高考物理實驗題解題策略分析

焦健生 吳勝強

[摘 要]實驗與探究能力是高考必考能力之一。歷年來，高考實驗題考查的知識往往涉及實驗原理和方法、基本儀器的工作原理及使用、實驗方案的選擇或設計、實驗數據的獲取及處理、實驗誤差分析等。考查的實驗能力有靈活運用實驗知識的能力，不同情景下遷移和變通實驗知識的能力。針對高考對實驗能力考查的要求，如何更好地提高學生實驗題的應試能力，文章談了高考物理實驗題的三個解題策略。

[關鍵詞]聯想遷移;同中求異;異中求同;發散思維;收斂思維

[中圖分類號]G633.7

[文獻標識碼] A

[文章編號]1674-6058（2020）14-0026-03

物理是一門以實驗為基礎的學科，物理實驗是培養學生學科核心素養的重要途徑。教師應當充分利用好教材中的演示實驗和學生實驗培養學生的物理實驗能力，即物理儀器使用能力、圖表信息識別能力、實驗設計能力、實驗操作能力、實驗條件控制能力、數據記錄能力、實驗數據處理能力、實驗結果分析能力。

長期以來，高考堅持“以基礎知識為基點，以能力測試為主導”的命題指導思想。縱觀歷年各地高考物理實驗試題，呈現出兩大特點：一是以教材中的演示實驗和學生實驗為基礎，對教材實驗的原理和方法、步驟和數據處理等進行適當的改進和拓展;二是以高中物理知識和實驗必備知識為基礎，以科技生產、生活實際等為情景，設計一個實驗，試題具有創新性和靈活性。如何更好地提高學生實驗題的應試能力？下面就來談談高考物理實驗題的三個解題策略。

策略一：聯想遷移，綜合分析

高考為了考查學生對知識的變通遷移能力，往往創設出方法不同于常規實驗的試題。所謂“聯想遷移”，就是在審題時由實驗日的聯想相關規律和公式;根據所給器材，特別是器材后小括號內的標注猜測實驗所需要的東西;根據試題要求，特別是一些關鍵要求，確定實驗方案，最后綜合分析得到解題方案，其思維流程框圖如圖1所示。

[例1]某實驗課，教師要求學生測量電壓表的內阻，提供了這樣一些器材：待測電壓表（量程3V，內阻約為3000Ω）;電阻箱R_n（最大阻值為99999.9Ω）;最大阻值100Ω的滑動變阻器R₁，其額定電流2A;電源的電動勢6V，內阻不計;開關2個;導線若干。

（l）圖2-1所示虛線框內為某同學設計的電路圖的一部分，請設計一個電路，完成該實驗并將電路圖補全。

（2）寫出實驗的操作步驟：

（3）進行誤差分析.測量值RR_v測________RR_v真（填“>”“=”或“<”），理由是________________.

策略：本題要求測電表電阻，其中電路的設計，涉及測電壓表內阻的方法設計，以及滑動變阻器的連接方式。測量電阻應立即聯想到伏安法測電阻，即及R=U/Ⅰ，但題中并無電流表，而給了阻值可讀出的電阻箱，應聯想到“替代法”或“半偏法”，由于本題中因電壓表的內阻大電流小，“替代法”不可采用而應采用“半偏法”，即電壓表滿偏時通過該表的電流是半偏時通過該表電流的兩倍。

滑動變阻器在電路中的作用有兩種：限流作用和分壓作用。本題所給的滑動變阻器的阻值比電阻箱最大阻值小了很多，故不能使用限流式接法，而使用分壓式接法。

簡析：綜上可知，設計的電路為圖2-2所示。操作步驟按實驗的操作規范進行。第一步，移動滑動變阻器R₁的滑片到最左端;第二步，閉合s₁、s₂，調節R₁，使電壓表指針滿偏;第三步，不改變滑動變阻器阻值，斷開s₂，調節R₀至電壓表指針半偏，此時電阻箱的阻值就是電壓表內阻。

誤差分析：開關S₂打開后，電壓表和電阻箱串聯的支路阻值變大，電壓也變大，則R₀兩端的電壓大于電壓表半偏時的電壓，所以，電壓表內阻的測量值大于其真實值。

策略二：同中求異，發散思維

一個人的創新能力往往體現在他能夠克服思維定式的負效應，不被已有的知識和方法固化自己的思維。高考實驗試題往往源于教材但又不拘泥于教材，更多的是在教材實驗的基礎上創沒新情境和新方法，形同而質不同。

這就要求學生能夠用教材中的實驗原理、方法和技巧來處理試題中的新問題，即所謂的“同中求異”。如圖3是解決“同中有異”類實驗試題的思維導圖，學生應當學會對比和類比，也就是尋找試題中的實驗與平時所接觸的實驗的異點，是否多了或少了器材，或器材發生了變化，從變化中聯想到所給器材的作用，從而一改已有的實驗原理或方法，尋找新的解題突破口。

[例2]甲、乙兩個實驗小組，分別用兩個實驗方案來“探究加速度和力、質量的關系”。

（1）甲組用如圖4-1所示的實驗裝置，帶定滑輪的長木板放置在水平桌面上，砂桶細線繞過小車上的定滑輪系著一個固定的拉力傳感器。實驗時，下列四個選項中必要且正確的是_________。

A.將長木板有端適當墊高，使小車能自由勻速滑動

B.小車靠近打點計時器，先接通電源，再釋放小車，打出一條紙帶，同時記錄傳感器的示數

C.為了減小誤差，實驗中一定要保證砂和砂桶的質量遠小于小車的質量

D.用天平測出砂和砂桶的質量

（2）乙組用如圖4-2所示的實驗裝置。

①正確實驗操作中，打出了一條如圖4-3所示的紙帶，取連續的一些計數點（每兩個計數點間還有四個計時點沒標出來），打點計時器的頻率為50 Hz。求第4個計數點對應的小車速度ν₄=_____m/S;小車的加速度a=_______m/S²。（保留三位有效數字）

②平衡了摩擦力后，在小車質量M保持不變的情況下，不斷往砂桶里加砂，直到砂的質量最終達到M。測出每次加砂后，砂和砂桶的總重力F和小車的加速度A，作a-F的圖像（圖4-4）。下列圖線正確的是________。

策略：本題是一個創新型的力學實驗題，學生審題后，自然聯想到平衡摩擦力和砂及砂桶的質量遠小于小車的質量，如果沒有理解本題的實驗方法，肯定會因思維定式而犯錯。

對比發現，本題的實驗裝置與教材中實驗裝置有類似之處，但更重要的是有不同之處，多了一個拉力傳感器，小車上多了定滑輪且細繩的繞法也不同。這幾個不同點應當是思維的關鍵點，破題的關鍵。有了拉力傳感器，小車所受的拉力就可以測定，估計不必要求小車的質量遠大于砂和砂桶的質量。平衡摩擦力后也不必用天平測㈩砂和砂桶的質量。另外，本題的誤差分析，用數學表達式來分析會比較嚴謹。

簡析：（1）實驗前必須要平衡摩擦力，A正確;實驗時小車應靠近打點計時器，先通電源，后放小車，記錄拉力傳感器的示數，B正確;拉力傳感器示數為繩子的拉力，這就不需要砂和砂桶的質量遠小于小車的質量，也不必測出砂和砂桶的質量，C、D項錯誤。

（2）①ν₄=1.21 m/s;根據△x=aT²，a=2.02m/s²。

②平衡摩擦力后，對小車和砂及砂桶整體有：mg=（M+m）a，聯立可得：a=mg/M+m。當m≤M時，則a=mg/M=F/M，則a-F的圖像是過原點的一條傾斜直線;當不滿足m≤M時，則應遵循a=F/（M+m）規律，當砂的質量增加時，a-F圖像的斜率k=1/（M=m）將不斷減小，故圖線會出現下彎的情況。

策略三：異中求同，收斂思維

每年的高考實驗題都會有一定的創新或改編，主要是在試題情境的設計上進行了較多的創新，當然，物理知識和實驗能力要求一定不會變，即“萬變不離其宗”，這就需要學生要有一定的科學探究能力和思維變通能力，既會發散思維又會收斂思維，要善于改變傳統的思維方式，運用新的思維方式分析和處理問題。

創新型的實驗題往往會融合一些生活或科技方面的新情境，創設新方案或新問題，針對這些新情境、新方案、新問題，要學會去偽存真，著力于異中求同，剔除新情境中無用的信息，尋求與常規實驗相似的地方，然后運用熟知的原理、方法進行解答，即所謂的“異中求同”。如圖5是解決“異中求同”類實驗試題的思維導圖。

[例3]在一次研究性學習比賽活動中，教師提供了如下器材，要求測量一節干電池的電動勢和內阻。

A.待測的干電池一節

B.電流表A₁，（量程0-3mA，內阻R_g1=10Ω）

C.電流表A₂（量程0-0.6A，內阻R_g2=0.1Ω）

D.滑動變阻器R₁（0-20Ω，1.OA）

E.電阻箱R₀（O-9999.9Ω）

F.開關和導線若干

（l）某參賽同學發現上述器材中沒有電壓表，他想利用其中的一個電流表和電阻箱改裝成一個電壓表，其量程為0-3V，并設計了圖6-1所示的a、b兩個參考實驗電路，其中合理的是______（選填“a”或“b”）電路;此時R₀的阻值應取________Ω。

（2）圖6-2為該參賽同學根據合理電路所繪出的I₁-I₂圖像（I₁為電流表A₁的示數，I₂為電流表A₂的示數）。根據該圖像可求得待測干電池的電動勢E=_______V，內阻γ=_________Ω。

策略：本題是對“測定電源電動勢和內阻”實驗和規律的拓展與延伸，實驗數據的處理也有變化和創新。

本題有別于常規實驗的兩點是無電壓表，給定的圖線也不同于常規實驗的U-I線。找出了異點，就要向同點靠。雖無電壓表，但題中給了電阻箱，那就可以用電流表和電阻箱改裝一個電壓表。給定的I₁-I₂圖像，我們可以通過U=I（R+γ）來導出I₁-I₂的函數表達式，問題即可解決。

簡析：（1）由于電路中的電流不能小于3mA，故用A₂，來測量電路中電流，而把A₁和電阻箱改裝成電壓表，故選b電路;U=I₁（R_g1+R₀），即3=0.003x（10+R₀），可求得R₀=990Ω。

（2）根據U_外=I₁xlOOO=E-I₂γ，延長圖線，則縱截距為電源的電動勢，其值約為1.48V，由圖線的斜率可知干電池的內阻為0.84Ω。

總之，再好的實驗題解題策略也是基于真實實驗和真實思維的體驗學習的，因此，提出如下三個教學建議，供大家參考：

1.重視學生實驗操作的真實體驗。由理論到實踐，再由實踐到理論，讓學生動手做實驗，動腦想問題，這樣有助于學生動手能力和思維能力的培養和提高，有助于培養學生科學求真能力和創新能力。實驗后給學生做一定量的實驗練習是必要的，但僅停留在“紙上實驗”的做法是錯誤的，那樣只能培養出機械的、模板的、思維僵化的學生。

2.注重實驗原理和方法的分析研究。實驗原理和方法是操作的基礎，是掌握實驗的關鍵，只有注重實驗原理的分析，才能合理地選擇器材和裝置，進行實驗設計，才能正確處理數據、評估實驗結果和進行誤差分析。

3.適時進行拓展性實驗教學。實驗教學要兩手抓，一手抓實驗基礎，一手抓實驗的拓展和創新，拓寬學生視野，拓展學生思維，培養學生的發散性思維。《考試說明》規定的實驗有15個左右，高考試題卻每年都有創新，因此，平時的實驗教學不能干篇一律。況且今后高考改革的方向不再有什么考試大綱或考試說明，實驗試題將不再拘泥于教材中現成的實驗，當然實驗能力考查不會超出中學生的能力范圍。

4.培養學生的規范思維能力。所謂“思維規范”是指在解題時，從審題到挖掘題目隱含條件，從讀題到信息提取和提煉，再到建立物理模型的過程。思維規范反映了一個學生的學科素養和學科能力。

[參考文獻]

[1]王煥霞.物理實驗能力表現標準的開發研究[J].物理教師，2019（ 10）：35-37+42.

[2]焦健生.緊扣基礎和方法提升能力和素養：談高三物理電學實驗專題復習[J].中學教學參考，2019（3）：39-41.

（責任編輯 易志毅）