江蘇物理高考實驗試題研究及教學(xué)建議

錢嘉偉

(江蘇省南京市中華中學(xué)，江蘇　南京　210019)

江蘇物理高考實驗試題研究及教學(xué)建議

錢嘉偉

(江蘇省南京市中華中學(xué)，江蘇南京210019)

摘要：江蘇物理高考實驗試題正逐漸從知識立意向能力立意轉(zhuǎn)型.針對試題的命題特點，實驗教學(xué)可從基本儀器的使用、實驗操作規(guī)范的養(yǎng)成、開放性問題的訓(xùn)練、作圖能力以及數(shù)據(jù)分析處理能力、創(chuàng)新實驗設(shè)計能力的培養(yǎng)等方面做一些努力.

關(guān)鍵詞：江蘇高考；物理實驗試題；實驗教學(xué)

多年來，江蘇高考卷的實驗題題量(2題，一“力”、一“電”)與分值(18分)一直保持穩(wěn)定，占全卷的15%，其目的在于有足夠的空間滿足對實驗技能的考查，引導(dǎo)師生重視物理實驗教學(xué)，彰顯學(xué)科特點，與課標(biāo)理念相呼應(yīng).下表為新高考方案實施后，歷年實驗試題匯總.

年份題號(分值)范圍實驗內(nèi)容考查要點200810(8分)電學(xué)質(zhì)量一定的導(dǎo)線電阻與截面積的關(guān)系基本儀器讀數(shù)、實驗原理、數(shù)據(jù)分析11(10分)力學(xué)驗證機械能守恒定律新情景實驗、實驗原理、作圖、誤差分析200910(8分)電學(xué)研究圓臺狀合金棒的電阻新情景實驗、實驗原理、基本儀器讀數(shù)、電路分析和連線11(10分)力學(xué)探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關(guān)系紙帶處理、作圖、誤差分析201010(8分)電學(xué)測量電源的電動勢和內(nèi)阻實驗操作規(guī)范、數(shù)據(jù)選取、解讀線性圖像信息11(10分)力學(xué)探究受空氣阻力時,物體運動速度隨時間的變化規(guī)律實驗操作規(guī)范、作圖、實驗原理、解讀圖像所含信息201110(8分)力學(xué)驗證“力的平行四邊形定則”基本儀器讀數(shù)、實驗操作規(guī)范、課本分組實驗的變通方案11(10分)電學(xué)測量電阻的阻值(替代法)作圖、實驗原理(替代法)、實驗機智、誤差分析201210(8分)電學(xué)使用多用電表探測黑箱基本儀器讀數(shù)、實驗操作規(guī)范、電路連接方式11(10分)力學(xué)測定木塊與桌面之間的動摩擦因數(shù)實驗原理、作圖、解讀線性圖像信息、誤差分析201310(8分)電學(xué)探究小燈泡的電功率實驗操作規(guī)范、電阻的選擇、控制電路的選擇和接線、作圖11(10分)力學(xué)利用自由落體運動測定重力加速度新情景實驗、實驗原理、誤差分析和處理201410(8分)電學(xué)測合金的電阻率基本儀器讀數(shù)和使用、電路故障分析、實驗建議11(10分)力學(xué)驗證“力的平行四邊形定則”新情景實驗、作圖、實驗建議201510(8分)電學(xué)測量電源的電動勢和內(nèi)阻電表讀數(shù)、作圖并得出數(shù)據(jù)、誤差分析11(10分)力學(xué)探究小磁鐵下落速度變化實驗操作規(guī)范、紙帶處理、信息的獲取與分析

自2008年物理只作為等級科目計入高考以來，由于學(xué)科地位的邊緣化，導(dǎo)致物理教學(xué)課時的明顯不足，因此不少教師的教學(xué)過程能簡則簡.他們更多地關(guān)注知識的應(yīng)用和習(xí)題的訓(xùn)練，而淡化了知識的本源及生成過程.實驗教學(xué)能“看(看實驗視頻)”就不“做”、能“講(教師講實驗步驟、現(xiàn)象、注意事項)”就不“做”的現(xiàn)象更是不同程度地普遍存在.功利化的實驗教學(xué)教出來的學(xué)生往往底子不厚，積累不足，應(yīng)變不靈.實踐證明：在高考實驗試題逐漸從知識立意向能力立意轉(zhuǎn)型的今天，這些學(xué)生難以適應(yīng)高考要求.我們看到在歷年的高考甚至大大小小、各種級別的模考中，實驗作答都是“重災(zāi)區(qū)”.結(jié)合近年江蘇實驗試題的命題特點，個人認(rèn)為物理實驗教學(xué)可從以下方面做一些改進與嘗試.

1重視基本儀器和實驗操作規(guī)范的教學(xué)

基本儀器的使用和實驗操作規(guī)范是高考的熱點，年年試題都有涉及.《考試說明》中要求的“會使用實驗儀器”包含了解基本儀器的構(gòu)造、工作原理、熟悉基本儀器主要部分的名稱、掌握其操作方法并能對測量結(jié)果進行正確的讀數(shù)等.2012年江蘇高考考查多用電表的機械調(diào)零旋鈕，2014年考查螺旋測微器的緊固螺釘，鮮明地體現(xiàn)出注重細(xì)節(jié)，努力嘗試在紙質(zhì)化條件下區(qū)別“做”實驗和“講”實驗的命題意圖.

中學(xué)階段的實驗操作規(guī)范主要包括：使用打點計時器時應(yīng)先接通電源，后釋放紙帶；電學(xué)實驗中接通電路時，滑動變阻器(限流接法)或電阻箱的阻值要調(diào)至最大；滑動變阻器在采用分壓接法的情況下接通電路時，要使滑動觸片移至輸出電壓為“0”的一端；拆除電路時先斷開電源等.如果缺少親身實踐，學(xué)生難以形成正確的實驗意識和良好的實驗習(xí)慣，做這方面的實驗題時，會出現(xiàn)“想不到”或“沒把握”的狀況.

上述問題的解決之道中最重要的一點就是要開足實驗，為學(xué)生提供實踐的機會.

例1：欲用游標(biāo)卡尺測一小球的直徑，甲、乙兩位同學(xué)分別按如圖方式夾住小球，其中操作正確的是(填“甲”或“乙”)，讀數(shù)前還需旋緊緊固螺釘(填“A”或“B”).

圖1

解析：本題主要考查對游標(biāo)卡尺結(jié)構(gòu)部件的認(rèn)識及操作細(xì)節(jié).游標(biāo)卡尺的一對外側(cè)腳夾緊時，其靠尺身的一端是有間隙的，故被測小球應(yīng)放置在靠近外側(cè)腳的刀刃處(如圖乙)或刀刃間，乙同學(xué)的操作正確.緊固螺釘為A，部件B只是為方便用拇指移動游標(biāo)尺而設(shè)計的，B本身只是游標(biāo)尺上一個固定的半圓形凸起，不能旋轉(zhuǎn).

游標(biāo)卡尺、螺旋測微器、多用電表的讀數(shù)和使用方法的教學(xué)效率一直比較低下.老師反復(fù)復(fù)習(xí)，學(xué)生很快遺忘.不過這倒不能責(zé)怪學(xué)生，他們平時很少有機會接觸到這些儀器，自然生疏.俗話說“熟能生巧”，建議在教室里常年放置一些基本測量工具，學(xué)生在課余飯后“玩一玩”，如量量紙張的厚度、筆芯的直徑，測測人體在干濕不同情況下的阻值等等，讓學(xué)生在“玩”的過程中熟悉工具，記住規(guī)律.例1可能會考倒一片學(xué)生，但是學(xué)生在將游標(biāo)卡尺“玩”得非常熟練后，正確率無疑會大大提高.

2重視學(xué)生作圖能力、數(shù)據(jù)分析處理能力的培養(yǎng)

對實驗數(shù)據(jù)進行正確地分析與處理，從而得出正確的實驗結(jié)果或結(jié)論，是一種重要的實驗技能.8年來江蘇高考幾乎每年都有一道此類實驗試題.

作圖法處理數(shù)據(jù)由于具有直觀、容易發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，從而減小誤差的優(yōu)點而較為常用.平時教學(xué)中，教師需要就作圖可能出現(xiàn)的常見問題進行有針對性地指導(dǎo)與訓(xùn)練，如：坐標(biāo)軸不打箭頭，不寫所代表的物理量或不寫物理量的單位；坐標(biāo)軸無標(biāo)度或標(biāo)度不合理導(dǎo)致圖像偏在坐標(biāo)紙的某一局域；非線性曲線連線不光滑或線性圖像畫成折線等(如圖2).

人眼能夠輕易地分辨出直線與曲線的不同，但要看出兩條相近的曲線的函數(shù)關(guān)系相差多少則非常困難.可能基于這一原因，中學(xué)物理比較強調(diào)線性圖像的應(yīng)用和考查.線性圖像的斜率和截距都有特定的物理含義，是解題的關(guān)鍵所在.教師要引導(dǎo)學(xué)生從實驗原理出發(fā)，根據(jù)圖像指定的因變量和自變量進行公式變形，寫出線性方程的標(biāo)準(zhǔn)形式，結(jié)合圖像的斜率和截距推導(dǎo)得出未知量.

例2：某同學(xué)通過查找資料自己動手制作了一個電池.該同學(xué)想測量一下這個電池的電動勢E和內(nèi)電阻r，但是從實驗室只借到一個開關(guān)、一個電阻箱(最大阻值為999.9Ω，可當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)電阻用)、一只電流表(量程Ig=0.6A，內(nèi)阻rg=0.1Ω)和若干導(dǎo)線.他接通開關(guān)，逐次改變電阻箱的阻值R，讀出與R對應(yīng)的電流表的示數(shù)I，并作記錄.處理實驗數(shù)據(jù)時，首先計算出每個電流值I的倒數(shù)1/I，再制作R-1/I坐標(biāo)圖(如圖3).

(1) 請在坐標(biāo)紙上根據(jù)已描繪出的坐標(biāo)點連成圖線；

(2) 根據(jù)描繪所得的圖線可以求出這個電池的電動勢E=________V，內(nèi)電阻r=________Ω.

圖4

需要提醒的是，在科學(xué)探究的過程中，可能會因某些因素的存在，使得本該為線性的圖像曲線化，因此我們要防止片面突出線性圖像，以免對學(xué)生產(chǎn)生誤導(dǎo)，例見江蘇2013年高考第10題.

3重視創(chuàng)新實驗設(shè)計能力的培養(yǎng)和開放性問題的訓(xùn)練

在高考物理試題中，學(xué)生熟悉的教材上的經(jīng)典實驗通常不會原樣重現(xiàn)，多數(shù)情況下會在新情景中有所變化，做到源于教材，卻高于教材.設(shè)計性實驗的出現(xiàn)，將實驗考查推向了極致，要求學(xué)生借鑒日常通過分組實驗、演示實驗所積累的實驗技能，根據(jù)實驗?zāi)康模诶斫鈱嶒炘淼幕A(chǔ)上，靈活運用知識，創(chuàng)造性地解決問題.設(shè)計性實驗一般通過實驗的操作、數(shù)據(jù)的處理、誤差的分析等設(shè)問展開，重點考查學(xué)生的思維習(xí)慣、科學(xué)品質(zhì)和綜合能力.例如2013年的“滴水法”測重力加速度，2014年的驗證“平行四邊形定則”，構(gòu)思巧妙，能力立意很高，充分體現(xiàn)了高考的選拔功能.

學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力不可能一蹴而就，需要教師平時依據(jù)基本實驗進行拓展性教學(xué)，潛移默化地影響學(xué)生.例如，研究牛頓第二定律的實驗裝置，我們可以引導(dǎo)學(xué)生充分挖掘裝置的功能，考慮是否能夠驗證機械能守恒定律？是否可以測定滑塊和軌道間的動摩擦因數(shù)？再如，驗證機械能守恒定律的實驗，從器材的角度可從落體法拓展到氣墊導(dǎo)軌法；從研究對象的角度，可從單體法遷移到系統(tǒng)法.

例3：某同學(xué)設(shè)計了如圖5所示實驗，驗證物塊A、B組成的系統(tǒng)機械能守恒.物塊B裝有一寬度很窄的擋光片，測得擋光片寬度為d，A和B(含擋光片)的質(zhì)量分別為m1和m2.系統(tǒng)由靜止釋放，當(dāng)擋光片通過光電門(固定光電門的裝置未畫出)時，可通過計算機系統(tǒng)記錄擋光時間Δt.改變擋光片到光電門的距離h，重復(fù)實驗，采集多組數(shù)據(jù)(A未碰到滑輪).

(1) 若某次記錄的擋光時間為Δt1，則擋光片到達(dá)光電門處時，B的速度大小為…………；

(3) 在實際運動過程中，系統(tǒng)動能的增加量ΔEk小于系統(tǒng)勢能的減少量ΔEp，指出產(chǎn)生這個系統(tǒng)誤差除空氣阻力外的兩個可能原因：

；

.

(3) 本問中滑輪不光滑、滑輪質(zhì)量不可忽略(即滑輪也獲得動能)都可能產(chǎn)生誤差.

旨在鑒別考生優(yōu)化和反思能力的開放性問題已成為近年實驗考試常態(tài).2015年的兩道實驗題分別考查電源電動勢、內(nèi)阻測量誤差增大的原因和電磁阻尼原理分析；2013年的電學(xué)實驗題要求提出減小誤差的方案，并討論能否消除電磁鐵磁性延遲消失對實驗結(jié)果的誤差影響……實踐證明，這種帶有逆向思維味道的考法確實觸到了學(xué)生的軟肋，在平時的教學(xué)中有意識地進行諸如例3第(3)問的訓(xùn)練十分必要.

《物理之友》主要欄目簡介

1.名師論壇：名師視點成長之路

2.教學(xué)研究：教學(xué)設(shè)計案例研究學(xué)案設(shè)計

3.實驗研究：實驗教學(xué)實驗創(chuàng)新

4.現(xiàn)代教育技術(shù)：多媒體技術(shù)與物理教學(xué)DIS物理實驗

5.試題研究：解題指導(dǎo)中考、高考、奧賽、自主招生命題研究

6.STS研究：物理學(xué)史物理·生活·社會

7.學(xué)生園地：學(xué)生創(chuàng)新學(xué)生論文