高考物理實驗試題特點分析與研究

王 剛 賈曉軒

(1.河北省邯鄲市教育科學研究所 2.河北省邯鄲市一中)

眾所周知，物理學是一門以實驗為基礎的自然科學.實驗題一直以來都是最具學科特色的考查形式之一，也是考查探究能力和創新能力的最好題型.分析近年來的高考物理實驗題，不難發現，試題越發突出“以考查實驗探究能力為關鍵點”，“增強開放性和探究性，考查學生的創新意識”.

1 以考查實驗探究能力為關鍵點

自然科學的本質屬性使得實驗探究能力成為物理學科關鍵能力的重要組成部分.高考物理實驗題立足于真實情境，引導學生從不同角度思考問題、作出假設，既考查實驗探究方案的制定，又重視實驗數據的獲取與分析，尤其考查學生通過數據分析發現規律、形成結論并進行科學解釋的能力.因此，高考物理實驗題凸顯了“科學探究”，成為落實核心素養“科學探究”要素的重要載體.

例1(2021年全國乙卷)一實驗小組利用圖1-甲所示的電路測量一電池的電動勢E(約1.5V)和內阻r(小于2Ω).圖中電壓表量程為1 V，內阻RV＝380.0Ω;定值電阻R0＝20.0Ω;電阻箱R最大阻值為999.9Ω;S為開關.按電路圖連接電路，完成下列填空:

圖1

(1)為保護電壓表，閉合開關前，電阻箱接入電路的電阻值可以選_________Ω(填“5.0”或“15.0”);

(2)閉合開關，多次調節電阻箱，記錄下阻值R和電壓表的相應讀數U;

(3)根據圖1-甲所示電路，用R、R0、RV、E和r表示＝________;

(5)通過圖1-乙可得E＝_________V (保留2位小數)，r＝_________Ω(保留1位小數);

(6)若將圖1-甲中的電壓表當成理想電表，得到的電源電動勢為E′，由此產生的誤差為×100%＝_________%.

答案(1)15.0.

(5)1.55;1.0. (6)5.

本題設計了測量電池電動勢和內阻的實驗，第(1)問中學生需要根據題給相關數據，考慮電壓表的安全性選擇保護電阻的阻值;第(3)、(5)問對實驗原理進行考查，要求學生能寫出閉合電路歐姆定律的表達式，結合圖表信息求解相關物理量，完成實驗;第(6)問分析實驗的系統誤差，是對實驗原理的進一步考查，已經給出相對誤差表達式，需要學生計算誤差的具體值.整體來看，該題對學生的理解能力、分析綜合能力、信息加工能力及實驗探究能力有較高要求.

例2(2020年全國Ⅲ卷)某同學利用圖2所示裝置驗證動能定理.調整木板的傾角平衡摩擦阻力后，掛上鉤碼，鉤碼下落，帶動小車運動并打出紙帶.某次實驗得到的紙帶及相關數據如圖3所示.

圖2

圖3

已知打出圖3中相鄰兩點的時間間隔為0.02s，從圖3給出的數據中可以得到，打出B點時小車的速度大小vB＝________m·s－1，打出P點時小車的速度大小vP＝________m·s－1(結果均保留2位小數).

若要驗證動能定理，除了需測量鉤碼的質量和小車的質量外，還需要從圖3給出的數據中求得的物理量為_________.

答案0.36;1.80;B、P之間的距離.

本題要求學生根據對實驗原理的理解，補充完成實驗還需要測量的物理量，考查學生對實驗原理和條件是否全面理解，對實驗探究能力、理解能力、分析綜合能力有較高要求.同時，題目還要求學生能對實驗測得的數據進行簡單處理，對學生的信息加工能力有一定要求.

例3(2019年全國Ⅰ卷)某同學要將一量程為250μA 的微安表改裝為量程為20 mA 的電流表.該同學測得微安表內阻為1200Ω，經計算后將一阻值為R的電阻與該微安表連接，進行改裝.然后利用一標準毫安表，根據圖4-甲所示電路對改裝后的電表進行檢測(虛線框內是改裝后的電表).

(1)根據題給條件，將圖4-乙中的實物連接.

圖4

(2)當標準毫安表的示數為16.0mA 時，微安表的指針位置如圖5所示，由此可以推測出改裝的電表量程不是預期值，而是_________.(填正確答案標號)

圖5

A.18mA B.21mA

C.25mA D.28mA

(3)產生上述問題的原因可能是_________.(填正確答案標號)

A.微安表內阻測量錯誤，實際內阻大于1200Ω

B.微安表內阻測量錯誤，實際內阻小于1200Ω

C.R值計算錯誤，接入的電阻偏小

D.R值計算錯誤，接入的電阻偏大

(4)要達到預期目的，無論測得的內阻值是否正確，都不必重新測量，只需要將阻值為R的電阻換為一個阻值為kR的電阻即可，其中k＝________.

答案(1)見圖6.

圖6

本題以微安表改裝成電流表為情境，考查電流表改裝實驗中電阻的連接方式及電表校準等相關問題.第(1)問實物圖連接，是對學生的具體實驗操作的考查;第(2)問要根據標準表的示數和改裝表的指針位置分析電表改裝后的實際量程;第(3)問分析量程偏大的可能原因;第(4)問進一步對改裝電表的校準結果進行分析，計算實現實驗目的所需的電阻與實際所并電阻的關系.第(2)、(3)、(4)問都是對于電表校準的設問，既是對實驗原理的深入考查，也是對學生的實驗探究能力的全面考查.

2 增強開放性和探究性，考查學生的創新意識

物理實驗試題往往會體現鮮明的創新導向，這是開放性和探究性的具體體現.試題的創新角度大致有兩種:呈現方式和設問方式.呈現方式的創新即通過設計新穎的實驗情境，要求學生將物理實驗知識、方法和技能與新的情境相結合完成實驗.設問方式的創新可以引導學生從不同角度認識問題，鼓勵學生主動思考、發散思維，讓學生從標準答案的束縛中得到解放.這種創新題目突出考查學生運用基本物理規律解決問題的能力，引導學生從解題訓練向解決問題轉化，促進了學生學科素養的提升.同時，在一定程度上降低大量刷題、機械訓練的收益，助力減輕學生學業負擔.

在呈現方式上進行創新的代表性題目有:

例4(2021 年河北省4月份第二次適應性測試)土壤的干濕狀態是影響植物生長的重要指標.某同學為了實現智能澆水，準備設計一個簡易土壤濕度計，實驗方案如圖7所示:

圖7

(1)將兩電極以合適的間距和深度插入待測土壤.使用多用電表電阻擋測量不同土壤濕度下電極間的電阻，數據如表1所示.

表1

(2)實驗室提供器材如下:

電源E1(電動勢1.5V，內阻不計);

電源E2(電動勢5V，內阻不計);

電流表A(量程200μA，內阻約500Ω);

定值電阻R1(阻值1kΩ);

定值電阻R2(阻值20kΩ);

開關和導線若干.

為使土壤的干濕狀態在濕度計表盤上最優顯示，應選用電源________，定值電阻________.(填寫對應的器材符號)

(3)請按照示例在電流表表盤上標出與土壤“濕度適中”對應的示數范圍.

圖8

答案(2)E2;R2.(3)略.

本題目以設計土壤濕度計為情境，考查電路相關知識.1)要求學生能根據已給信息選擇合適的實驗器材;2)需要結合實驗原理及表格數據在表盤上標注示數信息.題目呈現新的情境和新的信息，對學生的實驗設計能力和探究能力有較高要求.但是仔細分析題目所考查的內容不難發現，涉及的物理知識及方法均為基礎知識和基本方法，實驗器材的選擇是電阻測量類實驗的常見考法.

在設問方式上進行創新的代表性題目有:

例5(2019年全國Ⅲ卷)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0.1s拍1 幅照片.

(1)若要從拍得的照片中獲取必要信息，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.

答:_______.

(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＝24.5cm、ac＝58.7cm，則該地的重力加速度大小為g＝_______m·s－2.(保留2位有效數字)

答案(1)A.(2)將米尺豎直放置，使小球下落時盡量靠近米尺.(3)9.7.

第(1)問學生需要在理解實驗原理的基礎上確定需要測量的物理量，進而確定所需器材，設問較為常規;第(2)問則是一個開放性問題，考查學生如何從相同時間間隔內拍攝的小球下落照片中測量出小球下落的位移，參考答案給出的是一個比較常用的方法，即讓甲同學將米尺豎直放置，然后盡量在靠近米尺的位置把小球釋放，讓小球沿米尺刻度下落(小球不應遮擋米尺刻度).實驗方法并不唯一，也可以選擇讓小球沿靠近實驗室內墻壁下落，實驗前先用米尺在小球自由下落路徑上標好刻度等.該題目設問具有一定的開放性、探究性，鼓勵學生從多角度思考問題，有助于培養學生的創新意識.

綜上可見，高考實驗試題是在考查實驗探究能力，而不是考實驗本身.因此，近年來的實驗題似乎“游離”于教材中的學生實驗或演示實驗之外，實則是經過適當拓展整合成題，試題由單一、基本形式向綜合、高層次方向發展，突出了對實驗原理的理解、利用物理圖像處理實驗數據、分析實驗影響因素等能力的考查，注重了對考生的實驗探究能力、知識遷移能力的考查.面對新高考，死記硬背實驗原理、實驗器材、實驗步驟、實驗數據、誤差分析，往往達不到理想的效果.高考實驗題千變萬化，但不變的是實驗原理和方法.只有把原理弄清楚，才能在面對題目變式時從根源上找到解決問題的方法.此外，高考實驗試題對實驗的可參與性非常重視，應給予足夠重視.在復習備考中，要重視基本儀器的使用和基本方法的運用，重視對實驗現象和實驗過程的體驗.要積極創造條件，有意識地進行實驗設計、實驗操作、實驗條件控制、實驗數據處理和實驗結論分析等方面的訓練，努力提升實驗素養.

(完)