~7V，內阻可忽略不計），一阻值R2=2000Ω的固定電阻，兩個單刀開關S1、S2及若干導線。

（1）為達到上述目的，將答題卡上對應的圖連成一個完整的實驗電路圖。

（2）連線完成以后，當S1與S2均閉合時，電壓表的示數為0.90V；當S1閉合，S2斷開時，電壓表的示數為0.70V。由此可以計算出改裝后電壓表的量程為__________V，電源電動勢為__________V。

考點和命題意圖剖析 綜合考查兩個實驗考點，即“把電流表改裝為電壓表”和“測定電源的電動勢和內阻”，要求考生根據給定的實驗條件，設計實驗完成實驗任務。實驗條件的給出具有隱蔽性，考查考生用已學過的物理理論、實驗方法和實驗儀器去分析問題和解決問題的能力。

教材實驗分析 由“把電流表改裝為電壓表”可以引申出“改裝電表”系列實驗，共同之處是要先根據分流或者分壓原理計算需要并聯或者串聯的電阻的阻值。“測定電源的電動勢和內阻”也可以引申出系列實驗。本題給定的實驗條件和實驗電路圖與教材有所不同，共同之處是根據閉合電路歐姆定律列方程求解。

考題解析 分析設計性實驗問題的四個步驟是：首先，清楚實驗任務是什么；其次，明白給定的實驗條件有哪些；然后，回憶已學過的哪些物理理論、實驗方法和實驗儀器可以完成這樣的實驗任務；最后，根據這些條件、要求，利用學過的實驗方法，設計實驗，完成任務。

本題的任務是“求得擴大后量程的準確值”。給定的實驗條件有：量程和內阻已知的電壓表、阻值在5000～7000Ω之間的定值電阻R1、與開關S2配合使用的定值電阻R2（類似一個電阻箱，只是只能取0、2000Ω兩個值）、內阻可忽略的電源E、開關S1和若干導線。根據在“把電流表改裝為電壓表”中學過的物理理論，“擴大后量程的準確值”U璵=r璯+R1r璯，r璯和U0是已知的，所以“求得擴大后量程的準確值”實際上就是要求測量定值電阻R1的準確值，即實驗任務轉換為：用給定的實驗條件測R1的準確值，同時測量電源電動勢E。這時就要求考生想到如何遷移運用在“測定電源的電動勢和內阻”實驗中學到的方法。

將R1視為電源的內阻，實驗器材實際上是：一只內阻r璯已知的電壓表、一個只有兩個取值的類似電阻箱。由于電壓表只能測自身兩端的電壓，即r璯兩端的電壓，考生會想到兩種方法，一是R2與電壓表的內阻r璯并聯，通過開關S2改變R2的取值，得到兩組電壓表示數和R2的取值，即（U1,R21）和（U2,R22），但由于閉合開關S2后電壓表讀數為零，所以這種方法不恰當；二是R2與電壓表的內阻r璯串聯，通過開關S2改變R2的取值，得到兩組數據，即（U1,R21）和（U2,R22），R21=0，R22=2000Ω，根據閉合電路歐姆定律列方程求解，這種方法就是正解。

第（1）問，在連接實驗電路圖時，關鍵是明確待測電阻R1、電壓表和定值電阻R2是串聯，開關S2與定值電阻R2并聯，以取得0和2000Ω兩個有效電阻值。實驗電路圖如圖3。

第（2）問，根據閉合電路歐姆定律列出的兩個方程分別是

E=U1r璯(r璯+R1+R21)和

E=U2r璯(r璯+R1+R22)，

解得E=6.3V，R1=6000Ω，

由U璵=r璯+R1r璯U0

得U璵=7V。

點評 本題要求運用學過的兩個實驗的原理和方法，設計實驗完成實驗任務，要求考生按分析設計性實驗問題的四個步驟進行分析。本題考查了兩個實驗考點，都不同于教材實驗，側重于對這兩個實驗的實驗原理和實驗方法的遷移運用能力的考查。本題是把小量程的電壓表改裝成大量程的電壓表，不同于“把電流表改裝為電壓表”，但原量程U0、擴大后量程U璵、內阻r璯和并聯的電阻R1之間關系的確定方法是相似的。本題的特別之處是要求將R1視為電源的內阻，用一只電壓表和一個類似電阻箱測定電源的電動勢和內阻，不同于教材上用一只電壓表、一只電流表和滑動變阻器測定電源的電動勢和內阻，但實驗原理都是閉合電路歐姆定律。

附：答案

Ⅰ.（1）①②或①③；

（2）①③；

（3）例如，“對同一高度多次進行測量取平均值”；“選取受力后相對伸長盡量小的繩”等等。

Ⅱ.（1）參考答案圖如圖3。

（2）7；6.3。

(欄目編輯陳 潔)