立足教材基礎(chǔ)知識 培養(yǎng)學(xué)生實驗探究能力
——2022年高考全國卷物理實驗題分析及啟示

貴州 楊 勇

物理實驗是高考的必考知識,也是能體現(xiàn)物理核心素養(yǎng)的考點之一,因為物理實驗?zāi)荏w現(xiàn)學(xué)生對物理原理的理解、實驗方案的設(shè)計、實驗儀器的選擇和應(yīng)用、實驗數(shù)據(jù)的處理、實驗結(jié)論的得出等必備的核心素養(yǎng),同時也考查學(xué)生的實驗探究能力和科學(xué)探究能力,可以充分發(fā)揮教考的積極導(dǎo)向作用。因此高考物理試題的研究,不僅可以明確高考試題發(fā)展態(tài)勢,同時也能為培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)提供幫助。本文通過對全國卷物理實驗題的分析,總結(jié)2022年全國卷物理實驗題的特點,為備考復(fù)習(xí)提出建議,以期對高考備考有所助益。

一、實驗題分析

1.力學(xué)實驗題分析

【例1】(2022·全國乙卷·22)用雷達(dá)探測一高速飛行器的位置。從某時刻(t＝0)開始的一段時間內(nèi),該飛行器可視為沿直線運動,每隔1s測量一次其位置,坐標(biāo)為x,結(jié)果如表1所示:

表1

回答下列問題:

(1)根據(jù)表中數(shù)據(jù)可判斷該飛行器在這段時間內(nèi)近似做勻加速運動,判斷的理由是:_________________________;

(2)當(dāng)x＝507m時,該飛行器速度的大小v＝_______m/s;

(3)這段時間內(nèi)該飛行器加速度的大小a＝_______m/s2(保留2位有效數(shù)字)。

【立意】本題中,雷達(dá)每隔1s記錄飛行器的位置,并通過表格的形式,引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用與打點計時器相關(guān)實驗的處理方法處理實驗數(shù)據(jù)。重在考查學(xué)生應(yīng)用逐差法處理實驗數(shù)據(jù),本題對學(xué)生的能力要求不高。

【分析】(1)由于題給數(shù)據(jù)是飛行器所在的位置,很多學(xué)生可能會認(rèn)為表格中的數(shù)據(jù)就是每一秒所對應(yīng)的位移,所以為了能清晰、形象地理解表格中的數(shù)據(jù),可以建立一維坐標(biāo)軸,并標(biāo)出每一秒對應(yīng)的位移大小,根據(jù)ΔS＝aT2進(jìn)行判斷即可;(2)在第(1)的基礎(chǔ)上,已經(jīng)判斷出該飛行器做勻加速直線運動,則當(dāng)x＝507m 時,速度即為0～2s的中間時刻速度,而中間時刻速度等于這段時間的平均速度;(3)結(jié)合表中所給的數(shù)據(jù),引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用逐差法處理數(shù)據(jù),因此先根據(jù)逐差法寫出表達(dá)式,再代入數(shù)據(jù)即可。

【解析】(1)由于表格數(shù)據(jù)是對應(yīng)該時刻的位置,因此不容易看出每段時間的位移,因此把表格數(shù)據(jù)還原為坐標(biāo)上的點來觀察,如圖1所示。

圖1

通過計算得S1＝507 m,S2＝587 m,S3＝665 m,S4＝746m,S5＝824m,S6＝904m。

則S2－S1＝80m,S3－S2＝78m,S4－S3＝81m,S5－S4＝78m,S6－S5＝80m,通過數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),若在實驗誤差允許的范圍內(nèi),ΔS為定值,因此飛行器做勻加速運動;

(2)在第(1)的前提下,當(dāng)x＝507 m 時,自然得到v＝m/s,則v＝547m/s;

【點評】根據(jù)表格所給的數(shù)據(jù),計算出每一秒對應(yīng)的位移,再結(jié)合勻變速直線運動的判斷方法,判斷出飛行器的運動情況。本題的關(guān)鍵是正確寫出每一秒對應(yīng)位移的大小,如果把坐標(biāo)的數(shù)字看成是位移,會使第(1)問無法得到判斷,以致一系列錯誤出現(xiàn)。本題需要學(xué)生掌握的知識點是勻變速直線運動的判斷方法和規(guī)律,知道中間時刻的瞬時速度等于這一段時間的平均速度,這是處理紙帶類問題的重要方法,同時本題學(xué)生容易出現(xiàn)錯誤的是第(3)問,在平時練習(xí)的過程中,學(xué)生容易把有效數(shù)字和保留小數(shù)點后幾位混淆,導(dǎo)致結(jié)果錯誤。

【例2】(2022·全國甲卷·23)利用圖2所示的實驗裝置對碰撞過程進(jìn)行研究。讓質(zhì)量為m1的滑塊A與質(zhì)量為m2的靜止滑塊B在水平氣墊導(dǎo)軌上發(fā)生碰撞,碰撞時間極短,比較碰撞后A和B的速度大小v1和v2,進(jìn)而分析碰撞過程是否為彈性碰撞。

圖2

完成下列填空:

(1)調(diào)節(jié)導(dǎo)軌水平;

(2)測得兩滑塊的質(zhì)量分別為0.510kg和0.304kg。要使碰撞后兩滑塊運動方向相反,應(yīng)選取質(zhì)量為_________kg的滑塊作為A;

(3)調(diào)節(jié)B的位置,使得A和B接觸時,A的左端到左邊擋板的距離S1與B的右端到右邊擋板的距離S2相等;

(4)使A以一定的初速度沿氣墊導(dǎo)軌運動,并與B碰撞,分別用傳感器記錄A和B從碰撞時刻開始到各自撞到擋板所用的時間t1和t2;

(5)將B放回到碰撞前的位置,改變A的初速度大小,重復(fù)步驟(4)。多次測量的結(jié)果如表2所示;

表2

(6)表2中的k2＝_________(保留2位有效數(shù)字);

(8)理論研究表明,對本實驗的碰撞過程,是否為彈性碰撞可由判斷。若兩滑塊的碰撞為彈性碰撞,則的理論表達(dá)式為_________(用m1和m2表示),本實驗中其值為_________(保留2位有效數(shù)字),若該值與(7)中結(jié)果間的差別在允許范圍內(nèi),則可認(rèn)為滑塊A與滑塊B在導(dǎo)軌上的碰撞為彈性碰撞。

【立意】本題利用氣墊導(dǎo)軌對彈性碰撞進(jìn)行研究,展示完整的實驗探究過程,主要考查學(xué)生對碰撞過程中不同質(zhì)量物體碰撞后的運動狀態(tài)的判斷,同時也考查學(xué)生對表格數(shù)據(jù)的觀察能力和數(shù)據(jù)處理能力,引導(dǎo)學(xué)生從動量守恒和能量守恒角度推導(dǎo)題設(shè)中的作為判斷是否是彈性碰撞的依據(jù)。同時本實驗也著重考查數(shù)據(jù)有效數(shù)字的保留。本實驗要求學(xué)生理論與實驗相結(jié)合,培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識。

【分析】(2)運動的滑塊A去碰靜止的滑塊B,且題述已經(jīng)指明了要判斷是否是彈性碰撞,則只能是質(zhì)量小的物體碰撞質(zhì)量大的物體,質(zhì)量小的物體才會被反彈;(6)由表格中給出的時間與速度的比值可知,調(diào)平的氣墊導(dǎo)軌上的滑塊做勻速直線運動,則速度必然是v＝,題述已經(jīng)強調(diào)A、B的距離相等,則速度的比值就是時間的反比;(7)是以(6)準(zhǔn)確計算為前提,雖然求5個數(shù)的平均值是比較簡單的問題,但如果(6)計算錯誤就會影響(7)的結(jié)果;(8)這一問是本題中的難點,要結(jié)合動量守恒與能量守恒推導(dǎo),對學(xué)生的數(shù)學(xué)推導(dǎo)能力要求較高,同時要求學(xué)生具備良好的心理素質(zhì)和數(shù)學(xué)能力。

【解析】(2)要求碰撞后A反向,則A必然是小質(zhì)量的物體,所以選取的質(zhì)量為0.304kg;

(6)由于A、B的距離相等,假設(shè)為s,則v＝,因此

(8)根據(jù)彈性碰撞,假設(shè)碰撞之前A的速度為v0,根據(jù)動量守恒有

【評價】本題通過氣墊導(dǎo)軌的實驗裝置,展示實驗過程,考查學(xué)生對碰撞實驗的理解;通過表格記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)并留下一些空缺讓學(xué)生通過實驗原理和邏輯推理計算出缺少的數(shù)據(jù),考查學(xué)生對實驗方案的理解,同時發(fā)展學(xué)生的實驗探究能力。(8)雖然是填空但是難度不亞于計算題,要求學(xué)生結(jié)合動量守恒定律的表達(dá)式和能量守恒的表達(dá)式,準(zhǔn)確推導(dǎo)出所要的結(jié)果。對于彈性碰撞,在復(fù)習(xí)備考時可以要求學(xué)生掌握彈性碰撞的一些結(jié)論,比如碰后速度的表達(dá)式對于基礎(chǔ)較好的學(xué)生可以拓展質(zhì)點組動量守恒與對心碰撞恢復(fù)系數(shù)的相關(guān)知識,有助于學(xué)生思維的發(fā)散和視野的拓展。

【試題創(chuàng)新點評】總體而言,2022年全國卷力學(xué)實驗部分仍是重在基礎(chǔ)知識的應(yīng)用,同時注重實驗的創(chuàng)新設(shè)計。如乙卷第22題以雷達(dá)探測高速飛行器的位置為背景,要求學(xué)生將熟悉的打點計時器紙帶處理方法進(jìn)行靈活遷移,在以往的試題中都是以真實的紙帶為背景,直接考查學(xué)生數(shù)據(jù)處理的方法和技巧,而本題則是增加了真實情境的元素,是本題的一大創(chuàng)新點。再如甲卷第23 題,按照傳感器、光電門等實驗題型的考法,通常是直接計算某段時間對應(yīng)的速度大小,根據(jù)動量守恒或能量守恒,寫出公式,提問學(xué)生遵循什么規(guī)律從而得到驗證,而本實驗則是巧妙應(yīng)用了碰撞后速度的比值滿足一個定值來反應(yīng)碰撞過程所遵循的規(guī)律,對學(xué)生能力的要求有了進(jìn)一步的提高。

2.電學(xué)實驗分析

【例3】(2022·全國甲卷·22)某同學(xué)要測量微安表內(nèi)阻,可利用的實驗器材有:電源E(電動勢1.5 V,內(nèi)阻很小),電流表(量程10 mA,內(nèi)阻約10 Ω),微安表(量程100μA,內(nèi)阻Rg待測,約1kΩ),滑動變阻器R(最大阻值10Ω),定值電阻R0(阻值10Ω),開關(guān)S,導(dǎo)線若干。

(1)在答題卡上將圖3所示的器材符號連線,畫出實驗電路原理圖;

圖3

(2)某次測量中,微安表的示數(shù)為90.0μA,電流表的示數(shù)為9.00mA,由此計算出微安表內(nèi)阻Rg＝_______Ω。

【立意】本題要求學(xué)生畫出測量微安表內(nèi)阻的電路圖,是一道探究性實驗題,主要考查學(xué)生對電路簡單設(shè)計的基本能力,能從減小誤差的角度設(shè)計電路,同時能準(zhǔn)確計算出相應(yīng)的結(jié)果,要求考生具備一定的實驗探究能力。

【分析】(1)是電路原理圖的設(shè)計,實驗電路主要由兩部分組成,即控制部分和測量部分,控制部分以滑動變阻器為主,測量部分以測量電表為主,而實驗主要從安全、可操作性、減小誤差、電路簡單等角度分析,所以滑動變阻器優(yōu)先考慮限流式連接,電流表從減小誤差的角度選擇接法即可;(2)在電路準(zhǔn)確連接后,通過歐姆定律代入數(shù)字進(jìn)行計算即可。

【解析】(1)若用限流式,由于電流表內(nèi)阻未知,則電路大致如圖4所示,根據(jù)所給的數(shù)據(jù),由于電流表的內(nèi)阻RA≈10Ω,滑動變阻器的最大值也是10Ω,電流計與R0并聯(lián)的阻值也是約為10Ω,因此如果滑動變阻器的阻值以最大值計算,根據(jù)串聯(lián)電流關(guān)系,電流計分得的電壓也接近0.5V,而電流計允許通過的最大電流為100μA,則Ug＝IgRg,所以電流計承受的最大電壓約為Ug＝0.1V,因此如果選擇限流式,電流計可能會被燒壞,所以采用分壓式接法,電路圖如圖5所示。

圖4

圖5

(2)根據(jù)電路圖原理,Rg＝,代入已知數(shù)據(jù)得Rg＝990Ω。

【評價】本題的難度在于滑動變阻器的接法,對于大部分學(xué)生有一定難度,電路的設(shè)計一直以來都是學(xué)生的“痛點”,也是考查學(xué)生的探究能力和創(chuàng)新能力的重要方式,高考中實驗設(shè)計必然成為重要的考點,教師需要在教學(xué)時加強對學(xué)生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。

【例4】(2022·全國乙卷·23)一同學(xué)探究阻值約為550Ω 的待測電阻Rx在0～5mA 范圍內(nèi)的伏安特性。可用器材有:電壓表V(量程為3V,內(nèi)阻很大),電流表A(量程為1mA,內(nèi)阻為300Ω),電源E(電動勢約為4V,內(nèi)阻不計),滑動變阻器R(最大阻值可選10Ω 或1.5kΩ),定值電阻R0(阻值可選75Ω 或150Ω),開關(guān)S,導(dǎo)線若干。

(1)要求通過Rx的電流可在0～5 mA 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),在答題卡上將圖6所示的器材符號連線,畫出實驗電路的原理圖;

(2)實驗時,圖6中的R應(yīng)選最大阻值為________(填“10Ω”或“1.5kΩ”)的滑動變阻器,R0應(yīng)選阻值為_________(填“75Ω”或“150Ω”)的定值電阻;

圖6

(3)測量多組數(shù)據(jù)可得Rx的伏安特性曲線。若在某次測量中,電壓表、電流表的示數(shù)分別如圖7和圖8所示,則此時Rx兩端的電壓為_________V,流過Rx的電流為_________mA,此組數(shù)據(jù)得到的Rx的阻值為_________Ω(保留3位有效數(shù)字)。

圖7

圖8

【立意】本題考查學(xué)生對電路的設(shè)計、電流表的改裝原理以及電表的基本讀數(shù)問題,具有一定的探究性,重在考查學(xué)生的實驗設(shè)計能力和實驗創(chuàng)新能力,對學(xué)生的能力要求中等。

【分析】(1)由于要求電流在0～5mA 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),故選擇分壓式接法,電壓表內(nèi)阻很大,可以不計電壓表的分流,故用外接法;(2)根據(jù)分壓式的特點,滑動變阻器選擇小電阻方便操作;對于電流表的改裝,由于要求電流在0～5mA 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),而電流表的滿偏電流只有1mA,根據(jù)電流表改裝原理,應(yīng)并聯(lián)小電阻,故首先考慮阻值為75Ω 電阻,結(jié)合改裝電路原理計算即可;(3)對于電表的讀數(shù),首先要觀察刻度的最小分度,如果最小分度為0.1,則要估讀到下一位,如果最小分度是0.2或0.5,則只讀到本位即可。

【解析】(1)由于從零開始調(diào)節(jié),則用分壓式接法,電壓表內(nèi)阻很大,電流表外接能使電路簡單,則電路原理圖如圖9所示;

圖9

(2)畫出電表改裝原理圖如圖10 所示,根據(jù)并聯(lián)分流作用R0＝,則R0＝75Ω;由于用分壓式接法,小電阻滑動變阻器方便操作,則選擇最大阻值為10 Ω 的滑動變阻器;

圖10

(3)根據(jù)電壓表的滿偏電壓是3 V,則最小分度是0.1V,因此電壓表的讀數(shù)為2.30V,對于電流表,最小分度為0.02mA,指針?biāo)傅奈恢脼?.84mA,由于改裝之后的總電流為原來的5倍,則電流為4.20mA;根據(jù)歐姆定律有,代入數(shù)據(jù)得Rx≈548Ω。

【點評】電表的改裝和電路設(shè)計是電學(xué)實驗的一大難點,也是高考重點。電表的改裝,首先要明確電壓表和電流表的原理,從而準(zhǔn)確畫出電路圖。該題很多學(xué)生會選擇內(nèi)接法,由于電流表的內(nèi)阻已知,不會造成系統(tǒng)誤差,而電壓表的內(nèi)阻很大,不考慮分流作用。如果應(yīng)用內(nèi)接法反而會使計算變得復(fù)雜。因此要準(zhǔn)確地設(shè)計電路圖,首先要從實驗遵循的規(guī)律出發(fā),不能小題大做,要實事求是,追求真理,用敏銳的眼光和創(chuàng)新思維看待事物,發(fā)展自己的解題能力。

【試題創(chuàng)新點評】2022年全國卷的電學(xué)實驗主要以教材知識為基礎(chǔ),強化電路設(shè)計的考查。2021年全國卷電學(xué)實驗主要考查學(xué)生對實驗基本原理的理解,數(shù)據(jù)的處理和誤差分析,著重強調(diào)原理和數(shù)據(jù)的計算。而2022年全國卷電學(xué)實驗則是強化實驗設(shè)計,注重學(xué)生實驗探究能力的發(fā)展,減少復(fù)雜的數(shù)據(jù)計算,著重推理、論證能力的考查,比如2022年甲卷第22題,誤差的分析直接放到電路的設(shè)計中來考查,只要學(xué)生突破電路圖的連接問題,本題便迎刃而解;同時乙卷也是相同的考查思路,都是創(chuàng)新實驗的設(shè)計。雖然實驗考查的方向比較簡單,但是要求學(xué)生根據(jù)題意進(jìn)行設(shè)計實驗,最后完成實驗,相當(dāng)于讓學(xué)生在實驗里完成一次實際操作,從另一個角度來說,也考查學(xué)生的實驗動手能力,這是2022年全國卷電學(xué)實驗的最大創(chuàng)新點。

二、啟示

高考物理實驗題能有效考查學(xué)生的探究能力,主要表現(xiàn)為對基礎(chǔ)知識的理解和應(yīng)用、實驗設(shè)計與操作、數(shù)據(jù)處理和誤差分析、結(jié)論的論證及質(zhì)疑等綜合能力的考查。由于實驗的原理源于教材,但是實驗的方法高于教材,所以在備考復(fù)習(xí)中應(yīng)該注重基礎(chǔ)知識的掌握,加強學(xué)生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng),注重實驗創(chuàng)新設(shè)計與實驗探究能力。筆者結(jié)合2022年全國卷的特點,認(rèn)為對于2023年高考物理實驗題應(yīng)該注意以下幾點:

1.強化基礎(chǔ)知識的理解與應(yīng)用。注重高中物理核心、主干知識的復(fù)習(xí),吃透高中階段需要掌握的物理實驗基本原理,引導(dǎo)學(xué)生強化基礎(chǔ)知識的應(yīng)用,盡量不去做那些難、怪的題,要以基礎(chǔ)為主,讓學(xué)生形成對高中物理實驗全局性、系統(tǒng)性的認(rèn)識,盡量減少那些典型題的套路和技巧的運用,引導(dǎo)學(xué)生實事求是地學(xué)習(xí)物理。

2.注重實驗設(shè)計,強化學(xué)生實驗探究能力。從2022年的實驗題來看,實驗設(shè)計的要求較高,而且每一道試題都是一個完整的實驗過程,包括儀器的選擇、實驗方案的設(shè)計、數(shù)據(jù)處理。所以在平時的教學(xué)中,應(yīng)該對學(xué)生的實驗操作和動手能力作出要求,引導(dǎo)學(xué)生積極地動手做實驗,切實提升實驗?zāi)芰Α?/p>

3.注重知識的遷移應(yīng)用。知識的遷移應(yīng)用是基礎(chǔ)知識的發(fā)展,而對于很多學(xué)生來說高考所考查的題型不會做的原因是沒有把自己所學(xué)的知識融合為一種體系。比如乙卷的22題和甲卷的24題都涉及打點計時器紙帶類型的遷移應(yīng)用,因此強化知識的遷移,可以使學(xué)生達(dá)到做一個會一類的效果。

4.注意有效數(shù)字的保留。幾乎只要涉及實驗結(jié)果的計算,都會涉及有效數(shù)據(jù)的保留,有效數(shù)字的保留在一定程度上可以體現(xiàn)測量儀器的精確度。比如0.01A 有的學(xué)生認(rèn)為這是兩位有效數(shù)字,其實這只是一位有效數(shù)字,但是它卻是保留小數(shù)點后面兩位;同理,如0.10A 這個數(shù)值它同樣是小數(shù)點后兩位,但是它卻是兩位有效數(shù)字。這些細(xì)節(jié)上的問題都有可能導(dǎo)致學(xué)生犯錯與丟分,因此對于有效數(shù)字的保留也不能忽視。