芻議高考實驗題“源于課本而高于課本”

卞志榮

（江蘇省天一中學，江蘇 無錫 214101）

近幾年來，高考實驗考查越來越全面，越來越靈活，試題已不局限于課本、大綱規(guī)定的幾個基本實驗，而是在此基礎上進行重組與創(chuàng)新，旨在考查學生是否熟悉這些常規(guī)實驗器材，是否真正動手做過這些實驗，是否能靈活運用學過的理論、實驗方法去處理、分析、研究某些未做過的實驗，包括設計某些比較簡單的實驗等.現(xiàn)以2013屆實驗備考中出現(xiàn)的部分具有代表性的創(chuàng)新實驗題的分析，說明不管試題如何創(chuàng)新，理解大綱規(guī)定實驗的實驗原理和方法是解決創(chuàng)新性實驗問題的根本所在.

1 實驗原理的創(chuàng)新導致實驗控制條件發(fā)生變化

圖1

2011年江蘇高考實驗題第10題“驗證力的平行四邊形定則”裝置如圖1所示.彈簧測力計A掛于固定點P，下端用細線掛一重物M.彈簧測力計E的一端用細線系于O點，手持另一端向左拉，使結點O靜止在某位置.分別讀出彈簧測力計A和E的示數(shù)，并在貼于豎直木板的白紙上記錄O點的位置和拉線的方向.其中第（2）小題為有關實驗操作選擇題，（D）選項是“改變拉力，進行多次實驗，每次都要使O點靜止在同一位置”是否正確？

圖2

分析：這個命題的提出，源于課本但又不同于課本.課本上“驗證力的平行四邊形定則”實驗采用的是圖2裝置.若考生不遷移比較，就可能得出“（D）選項正確”的錯誤結論.首先應弄清課本中實驗中“改變拉力，進行多次實驗，每次都要使O點靜止在同一位置”的目的是保持每次實驗時兩拉力的合力大小和方向不變，然后細細比較可以發(fā)現(xiàn)，本實驗不管兩個分力大小和方向如何改變以及O點的位置在何處，都保證了合力的大小和方向總是保持不變，始終為重物的重力，所以不需要每次都要使O點靜止在同一位置，這樣的改進使得操作更為方便，也拓展了學生實驗視野.

又如，用圖3的實驗裝置探究加速度與力的關系時，需要滿足“滑塊質量遠大于鉤碼和力傳感器的總質量”嗎？

圖3

分析：課本上“探究物體加速度與受合外力關系”的實驗裝置如圖4所示.小車受到重力、支持力、細線的拉力和摩擦阻力，為了簡化，在平衡摩擦力的情況下，小車所受合外力等于細線的拉力，由于細線拉力測量的不便，理論推導可知，當滿足砝碼和砝碼盤的總質量遠小于小車的質量時，細線的拉力就近似等于砝碼和砝碼盤的重力，即小車受到的合外力.而圖3中細線的拉力直接用力的傳感器測出，不需要像圖4中那樣滿足近似處理的條件，故不要求滑塊質量遠大于鉤碼和力傳感器的總質量.這也體現(xiàn)了現(xiàn)代科技給實驗帶來了極大的方便.

點評：實驗原理是實驗的核心內(nèi)容，講清實驗基本原理是復習的重要環(huán)節(jié)，也是高三復習容易忽視之處.充分理解實驗原理，有利于掌握實際操作過程中的規(guī)定、要求和注意事項，識別實驗創(chuàng)新之處的本質.因此，我們在實驗教學中，要有意識地強化對實驗原理和方法的理解教學，引導學生將實驗問題與有關理論知識結合起來思考，就能較為順利地解決這些創(chuàng)新性實驗問題.

圖4

2 實驗方案的創(chuàng)新導致實驗測量結果發(fā)生變化

“驗證機械能守恒定律”的實驗可以采用如圖5所示的甲或乙方案來進行.甲方案為用自由落體實驗驗證機械能守恒定律，乙方案為用斜面小車實驗驗證機械能守恒定律.請比較這兩種方案，哪一個方案好一些？

圖5

分析：甲方案是課本中采用的典型方案，乙方案是對原實驗的一次突破，主要亮點在于靈活應用所學知識來設計驗證機械能守恒實驗，開闊了學生的實驗視野.這兩種方案從原理上來說都可以驗證機械能守恒定律.哪一種更優(yōu)呢？需要我們通過比較，在這里無非是從實驗操作的方便性、準確性來作出判斷.由于機械能守恒的條件是只有重力做功，在實際操作的方案中不可能不受到各種阻力，因此實驗方案應該使摩擦力越小越好，故甲方案好一些.

點評：評價實驗更能體現(xiàn)實驗素養(yǎng).一個實驗可能有不同的實驗方案.在眾多的實驗方案中可能是實現(xiàn)實驗目的原理發(fā)生了變化；可能是進行實驗操作的條件發(fā)生了變化；也可能是實驗情景發(fā)生了變化等，我們應該從關鍵點或有變化之處入手，進行比較，引導學生評估實驗方法，比較每一種方案的優(yōu)劣，使實驗方案達到最優(yōu)化.

3 實驗器材的參數(shù)告知不同導致電路設計發(fā)生變化

某學生用伏安法測一節(jié)干電池的電動勢和內(nèi)阻，除了待測電池和開關、導線若干外，還備有下列器材選用：

（A）電流表 A1：量程0～0.6A，內(nèi)阻為0.4Ω.

（B）電流表A2：量程0～0.6A，內(nèi)阻約為0.1Ω.

（C）電壓表V1：量程0～3V，內(nèi)阻未知.

（D）電壓表V2：量程0～15V，內(nèi)阻未知.

（E）滑動變阻器R1：0～10Ω，2A.

（F）滑動變阻器R2：0～100Ω，1A.

圖6

（1）為了要盡可能準確地測量電源的電動勢和內(nèi)阻，請在上述器材中選擇適當?shù)钠鞑模嫵鰧嶒炿娐穲D.

（2）根據(jù)實驗中電流表和電壓表的示數(shù)得到了如圖6所示的UI圖像，則干電池的電動勢和內(nèi)電阻各是多少.

分析：由于電壓表V2量程太大和滑動變阻器R2阻值太大不可選用，這一點學生極易判斷，難點在于電流表的選擇.雖然兩電流表的量程相同，但A1內(nèi)阻較大，通常電流表選用內(nèi)阻較小的，但由于A1內(nèi)阻為確定值，故選用A1且采用圖7所示的電路進行實驗，既可以使得電動勢測量準確，又可以消除電流表內(nèi)阻對電池內(nèi)阻測量產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，而不采用課本上的實驗電路如圖8.但由于學生長期接受了課本上的實驗方案，而且認為利用圖8測得的電動勢和內(nèi)阻雖然都偏小，但小得都不多，而用圖7進行實驗測得的電動勢雖然準確，但內(nèi)阻偏得太大，思維定勢造成錯誤.殊不知，本題所給器材中有一電流表內(nèi)阻已知，可以消除電流表內(nèi)阻帶來的系統(tǒng)誤差.由UI圖像可以求得電動勢E＝1.5V，內(nèi)阻

點評：伏安法測干電池的電動勢和內(nèi)阻由常規(guī)內(nèi)接法轉化為電流表內(nèi)阻已知的外接法，以消除系統(tǒng)誤差.利用相同的器材，變更實驗條件，巧妙地將系統(tǒng)誤差化解于無形中，以該方案為藍本派生出來的一系列實驗能夠很好地考查學生對實驗原理的理解和新情景中的分析能力、遷移能力.

圖7

圖8

4 不同實驗方案同時測量導致數(shù)據(jù)處理方法發(fā)生變化

在測定水果電池的電動勢和內(nèi)阻時，某實驗小組選取相同的實驗器材，分別用圖9中的甲、乙兩種電路進行實驗.其中一種電路測得的實驗數(shù)據(jù)作出的UI圖線，如圖丙中圖線1所示，另一電路測得的實驗數(shù)據(jù)如表1.

表1

圖9

（2）圖線1所對應實驗電路是甲還是乙？

（3）消除電表內(nèi)阻產(chǎn)生的誤差，電源的電動勢E和內(nèi)電阻r分別是多少？

分析：題中要消除電表內(nèi)阻產(chǎn)生的誤差，求出準確的測量值，可是兩電表的內(nèi)阻不知，無法用甲、乙兩種電路中的任何一個直接消除電表內(nèi)阻造成的系統(tǒng)誤差，但是如果我們真正理解這兩種電路產(chǎn)生誤差的原因，通過遷移和比較，就能靈活求得電動勢和內(nèi)阻的準確值.對于甲電路，由于電流表的分壓造成路端電壓測量偏小，我們采用極限分析的方法可知，當干路中電流為0時，電流表分壓為0，即此時測量值和真實值相同，在UI圖線中縱軸截距數(shù)據(jù)點零誤差；同理，乙電路是由于電壓表的分流造成干路中電流測量偏小，同樣采用極限分析的方法，當路端電壓為0時，電壓表分流為0，即此時測量值和真實值相同，在UI圖線中橫軸截距數(shù)據(jù)點零誤差.如果能將這兩個電路的零誤差點巧妙結合起來進行處理，照樣能消除在不知兩電表內(nèi)阻的情況下產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，由此可求得電源電動勢和內(nèi)電阻的準確值.即電動勢為甲電路所測數(shù)據(jù)畫出的UI圖線上的縱截距，內(nèi)電阻由乙電路測得數(shù)據(jù)畫出的UI圖線上的橫截距I短，再根據(jù)求得，或者由兩個零誤差點連接成直線即為電源的外特性曲線的真實圖線.

點評：由本題可以進一步領略到高考試題“源于課本，高于課本，出活題，考能力”的思想，必須靈活應用所學基礎知識，具備比較、分析和綜合應用能力，巧妙地選擇甲事件中有用的信息與乙事件中有用的信息，并能找到二者的聯(lián)系，才能順利地解決問題.可謂方法靈活、能力要求之高啊.

5 改變由實驗目的來選擇實驗儀器為由測量數(shù)據(jù)判斷實驗中所用儀器器材

一個小燈泡的額定電壓為2.0V，額定電流約為0.5 A.除了開關，導線若干外，選用下列實驗器材進行實驗，并利用實驗數(shù)據(jù)描繪和研究小燈泡的伏安特性曲線.

（A）電源E：電動勢為3.0V，內(nèi)阻不計.

（B）電壓表V1：量程為0～3V，內(nèi)阻約為1kΩ.

（C）電壓表V2：量程為0～15V，內(nèi)阻約為4kΩ.

（D）電流表A1：量程為0～3A，內(nèi)阻約為0.1Ω.

（E）電流表 A2：量程為0～0.6A，內(nèi)阻約為0.6A.

（F）滑動變阻器R1：最大阻值為10Ω，額定電流為0.6A.

（G）滑動變阻器R2：最大阻值為15Ω，額定電流為1.0A.

（H）滑動變阻器R3：最大阻值為150Ω，額定電流為1.0A.

實驗得到數(shù)據(jù)（I和U分別表示通過小燈泡的電流和加在小燈泡兩端的電壓）如表2.

表2

請選擇符合條件的電壓表、電流表和滑動變阻器.

圖10

點評：選擇儀器器材應遵循安全性、方便性、準確性基本原則.這類問題的常規(guī)思路是根據(jù)實驗原理和實驗目的，從提供的儀器器材中選擇符合要求的儀器器材來設計電路進行實驗.本題一反常態(tài)，程序倒置，由實驗測得的數(shù)據(jù)，結合具體電路分析判斷實驗中所用的儀器器材.這樣的逆向思維過程平時講練較少，學生有點不太習慣，但在科學研究中對實驗數(shù)據(jù)和結果的分析、論證及其修正的研究方法太常見不過了.

6 改變由實驗目的來設計電路為由測量數(shù)據(jù)判定實驗電路

在“測定金屬的電阻率”實驗中，所用測量儀器均已校準，首先用伏安法測量電阻絲的電阻Rx.實驗所用器材為：電池組（電動勢3V，內(nèi)阻1Ω），電流表（內(nèi)阻0.1Ω），電壓表（內(nèi)阻約3kΩ），滑動變阻器R（0～20Ω，額定電流2A），開關，導線若干.某小組學生利用以上器材正確連接好電路，進行實驗測量，記錄數(shù)據(jù)如表3.

表3

由以上實驗數(shù)據(jù)可知：他們測量Rx是采用圖11中的哪一個電路圖？

圖11

點評：電學實驗中的電路的設計一直是高考的熱點之一.通常是由測量要求和所給的儀器器材來設計控制電路和測量電路，同時考慮到設計簡單、適用，所用儀器少，節(jié)能環(huán)保等因素.這類問題能很好地考查考生的實驗創(chuàng)新能力，它要求考生能將課本中分組實驗和演示實驗的實驗原理和實驗方法遷移到新的背景中，只有在深刻理解物理概念和規(guī)律，并能靈活應用，才能完成創(chuàng)新性的實驗設計.本題設計巧妙，要求由實驗結果分析判斷實驗所用電路，綜合考查了用所學知識解決實驗實際問題的能力.

總之，高考實驗題千變?nèi)f化，但不變的是實驗原理和方法.在實驗復習中切不可舍本求末，搞題海戰(zhàn)術，而應該緊緊抓住原理和方法這個“綱”，做到綱舉目張.適時選擇典型實驗問題，引導學生溯課本之源，習方法所得，遷移解決實際問題，達到實驗素養(yǎng)和能力的提升.

1 何勇軍.不同實驗對 M?m條件的不同要求［J］.物理教師，2011（2）.

2 吳天峰.“探究加速度與力、質量的關系”實驗的遷移和創(chuàng)新［J］.物理教師，2011（9）.

3 卞志榮.高考設計性實驗試題的突破方法研究［J］.中學物理教學參考，2008（1）.

4 左祥勝.高考物理實驗復習應回歸何處——近5年江蘇高考物理實驗試題的分析思考［J］.物理教師，2013（8）.