2020年高考全國卷物理實驗特點評析與備考啟示

湖北 許 文

2020年高考全國卷物理實驗注重基本技能考查，彰顯核心素養提升。和近幾年高考中物理實驗相比，2020年全國卷物理實驗題更突出考查實驗的設計能力和探究能力，并增加了實驗試題的開放性，設計開放性答案，對問題進行多角度的討論，是思維開放性、全面性和嚴密性的體現。通過實驗突出了對學生物理核心素養的考查，為今后的高考物理實驗題提供了一定的指導作用。本文分析2020年全國卷高考物理實驗試題特點，探討新高考物理實驗備考策略。

一、試題概述

試卷題號題型(分值)類型主要內容全國卷Ⅰ22填空(6)應用伏安法測電阻、電路選擇、數據處理23填空(9)探究驗證動量定理、實驗操作、數據處理、誤差分析全國卷Ⅱ22填空、簡答(5)應用用勻變速直線運動規律與牛頓運動定律測加速度23連圖、填空(10)探究研究小燈泡伏安特性、電路實物連線、電表改裝34(1)填空(5)應用單擺實驗全國卷Ⅲ22填空(6)探究驗證動能定理、數據分析與處理23連圖、填空(9)探究測量熱敏電阻阻值隨溫度的變化關系、電路設計、探究溫控報警器

從表中可以看出，全國卷高考物理實驗題型多樣、內容廣闊、考法靈活，主要考查實驗的基本技能以及知識的應用與拓展能力，考查學生的物理實驗素養。

二、試題特點

1.注重基本儀器的使用與操作

2020年全國卷Ⅲ第22題考查了打點計時器的使用及紙帶的測量與計算；2020年全國卷Ⅰ第23題考查了氣墊導軌及光電門的使用與計算；2020年全國卷Ⅰ第22題、2020年全國卷Ⅱ第23題、2020年全國卷Ⅲ第23題分別考查了電流表、電壓表及滑動變阻器的使用與操作。

考查基本儀器的使用和操作方法類考題要注意儀器的構造原理、操作技能、讀數規則，尤其要注意保留的有效數字。這類題主要以填空為主，題目已由單純考查儀器的使用轉變為綜合性的考查。新高考物理實驗要求學生熟練掌握的基本儀器有刻度尺、游標卡尺、螺旋測微器、天平、秒表、電火花計時器或電磁打點計時器、彈簧測力計、溫度計、電流表、電壓表、多用電表、滑動變阻器、電阻箱等。此外，我們在備考復習中既要熟練掌握基本實驗器材的使用，還要了解DIS等實驗器材的使用。

2.注重實驗原理的理解與分析

理解實驗原理是進行實驗設計、方案評估、控制條件、測量分析的前提，也是用實驗手段進行分析和解決問題的關鍵。

【例1】(2020年全國卷Ⅱ第22題)一細繩跨過懸掛的定滑輪，兩端分別系有小球A和B，如圖1所示。一實驗小組用此裝置測量小球B運動的加速度。令兩小球靜止，細繩拉緊，然后釋放小球，測得小球B釋放時的高度h0=0.590 m，下降一段距離后的高度h=0.100 m；由h0下降至h所用的時間T=0.730 s。由此求得小球B加速度的大小為a=________m/s2(保留3位有效數字)。從實驗室提供的數據得知，小球A、B的質量分別為100.0 g和150.0 g，當地重力加速度大小為g=9.80 m/s2。根據牛頓第二定律計算可得小球B加速度的大小為a′=________m/s2(保留3位有效數字)?？梢钥闯?，a′與a有明顯差異，除實驗中的偶然誤差外，寫出一條可能產生這一結果的原因：_________________。

圖1

從以上解析中可以看出，a=1.84 m/s2是由實驗測得的數據h0、h及T，根據運動學規律間接求出的，這是在真實實驗條件下得到的實驗結果。不考慮偶然誤差，則a為兩球實際運動的加速度大??；a′是根據牛頓第二定律計算得出的兩球運動的加速度大小，此種情況為不計滑輪與軸間的摩擦、繩與滑輪間的摩擦、細繩的質量及A、B兩球運動過程中受到的空氣阻力等這些理想條件下得到的實驗結果。但實際實驗中并不滿足以上這些理想條件，因此就會造成a

【評析】與題圖1相關有一類常規力學題，如求A、B兩球運動過程中細繩上張力大小；B球落地停止運動后，A球上升的最大高度；運動過程中某時刻細繩突然斷裂，兩球落地時間差等。對這類常規題的分析與求解，都是基于細繩與定滑輪光滑、不計細繩與滑輪的質量、不計兩球運動過程中受到空氣阻力等理想條件下進行的。本題是一道實驗題，雖然物理情境學生熟悉，但試題重設了問題角度，創設了真實情境，將問題、證據、解釋、交流等科學探究要素有機融合，實驗具有可操作性。只有理解實驗原理，才能分析得出利用運動學方法測量得出的加速度大小a與利用牛頓第二定律計算出的加速度大小a′存在明顯的差異，其原因包括偶然誤差與系統誤差。問題具有開放性，考查學生發現問題、解決問題的能力以及語言表達能力。

3.注重基本實驗的變化與創新

以教材中的基本實驗模型為載體，利用學生已學過的知識，對教材中的基本實驗進行再加工、再創造，對實驗器材或實驗方法加以重組，改進實驗測量手段與測量技術，產生新的實驗思路和新的實驗設計方案，解決新的問題，考查創造性思維。

【例2】(2020年全國卷Ⅰ第23題)某同學用如圖2所示的實驗裝置驗證動量定理，所用器材包括：氣墊導軌、滑塊(上方安裝有寬度為d的遮光片)、兩個與計算機相連接的光電門、砝碼盤和砝碼等。實驗步驟如下：

圖2

(1)開動氣泵，調節氣墊導軌，輕推滑塊，當滑塊上的遮光片經過兩個光電門的遮光時間________時，可認為氣墊導軌水平；

(2)用天平測砝碼與砝碼盤的總質量m1、滑塊(含遮光片)的質量m2；

(3)用細線跨過輕質定滑輪將滑塊與砝碼盤連接，并讓細線水平拉動滑塊；

(4)令滑塊在砝碼和砝碼盤的拉動下從左邊開始運動，和計算機連接的光電門能測量出遮光片經過A、B兩處的光電門的遮光時間Δt1、Δt2及遮光片從A運動到B所用的時間t12；

(5)在遮光片隨滑塊從A運動到B的過程中，如果將砝碼和砝碼盤所受重力視為滑塊所受拉力，拉力沖量的大小I=________，滑塊動量改變量的大小Δp=________(用題中給出的物理量及重力加速度g表示)；

(6)某次測量得到的一組數據為：d=1.000 cm，m1=1.50×10-2kg，m2=0.400 kg，Δt1=3.900×10-2s，Δt2=1.270×10-2s，t12=1.50 s，取g=9.80 m/s2，計算可得I=________N·s，Δp=________kg·m·s-1(結果均保留3位有效數字)；

【解析】(1)氣墊導軌調成水平時，滑塊做勻速運動，通過兩光電門的遮光時間相等；

(6)在(5)中結果表達式代入數據可得I≈0.221 N·s，Δp≈0.212 kg·m·s-1；

【評析】本題是教材中探究加速度與力、質量的關系、探究碰撞中的不變量這兩個基本實驗的組合、變化與創新。本實驗的變化與創新之處在于將長木板改用氣墊導軌，將打點計時器與紙帶測量運動物體的瞬時速度改用光電門傳感器測量，將探究加速度與力、質量的關系與探究碰撞中的不變量改為探究動量定理。改變了實驗器材、測量手段與測量技術、實驗目的，實現了實驗裝置的重組。但實驗設計的思想與方法不變，如在平衡摩擦力后(滑塊不加牽引時做勻速運動)，細繩上的拉力等于滑塊受到的合力大?。划敾瑝K(含遮光片)質量m2遠大于砝碼與砝碼盤的總質量m1時，才有細繩上的拉力大小F≈m1g。教材中的基本實驗是創新之本，我們在備考復習中不應舍本求末，如果丟開教材中的基本實驗而一味地追求創新，既抓不到根本又浪費時間。

4.注重物理思想方法的遷移與應用

將教材中的實驗原理和方法進行遷移，去設計實驗，測量并解決其他的物理問題，能很好地考查學生思維的靈活性、發散性與應用性，這是高考實驗題命題的一種思路與方法。

【例3】(2020年全國卷Ⅱ第23題)某同學要研究一小燈泡L(3.6 V，0.30 A)的伏安特性。所用器材有：電流表A1(量程200 mA，內阻Rg1=10.0 Ω)，電流表A2(量程500 mA，內阻Rg2=1.0 Ω)、定值電阻R0(阻值R0=10.0 Ω)、滑動變阻器R1(最大阻值10 Ω)、電源E(電動勢4.5 V，內阻很小)、開關S和若干導線。該同學設計的電路如圖3甲所示。

(1)根據圖3甲，在圖3乙的實物圖中畫出連線；

乙

甲

乙

(2)若I1、I2分別為流過電流表A1和A2的電流，利用I1、I2、Rg1和R0寫出：小燈泡兩端的電壓U=________，流過小燈泡的電流I=________。為保證小燈泡的安全，I1不能超過________mA；

(3)實驗時，調節滑動變阻器，使開關閉合后兩電流表的示數為零。逐次改變滑動變阻器滑片位置并讀取相應的I1和I2，所得實驗數據在下表中給出。

I1/mA325585125144173I2/mA171229299379424470

根據實驗數據可算得，當I1=173 mA時，燈絲電阻R=________Ω(保留1位小數)；

(4)如果用另一個電阻替代定值電阻R0，其他不變，為了能夠測量完整的伏安特性曲線，所用電阻的阻值不能小于________Ω(保留1位小數)。

【解析】(1)根據圖3甲，電路連接實物圖如圖4所示；

圖4

(2)小燈泡兩端的電壓為電流表A1和電阻R0串聯的總電壓，由串聯電路規律與歐姆定律有U=I1(Rg1+R0)；小燈泡的額定電壓UL=3.6 V，故當U=UL時可得電流表A1的示數為I1=180 mA；為保證小燈泡的安全，I1不能超過180 mA；根據并聯電路規律可知流過小燈泡的電流為I=I2-I1；

【評析】研究小燈泡的伏安特性實驗，是要求學生掌握的電學實驗中的一個基本實驗，實驗目的是用伏安電路測量多組小燈泡的U、I值，由測量數據繪出I-U圖像，由圖線的特征分析小燈泡電流與電壓和溫度的關系。根據實驗目的要求能合理地選取實驗器材，控制實驗條件，設計實驗電路，觀察電表示數，記錄、處理實驗數據，分析實驗結論。試題要求學生根據題中給出的實驗器材與電路，連接實物圖，完成實驗的相關問題，分析求解要注重物理思想方法的遷移與應用。題中給出的器材中沒有電壓表，但有兩只電流表，且兩只電流表的內阻均已知，因此可以用其中一只電流表當成電壓表使用。根據圖3甲，小燈泡與定值電阻R0并聯，其設計意圖為用電流表A2測量總電流I2，用電流表A1測流過定值電阻R0的電流I1，這樣就能間接測出流過小燈泡的電流I=I2-I1；而電流表A1直接測量的最大電壓Um=I1Rg1=2 V，小于小燈泡額定電壓UL=3.6 V，要求學生能用學過的知識與方法提出解決問題的方案，對電表改裝，擴大其量程，以達到實驗的要求。試題要求學生理解實驗原理，進行創新實踐，去解決新情境下的實際問題，體現了考查知識的應用能力。

5.注重實驗問題的引申與探究

對問題的引申與探究，能擴大和鞏固研究成果，使問題的探究更深入發展，能很好地體現出新課程課堂探究式的學習要求。

【例4】(2020年全國卷Ⅲ第23題)已知一熱敏電阻當溫度從10℃升至60℃時阻值從幾千歐姆降至幾百歐姆，某同學利用伏安法測量其阻值隨溫度的變化關系。所用器材：電源E、開關S、滑動變阻器R(最大阻值為20 Ω)、電壓表(可視為理想電表)和毫安表(內阻約為100 Ω)。

(1)在圖5中將所給的器材符號之間畫出連線，組成測量電路圖。

圖5

(2)實驗時，將熱敏電阻置于溫度控制室中，記錄不同溫度下電壓表和毫安表的示數，計算出相應的熱敏電阻阻值。若某次測量中電壓表和毫安表的示數分別為5.5 V和3.0 mA，則此時熱敏電阻的阻值為________kΩ(保留2位有效數字)。實驗中得到的該熱敏電阻阻值R隨溫度t變化的曲線如圖6甲所示。

(3)將熱敏電阻從溫控室取出置于室溫下，測得達到熱平衡后熱敏電阻的阻值為2.2 kΩ。由圖6甲求得，此時室溫為________℃(保留3位有效數字)。

甲

(4)利用實驗中的熱敏電阻可以制作溫控報警器，其電路的一部分如圖6乙所示。圖6中，E為直流電源(電動勢為10 V，內阻可忽略)；當圖6中的輸出電壓達到或超過6.0 V時，便觸發報警器(圖中未畫出)報警。若要求開始報警時環境溫度為50℃，則圖乙中________(填“R1”或“R2”)應使用熱敏電阻，另一固定電阻的阻值應為________kΩ(保留2位有效數字)。

【解析】(1)用伏安法測熱敏電阻的阻值，由于電壓表為理想電表，故測量電路采用毫安表外接法；當溫度從10℃升至60℃時熱敏電阻阻值從幾千歐姆降至幾百歐姆，而滑動變阻器的最大阻值為20 Ω，測量電路采用分壓式接法，測量電路如圖7所示；

圖7

(3)測得熱敏電阻的阻值為2.2 kΩ時，由圖6甲可知對應的溫度為25.5℃；

【評析】本題用伏安法測量熱敏電阻阻值，測量熱敏電阻阻值隨溫度的變化關系，要求學生設計實驗電路圖，理解利用熱敏電阻制作溫控報警器的實驗原理，將實驗結論引申探究，從而根據報警器的實驗電路選擇恰當的器材并完成相關電阻阻值的計算，考查基于證據得出結論的能力。學生面對具體問題要有理有據，實驗證據是通過實驗觀察到的現象或得到的原始數據，也包括對實驗現象進行解釋或對實驗結果進行分析的物理理論。利用發散思維，質疑問題，有利于提高學生的科學思維能力與科學探究能力，同時也滲透了對學生科學態度與責任素養的考查。

三、備考啟示

1.立足教材中的基本實驗。重視教材中的實驗，熟練掌握實驗原理、實驗儀器的使用及實驗思想與方法，重視基本儀器的使用方法和讀數規則等實驗技能，加強對實驗數據的分析與處理能力的訓練，主要表現在以下三個方面：分析推理、數據分析與處理方法、誤差分析。

2.實驗中體現研究性學習。在實驗備考復習中，根據教材內容和學生實驗中的方法，選好課題，在實驗中進行研究性學習，寫出實驗研究方案、選取器材、研究實驗過程，統計數據并分析，對實驗方案的優點與不足之處進行評估、分析實驗誤差等，培養創新精神和實驗能力。

3.重視實驗的設計與創新。重視對實驗思想方法及原理的深刻理解和熟練掌握，重視設計性實驗方法的培養，注重用學過的物理知識、物理規律作為理論依據，進行實驗設計與創新。創新實驗表現在：(1)對基本實驗的實驗原理與測量器材、測量手段的改進；(2)將基本實驗進行組合，實現一個裝置多用；(3)用已有的知識與方法設計實驗解決新的問題。

4.加強實驗綜合度與信息量。加強實驗綜合訓練，即重視實驗練習、重視新情境的實驗訓練、加強實驗信息的收集與處理，強調基本實驗技能的動手落實，在動手中關注實驗細節、拓展實驗能力。