高考全國卷“自由落體運動”實驗賞析與教學啟示

劉利瀾 李德安

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

力學實驗是高考的重要考查內容，把握高考實驗試題的命題特征能有效提高實驗教學的效率．本文以自由落體運動實驗為例，梳理2010-2019年間的22份高考全國卷力學實驗，發現其中有4次考查了自由落體運動實驗．實驗的方法靈活，情境多變，實驗目的不局限于測量重力加速度，實驗裝置亦不受打點計時器的束縛．命題角度和考查情境雖存在差別，但也按一定規律發展，將4個自由落體運動實驗按命題特征可分為3類：原型實驗、發展型實驗、情境型實驗[1]，賞析近10年全國卷自由落體運動實驗的命題特點，以期對高中物理實驗教學有所啟示．

1 原型實驗

該類實驗與教材實驗相差無幾，以學科知識為實驗情境，關注學生對實驗的基礎知識與技能的掌握情況，展現實驗的整體性．

【例1】(2010年高考新課標第22題)利用圖1所示的裝置可以研究自由落體運動．實驗中需要調整好儀器，接通打點計時器的電源，松開紙帶，使重物下落．打點計時器會在紙帶上打出一系列的小點．

(1)為了測試重物下落的加速度，還需要的實驗器材有______(填入正確選項前的字母)

A．天平 B．秒表 C．米尺

(2)若實驗中所得到的重物下落的加速度值小于當地的重物加速度值，而實驗操作與數據處理均無錯誤，寫出一個你認為可能引起此誤差的原因__________．

圖1 2010年高考全國新課標第22題圖

2010年新課標力學實驗試題重現了教材實驗，選擇性地考查了儀器選擇和誤差分析兩方面的內容．第(1)問選擇自由落體測重力加速度的實驗儀器和第(2)問分析引起實驗結果偏小的原因，都屬于基礎的內容．該題要求學生熟悉該實驗操作過程，明確實驗的誤差來源，在具體的學科知識背景中考查學生的基本實驗能力．該題具有一定的開放性，填空題的題型設置，滲透了對學生語言表達能力的考查．但僅以一道選擇題和填空題考查學生對實驗過程的理解，難體現學生對自由落體運動實驗的掌握程度．

原型實驗與教材實驗基本相同，無法區分學生是具備實驗能力還是“背記”了實驗知識．因此，以原型實驗為基礎衍生了系列發展型實驗，命題角度更加豐富，試題命制逐步從知識導向過渡到能力導向．

2 發展型實驗

該類實驗的特點是以原型實驗為背景，通過實驗原理、器材、步驟、數據采集做巧妙的改進以達到新的實驗目的．將物理基礎知識整合后遷移到新的實驗情境中，對學生轉換思想和構建模型的能力要求增高．

【例2】(2016年高考全國Ⅰ卷第22題)某同學用圖2(a)所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律，其中打點計時器的電源為交流電源，可以使用的頻率有220 Hz，30 Hz和40 Hz，打出紙帶的一部分如圖2(b)所示．

圖2 2016年高考全國Ⅰ卷第22 題圖

該同學在實驗中沒有記錄交流電的頻率f，需要用實驗數據和其他條件進行推算．

(1)若從打出的紙帶可判定重物勻加速下落，利用f和圖2(b)中給出的物理量可以寫出：在打點計時器打出B點時，重物下落的速度大小為______，打出C點時重物下落的速度大小為______，重物下落的加速度大小為______．

(2)已測得s1= 8．89 cm，s2= 9．50 cm，s3=10．10 cm；當重力加速度大小為9．80 m/s2，實驗中重物受到的平均阻力大小約為其重力的1%．由此推算出f為______Hz．

發展型實驗雖設計新穎，但實驗模型較為理想，較抽象的實驗難以在現實場景中實現，因此，實驗試題命制開始從能力導向的發展型實驗走向素養導向的情境型實驗．

3 情境型實驗

該類實驗具有兩個明顯的特征是情境性和實踐性[2]，創設情境從以學科知識為背景的實驗情境中過渡到以社會生活為主的實驗情境中，情境性與實踐性也是STSE的兩個顯著特征，體現了STSE情境化試題的命題思想[3]．

【例3】(2018年高考全國Ⅲ卷第22題)甲、乙兩同學通過下面的實驗測量人的反應時間．實驗步驟如下：

(1)甲用兩個手指輕輕捏住量程為L的木尺上端，讓木尺自然下垂．乙把手放在尺的下端(位置恰好處于L刻度處，但未碰到尺)，準備用手指夾住下落的尺．

(2)甲在不通知乙的情況下，突然松手，尺子下落；乙看到尺子下落后快速用手指夾住尺子．若夾住尺子的位置刻度為L1，重力加速度大小為g，則乙的反應時間為______(用L，L1和g表示)．

(3)已知當地的重力加速度大小g=9．80 m/s2，L=30．0 cm，L1=10．4 cm，乙的反應時間為______s．(結果保留2位有效數字)

(4)寫出一條提高測量結果準確程度的建議：______．

2018年高考全國Ⅲ卷高考力學實驗測人的反應時間，在真實情境中創設試題．該題利用運動距離和重力加速度逆向求解時間，第(2)問使用測量物理量推算反應時間的表達式，第(3)問分析數據求解反應時間，題目考查了學生的推理計算和數據分析能力，內容難度適中，考查學生的綜合實驗能力及在具體的情境中解決問題的能力．試題意在引導學生回歸教材，將理論與生活聯系，滲透物理知識源于真實問題場景的思想．

該題素材出現在人教版《物理·必修1》教材中“自由落體運動”章節的“做一做”欄目，是學生學習過程中易忽略的實驗內容．真實情境與生活的聯系不僅體現在物理實驗場景的改變上，還體現在科技前沿與物理實驗的融合中．

【例4】(2019年高考全國Ⅲ卷第22 題)甲、乙兩位同學設計了利用數碼相機的連拍功能測重力加速度的實驗．實驗中，甲同學負責釋放金屬小球，乙同學負責在小球自由下落的時候拍照．已知相機每間隔0．1 s拍1幅照片．

(1)若要從拍得的照片中獲取必要的信息，在此實驗中還必須使用的器材是______．(填正確答案標號)

A.米尺 B．秒表 C．光電門 D．天平

(2)簡述你選擇的器材在本實驗中的使用方法．

(3)實驗中兩同學由連續3幅照片上小球的位置a，b和c得到ab=24．5 cm，ac=58．7 cm，則該地的重力加速度大小g=______m/s2．(保留2位有效數字)

2019年高考全國Ⅲ卷的自由落體運動測重力加速度采用創新的實驗方法，將現代技術融入到物理實驗中．第(1)問，對實驗儀器的選擇考查學生的觀察測量能力．第(2)問，對實驗的步驟設計考查學生的方案設計能力．將原型實驗遷移到新情境中，描述儀器使用過程，考查學生對實驗步驟的熟悉程度和語言概括能力．第(3)問，運用物理概念計算物理量考察學生的數據分析能力，每個小問層層鋪墊，測量不同目標的實驗能力．雖利用頻閃照片測重力加速度的方法在學生群體中還不夠普及，且該題沒給出實驗裝置，但學生對于該方法并不算陌生．人教版教材中在“序言”“問題與練習”“做一做”欄目中介紹過利用數碼設備拍攝頻閃相片或頻閃視頻開展物理實驗的方法．

該題將物理實驗與現代信息技術結合，體現物理教育注意學科滲透，關心科技發展的教育思想．未來，物理與現代化信息技術還將有更廣泛的聯系，比如有研究者利用新興的智能手機傳感器開展自由落體運動實驗測重力加速度[4]．

4 試題特征及教學啟示

概覽近10年高考物理全國卷對“自由落體運動”實驗的考查，實驗試題從大致相似的原型實驗逐步過渡到內容豐富的發展型實驗再到指向真實問題的情境型實驗，3類實驗間互相關聯，如圖3所示．實驗情境從學科知識情境到STSE情境，實驗命題從知識導向過渡到能力導向再逐漸走向素養導向，可見，高考實驗試題對學生能力要求呈逐漸增高之勢[5]．

圖3 3類實驗關聯圖

面對考查形式多樣、實驗情境豐富的高考實驗試題，生搬硬套的學習方式已不可取，為突破教學瓶頸，提高教學效率[6～8]，筆者提出以下教學思考：

(1)原型實驗與教材實驗大體相同，回歸教材、重視基礎是應對該類試題的唯一解．且近年來，高考實驗試題趨向于命制教材隱性實驗的創新變式，教材隱性實驗指實驗素材源自教材的擴展欄目，如物理學史、做一做、科學漫步、教材插圖等．該類試題意在引導考生回歸課本，在實驗教學中，教師應注重挖

掘教材隱性實驗的創新變式考查，聚焦易被忽略的隱性考點區域，學生應積極實踐教材中“做一做”“演示”實驗等，領悟其中蘊含的物理思想．

(2)發展型實驗以教材實驗為本，對實驗目的做微妙處理，從細微處考查學生的基本實驗能力，立足教材，強化基本實驗技能是解題的關鍵．教師應在立足教材，引導學生設計多樣化、綜合性的實驗，以開放性的實驗環境培養學生的發散思維．當學生面對“新”實驗時，能跳出單一的知識情境，融入新的實驗元素，靈活開展實驗．

(3)創設現實性、開放性的試題任務情境是未來高考實驗試題的發展趨勢，情境型實驗并非憑空產生，而是具有一定的現實基礎，聯系生活、建構模型是破題的核心．這要求教師在實驗教學中，既要關注學生的基本實驗能力，還應恰當地將物理實驗模型遷移到生活情景，培養學生解決問題的能力．同時，教師也應適當向學生介紹新型的科技設備，引導學生關注科技發展，促進學生科學態度與責任能力的發展．