基于高考物理實驗題特征看實驗題命題的技巧與方法

北京 張祖志 張春麗

【背景】北京教科院基礎教研中心特級教師張玉峰老師所帶專家團隊對北京高考物理試題給出了準確定位,即“力求物理命題有利于導向中學教學,有利于高校選拔新生,促進高中、高校人才培養的有效銜接”。實驗題的考查以實驗原理為基礎,要求學生以生活中常見物品進行實驗探究,設計活動方案。實驗題中首次考查分析實驗過程中的故障問題,引導學生從真實實驗數據的采集、處理和實驗結論的獲得等環節中思考問題本質,從而提高學生發現問題、表征問題和分析解決問題的能力。下面筆者從北京物理高考和模擬卷實驗題考查角度分析實驗題的幾種命題特點,并給出命題策略,以饗讀者。

技巧一:考查不同實驗方案的對比分析 以教材為命題素材來源

試題設置不同實驗方案對比分析的原因是選擇不同實驗器材,使實驗數據記錄和數據處理方法發生變化。而選擇不同實驗方案中間涉及的實驗操作往往也會有所變化。以探究加速度與物體受力、物體質量關系的實驗為例,教材中給出了兩種平衡摩擦力的實驗方案和數據處理方法。為什么采用a-M關系圖像不能準確確定兩個物理量的關系,而只有采用關系圖像才能得出,在合外力一定的情況下,加速度與質量成反比的結論。下面看一下北京卷2020年高考題15題的具體命題技巧。

【典型示例】(2020·北京卷·15)在“探究加速度與物體受力、物體質量的關系”實驗中,做如下探究:

(1)為猜想加速度與質量的關系,可利用圖1所示裝置進行對比實驗。兩小車放在水平板上,前端通過鉤碼牽引,后端各系一條細線,用板擦把兩條細線按在桌上,使小車靜止。抬起板擦,小車同時運動,一段時間后按下板擦,小車同時停下。對比兩小車的位移,可知加速度與質量大致成反比。關于實驗條件,下列正確的是_________(填選項前的字母)。

A.小車質量相同,鉤碼質量不同

B.小車質量不同,鉤碼質量相同

C.小車質量不同,鉤碼質量不同

【分析】問題(1)是關于小車加速度和質量關系的猜想,實際上參與這一問題涉及的主要因素包括小車所受合外力、小車的加速度和小車的質量。為了確定小車加速度和質量的關系,我們必須控制鉤碼的質量不變。問題(1)是以實驗的研究方法作為解決問題的手段來命制本實驗。

(2)某同學為了定量驗證(1)中得到的初步關系,設計實驗并得到小車加速度a與質量M的7組實驗數據,如表1所示。在圖2所示的坐標紙上已經描好了6組數據點,請將余下的一組數據描在坐標紙上,并作出圖像。

【分析】問題(2)相對比較簡單,僅需將數據描在圖像中,并作出圖線。如果把為什么做圖像作為設問,則更有利于考查學生對數據處理本質的理解。

(3)在探究加速度與力的關系實驗之前,需要思考如何測“力”。請在圖3 中畫出小車受力的示意圖。為了簡化“力”的測量,下列說法正確的是_________(填選項前的字母)。

圖3

A.使小車沿傾角合適的斜面運動,小車受力可等效為只受繩的拉力

B.若斜面傾角過大,小車所受合力將小于繩的拉力

C.無論小車運動的加速度多大,砂和桶的重力都等于繩的拉力

D.讓小車的運動趨近于勻速運動,砂和桶的重力才近似等于繩的拉力

【分析】實驗過程中涉及數據測量,其中加速度可通過打點計時器記錄小車運動隨時間變化的紙帶來計算,質量用天平測量,合外力確定的最簡單的方式是讓小車所受拉力近似等于砂和砂桶的重力,這樣只需要利用天平測出其質量就可以了。在何種情況下,砂和砂桶的重力近似等于小車所受拉力? 第一需要平衡摩擦力,第二需要滿足m?M的條件。

【評價】利用控制變量研究物理問題的探究性實驗,而控制變量就是把多因素的問題變成多個單因素的問題。每一次只改變其中的某一個因素,而控制其余幾個因素不變,從而研究被改變的這個因素對事物的影響。實驗設計需要注意實驗方案的選擇、實驗步驟的操作,實驗數據如何處理更方便得出實驗結論,這些都可以作為命題的考點。本題素材源自人教2019年版必修第一冊第88頁。在教材的案例中,精準表述了平衡摩擦力的方法、實驗操作方法和數據處理方法,而試題命制就是把教材知識內容問題化的過程。

技巧二:考查實驗原理的表征分析 以原理表達式的變式為素材來源

實驗原理是一個實驗的靈魂,只要明確實驗原理,實驗方案就可以根據所提供實驗器材和所需測量實驗數據做出調整。這可以作為命制試題的一個重要原則和方法。下面看一下2022年北京朝陽區一模第16題是如何利用這一原則進行設計的。

【典型示例】(2022·北京朝陽一模·16)某課外活動小組用銅片、鋁片和自來水制作了由多個自來水電池構成的電池組。為了測量電池組的電動勢E和內阻r,他們選用數字電壓表(內阻大于10MΩ)、電阻箱(0～9999Ω)以及開關與該電池組連接成電路進行實驗。

(1)請在圖4的方框中畫出實驗電路原理圖。

圖4

【分析】問題(1)是根據實驗原理和題中所提供器材要求學生設計并畫出實驗原理圖,考查學生對實驗所需測量數據和方法的掌握程度。

(2)按照設計的電路圖連接電路后,調節電阻箱接入電路的阻值R,并同時記錄數字電壓表的讀數U。以為縱軸、為橫軸建立直角坐標系,描出數據點,得到圖5所示的圖線。已知圖線在縱軸上的截距為b,斜率為k,由此可以求得電池組的電動勢_________,內阻_________。(用b和k表示)

圖5

【分析】問題(2)是從實驗原理公式U＝E－Ir出發,根據實驗電路原理圖能夠測出的物理量,對公式進行適當的變形得到題中圖5縱坐標和橫坐標物理量之間關系的函數表達式,分析圖像中圖線斜率、截距等物理意義,從而得出電池電動勢和內阻的表達式。命題的過程也是解題過程的逆向思維過程。

(3)該小組的同學想用上面數字電壓表和電阻箱探究某光伏電池的特性。他們通過查閱資料知道,光伏電池在特定光照條件下的伏安特性曲線如圖6所示,則他們得到的U-R圖像可能是圖7中的________。

圖6

圖7

【分析】問題(3)的設置技巧是利用物理量之間的轉換關系,做出不同圖像,可以作為考查學生邏輯推理能力的一種方法。除此之外,還應注意物理量的最終變化趨勢也是問題思考的關鍵點。

【評價】這是一道測電池電動勢和內阻實驗的試題,涉及實驗原理、電路設計、閉合電路歐姆定律。問題(2)給的是關系圖像,需要從原理表達式出發,結合電路圖,尋找物理量之間的關系,最后轉化為以為自變量、為因變量的表達式,從而確定電池電動勢和內阻。

技巧三:考查不常見問題的原因分析 以真實實驗中的問題為素材來源

真實的實驗中往往會出現意想不到的問題,對于結論未知的實驗就更容易出現意外和驚喜,試題中的實驗都是學生學過的實驗,所以實驗結論是已知的,但不同的實驗方案、測量工具、實驗操作、數據記錄和處理方式都可能導致意外問題的出現,分析產生問題的原因,對于學生的綜合分析能力具有較高要求。下面看一下2021 年北京東城二模第16題驗證動量守恒定律中的問題設計。

【典型示例】(2021·北京東城二模·16)如圖8 所示,用半徑相同的兩個小球的碰撞驗證“動量守恒定律”。實驗時先讓質量為m1的A球從斜槽上某一固定位置C由靜止釋放,A球從軌道末端水平拋出,落到位于水平地面的復寫紙上,在下面的白紙上留下痕跡,重復上述操作10次,得到10個落點痕跡,再把質量為m2的B球放在水平軌道末端,將A球仍從位置C由靜止釋放,A球和B球碰撞后,分別在白紙上留下各自的落點痕跡,重復操作10次,M、P、N為三個落點的平均位置,O點是水平軌道末端在記錄紙上的豎直投影點,如圖9所示。

圖8

圖9

(1)下列說法中正確的有_________(填選項前的字母)。

A.安裝軌道時,軌道末端必須水平

B.實驗前應該測出斜槽末端距地面的高度

C.實驗中兩個小球的質量應滿足m1＜m2

D.除了圖中器材外,完成本實驗還必須使用的器材是天平、刻度尺和秒表

E.未放B球時,A球落點的平均位置是P點

【分析】問題(1)設置是從實驗器材選擇、實驗裝置安裝要求、實驗數據測量和實驗中入射小球落點位置分析四個角度作為設置考查選項的內容,這樣設問可以多角度、更全面地考查學生對于實驗的掌握程度。

(2)實驗中,測量出兩個小球的質量m1、m2,測量出三個落點的平均位置與O點距離OM、OP、ON的長度分別為x1、x2、x3。在實驗誤差允許范圍內,若滿足關系式_________________(用所測物理量的字母表示),則可以認為兩球碰撞前后的總動量守恒。

【分析】問題(2)設置是從轉換測量物理量的角度命制問題,這樣設置的原因是實驗過程中直接測量小球碰撞前后瞬時速度比較復雜,通過平拋運動規律尋找到碰撞前后瞬間速度和水平方向位移之間的關系,則相對容易得出碰撞規律。

(3)某實驗小組設計用上述裝置來研究碰撞前后動能的變化,實驗方案如下:如圖10所示,使從斜槽軌道滾下的小球打在正對的豎直墻上,把白紙和復寫紙附在墻上,記錄小球的落點。選擇半徑相等的小鋼球A和硬塑料球B進行實驗,測量出A、B兩個小球的質量m1、m2,其他操作重復驗證動量守恒時的步驟。M′、P′、N′為豎直記錄紙上三個落點的平均位置,小球靜止于水平軌道末端時球心在豎直記錄紙上的水平投影點為O′,用刻度尺測量M′、P′、N′到O′的距離分別為y1、y2、y3。

圖10

a.在實驗誤差允許范圍內,若滿足關系式_________(用所測物理量的字母表示),則可認為碰撞前后兩球的總動能相等。

b.在分析操作可行性時發現,按此種方法操作,有非常大的可能無法得到碰撞后A球的落點,請分析原因_______________________________________________________________。

【分析】問題(3)是通過尋找碰撞前后入射小球和被碰小球豎直方向位移和碰撞前后瞬時速度之間的關系,驗證如果其碰撞過程是彈性碰撞應滿足的碰撞前后瞬間動量守恒和能量守恒函數關系,以及實驗過程中出現碰撞后入射小球在豎直擋板上落點位置無法記錄這一意外現象產生原因,從而考查學生是否真做實驗,是否真的對實驗中出現的問題進行了深入分析。

【評價】這是一道考查兩小球碰撞前后動量和動能是否守恒的驗證性實驗。其巧妙之處在于通過水平和豎直兩種方式記錄碰撞前后入射小球和被碰小球的落點位置,使處理實驗數據的方法也隨之發生變化,但都是利用平拋運動規律。另外,考查真實實驗中存在的可能性問題,讓學生分析產生這一問題的原因,從而考查學生分析問題的能力。該題體現了真做實驗,做真實驗的課堂教學導向。

技巧四:考查物理研究方法的表征分析 以研究論文為素材來源

物理知識體系的建立往往是通過理論推導和實驗驗證的方式,在考查物理規律過程中往往可以體現物理學的研究特點。下面看一下在閉合電路歐姆定律實驗的考查中是如何體現這一命題規律的。

【典型示例】(原創)為了從實驗角度研究閉合電路歐姆定律,提供了如圖11所示原理示意圖,其中主要實驗器材:電源為J2365可調內阻的半封閉式鉛蓄電池;數字電壓表V1和V2采用4位數字電壓表,可精確到0.001V;數字電流表A 采用4位數字電流表,可精確到0.001A;電阻箱為ZX21型標準電阻箱,其中數字電壓表和電流表可以看成是理想電表。

圖11

(1)同時閉合開關S1和S2,接通電路,改變外電路(調節電阻箱阻值),兩電壓表記錄內電壓U1和外電壓U2,電流表記錄干路中電流I,電阻箱記錄外電路電阻R,數據計入表2中。

表2 探針a、b測內、外電壓,電流和外電路電阻

a.從表2 中,可以得出電池電動勢大小為_________。利用實驗數據,某同學作出如圖12所示U1-I關系圖像,分析圖像物理意義可知,圖像的斜率表示________,其大小不會因為外電阻變化而發生變化,其大小為_________。

圖12

b.U1＋U2與電動勢E并不嚴格相等,且隨著外電阻的減小、電流的增大,電動勢E與內、外電壓之和U1＋U2的差值也隨之增加,產生這種差別的主要原因是_________________________________________________________________。

【分析】問題(1)是從實驗原理出發,分析所測實驗數據,從而確定電池電動勢和內阻,并分析產生實驗系統誤差是因實驗操作受限導致。

(2)由于無法做到使探針無限接近而又不接觸電池電極,可以利用探針遠離電極來驗證推理。若用探針a′、b′替換a、b重新實驗,得到了表3中的數值,由此可知當探針遠離電極時測量結果U1＋U2與E的差值較使用探針a、b實驗時_________。

表3

【分析】問題(2)是對解決問題(1)出現操作受限問題的體現,是通過逆向思維解決問題的方式和方法并對由此產生的結果進行預判。

(3)實驗過程中由于探針無法做到無限靠近又不接觸兩極,會造成實驗誤差,在實驗誤差允許的范圍內,由表2和表3可以得出電池電動勢與內外電壓之間滿足關系:_________,根據部分電路歐姆定律,U1＝Ir,U2＝IR,由此可得閉合電路中滿足:_______。

【分析】問題(3)實際上就是由實驗數據分析獲得實驗結論的過程,沒有借助圖像而是通過數據分析得出,在已知實驗結論的前提下,對于學生來說是比較容易的,但對于未知結論的實驗則難度有所提高。

(4)在獲得閉合電路歐姆定律的過程中,我們除了實驗歸納,還可以從能量守恒的角度推導該結論,若電池電動勢為E,電池內阻為r,外電路電阻為R,試寫出其推導過程_________________________________________________。

【分析】問題(4)從能量守恒角度,分析閉合電路中能量轉換關系,從而得出閉合電路歐姆定律,對于基礎較好的學生來說并不難。

【評價】這道題目源自于?物理教學探討?2021年第8期?“閉合電路歐姆定律”實驗教學創新設計?一文,試題從原始數據出發進行命制,考查學生原始數據分析能力;從實驗操作引起數據變化原因的分析,考查學生對實驗原理的理解;試題設置問題以物理學研究方法理論推導和實驗驗證兩個角度,考查學生知識建構能力和實驗分析推理能力。

總結

試題的命制標準應以國家高考試題的核心功能、考查內容和考查要求為最高追求。試題命制過程要能夠回答?中國高考評價體系?中關于試題,為什么考、考什么、怎么考,幾個核心問題。實驗題命制應具有服務教學的導向,引導教師在教學過程中真做實驗,學生真思考實驗問題,考查學生實驗分析能力、推理論證能力,并且命制的試題應具有創新性和綜合性的特點。