高考實驗題的創新途徑及解題策略

胡道成

高考評價體系提出了“基礎性、綜合性、應用性、創新性”的考查要求.經過對2023年全國各地高考物理實驗題的研究發現：高考實驗題正朝著加強探究性、開放性的方向發展，考查學生的物理思想方法運用與創新遷移能力.現通過幾道試題剖析指向核心素養的高考物理實驗題的命題創新途徑及解題策略．

一、拓展教材基本實驗，考查創新遷移能力

通過設計“源于教材，高于教材”的情境類實驗題，落實基礎性，注重綜合性，強化創新性，體現了高考命題改革與新課程標準的有效銜接，考查學生的現場學習能力和物理思想方法的遷移運用能力.要求學生能運用所學物理概念、規律、原理和認知經驗來解決陌生問題，得出新的結論，充分體現了對“實驗探究能力”的考查要求．

【例1】（2023年湖南卷）某物理興趣小組在學習《單擺》后設計了一種異形擺，并通過實驗研究它的周期.如圖1，異形擺是由一根剛性輕桿和兩個質量、大小相同的擺球組成的.它的周期可以用一個等效擺長L′來表示，即T=2πL′/g.他們通過查閱相關資料發現L′=x2+L2/x+L，周期為T=2πL′/g=2πx2+L2/（L+x）g，異形擺的周期與x的關系如圖2，在圖2中橫坐標為x，縱坐標為周期T，則

（1）如果異形擺作簡諧運動，則異形擺周期與振幅___ （填“有關”或“無關”）．

（2）當x增大時，則異形擺的周期如何變化：___ ．

（3）當x為___ 時（用L表示），異形擺周期有最小值．

【解析】（1）從異形擺的周期表達式中可以看出，其周期與振幅無關.周期表達式中沒有的物理量通常都是無關的，這是最基本的邏輯推理方法．

（2）從圖2中可以獲取信息：隨著橫坐標x的增大，縱坐標為周期T先減小后增大．

【點評】本題通過拓展教材實驗構建“異形單擺”來考查學生的現場學習能力和遷移創新能力，（1）（2）兩個問題的解答只要從所給公式和圖像中正確獲取信息，就很容易得到正確答案；而第（3）問則屬于“應用數學處理物理問題能力”的要求，要用“均值不等式”求極值，也可用“求導數”來解決，對學生的數學知識要求較高，我們要注意數學知識在求極值過程中的應用．

二、設計新穎的創新實驗，考查學生的知識綜合運用能力

采用教材中不存在的新穎創新實驗，要求學生把學習到的物理知識、物理研究方法遷移到新的問題情境之中，通過主動思考，去探索新的問題、尋找新規律、歸納新結論.對學生的觀察能力、理論聯系實際能力、靈活運用所學知識分析和解決實際問題能力的要求較高，凸顯物理思想方法的遷移應用，注重綜合性和創新性．

【例2】（2023年湖南卷）某同學探究彈簧振子振動周期與質量的關系，實驗裝置如圖3所示，輕質彈簧上端懸掛在鐵架臺上，下端掛有鉤碼，鉤碼下表面吸附一個小磁鐵，其正下方放置智能手機，手機中的磁傳感器可以采集磁感應強度實時變化的數據并輸出圖像，實驗步驟如下：

（1）測出鉤碼和小磁鐵的總質量m；

（2）在彈簧下端掛上該鉤碼和小磁鐵，使彈簧振子在豎直方向做簡諧運動，打開手機的磁傳感器軟件，此時磁傳感器記錄的磁感應強度變化周期等于彈簧振子振動周期；

（3）某次采集到的磁感應強度B的大小隨時間t變化的圖像如圖4所示，從圖中可以算出彈簧振子振動的周期T=___ （用“t0”表示）；

（4）改變鉤碼質量，重復上述步驟；

（5）實驗測得數據如下表所示，分析數據可知，彈簧振子振動周期的平方與質量的關系是______ （填“線性的”或“非線性的”）；

（6）設彈簧的勁度系數為k，根據實驗結果并結合物理量的單位關系，彈簧振子振動周期的表達式可能是______ （填正確答案標號）；

（7）除偶然誤差外，寫出一條本實驗中可能產生誤差的原因__________________．

【解析】（3）由某次采集到的磁感應強度B的大小隨時間t變化的圖像，可以看出彈簧振子完成了10次全振動，可算出彈簧振子振動周期T=t0/10．

（5）分析數據可知：每次實驗改變鉤碼的質量Δm=0.010kg，而對應的T2變化量約為ΔT2=0.040s2，可見彈簧振子振動周期的平方與質量的關系是線性的．

（6）周期的單位是s，而彈簧勁度系數k的單位為N/m=kg/s2，只有表達式2πk/m才能使運算后的單位是s，所以彈簧振子振動周期的表達式可能是T=2πm/k，選項A正確．

（7）除偶然誤差外，產生實驗誤差的原因就是系統誤差，實驗中可能產生偶然誤差的原因是存在空氣阻力．

【點評】本題通過“手機的磁傳感器軟件來記錄磁感應強度變化周期，從而得到豎直方向上做簡諧運動的彈簧振子的振動周期”來命題，用“轉換法”來命制新穎的創新實驗以考查學生的猜想能力、歸納思維和科學方法遷移能力.“量綱分析法”及數據規律的探究很契合物理實驗的邏輯要求，而且要靠科學方法把物理知識綜合到一起，才能順利解答問題，充分體現了對“科學方法”的考查要求．

三、創新實驗原理及器材，考查實驗探究能力

圍繞某一實驗目的，結合相關的理論知識，創新實驗原理和器材，要求考生通過觀察實驗裝置，閱讀題目對實驗操作過程的描述及物理圖像、圖表等來獲取有用信息，并通過類比、聯想等思維方法來建構物理過程模型，尋找“創新實驗”所使用的基本物理知識和規律、原理，識別這種“換湯不換藥”的創新途徑，再結合所學理論知識，列出含有待測量的原理公式，才能對題目進行解答．

【例3】（2023年湖北卷） 某同學利用測質量的小型家用電子秤，設計了測量木塊和木板間動摩擦因數μ的實驗.如圖5所示，木板和木塊A放在水平桌面上，電子秤放在水平地面上，木塊A和放在電子秤上的重物B通過跨過定滑輪的輕繩相連.調節滑輪，使其與木塊A間的輕繩水平，與重物B間的輕繩豎直.在木塊A上放置n（n=0，1，2，3，4，5）個砝碼（電子秤稱得每個砝碼的質量m0為20.0g），向左拉動木板的同時，記錄電子秤的對應示數m．

（1）實驗中，拉動木板時______ （填“必須”或“不必”）保持勻速．

（2）用mA和mB分別表示木塊A和重物B的質量，則m和mA、mB、m0、μ、n所滿足的關系式為m=

______ ．

（3）根據測量數據在坐標紙上繪制出m-n圖像，如圖6所示，可得木塊A和木板間的動摩擦因數μ=______（保留2位有效數字）．

【解析】（1）實驗是通過測出木塊與木板間的滑動摩擦力來測摩擦因數的，而兩者之間的滑動摩擦力大小與相對速度大小無關，所以，拉動木板時不必保持勻速．

（2）以重物B為研究對象，根據力的平衡條件可知：T+FN=mBg；T=f=μ（mA+nm0）g；FN=mg；于是：mg=mBg-μ（mA+nm0）g；解得

m=mB-μ（mA+nm0）即為所需關系式．

（3）結合圖像可知，需要將m=mB-μ（mA+nm0）整理成關于n的一次函數關系式：m=mB-μmA-μm0·n，由圖像斜率可得：μm0=59-19/5=8，所以μ=0.40．

【點評】這類題需要學生充分發揮“類比思維”能力，從實驗目的出發，結合相關的理論知識，思考實驗原理和過程，尋找到“創新實驗”與基本實驗在原理上、操作過程上、數據處理技巧上的相似性，遷移課本實驗的基本思路進行突破.測物體之間的摩擦因數還會讓物體經歷一個有滑動摩擦力的運動過程，用“牛頓第二定律”或“動能定律”寫出一個含有摩擦因數的方程，據此即可測出物體之間的摩擦因數，我們要充分發揮“聚合思維”能力，將題給器材與物理知識有機結合，才能突破這類實驗創新題．

四、創新實驗目的進行新穎設問，考查數據處理能力

直接采用課本中的實驗裝置和原理來設計新穎的設問方式，不僅能體現實驗命題的“創新性”要求，對考生的觀察能力、推理論證能力、靈活運用所學知識分析和解決實際問題能力進行考查. 這類創新實驗與課本實驗在“實驗步驟”“注意事項”“誤差分析”等方面幾乎一致，只是在實驗數據處理上需要考生根據所學的物理規律，找出與實驗圖像相符的函數關系式，再由圖像的斜率、截距所表示的物理意義進行推導、求解而得出待求的物理量．

【例4】（2023年全國甲卷）某同學利用如圖7所示的實驗裝置探究物體做直線運動時平均速度與時間的關系.讓小車左端和紙帶相連.右端用細繩跨過定滑輪和鉤碼相連.鉤碼下落，帶動小車運動，打點計時器打出紙帶.某次實驗得到的紙帶和相關數據如圖8所示．

（1）已知打出圖8中相鄰兩個計數點的時間間隔均為0.1s，以打出A點時小車位置為初始位置，將打出BCDEF各點時小車的位移Δx填到表中.小車發生位移所用時間和平均速度分別為Δt和，表中ΔxAD=___ cm，AD=___cm/s．

（3）從實驗結果可知，小車運動的-Δt圖線可以視為一條直線，此直線方程用=kΔt+b表示，其中k=___ cm/s2，b=___ cm/s.（結果均保留3位有效數字）

（4）根據（3）中的直線方程可以判定小車做勻加速直線運動，得到打出A點時小車速度大小vA=___，小車的加速度大小a=___ .（結果用字母k、b表示）

【解析】（1）從紙帶上的數據可得：ΔxAD=6.60cm+8.00cm+9.40cm=24.00cm；小車從A運動到D的時間為Δt=3×0.1s=0.3s，所以AD=ΔxAD/Δt=80.00cm/s．

（2）將AD對應的數據點（0.3s，80.00cm/s）畫在小車平均速度隨時間的變化關系圖像中，如圖10所示．

（3）過盡可能多的點作出直線，如圖11，此直線方程為=kΔt+b，其圖像斜率k=68.0cm/s2，在縱軸上的截距b=59.0cm/s．

（4）由x=vAΔt+1/2a（Δt）2，可得x/Δt=vA+1/2aΔt ，即=vA+1/2aΔt，所以打出A點時速度大小vA=b，再由k=1/2a可得小車的加速度a=2k．

【點評】這道題在實驗基本原理、器材（裝置）上都與課本上測瞬時速度和加速度的實驗一致，但實驗目的改為“平均速度與時間的關系”以便設計新穎的問題，考查學生的實驗數據的處理能力.解答過程中需要將勻變速直線運動規律及其相關知識點與題給實驗裝置、操作過程有機結合起來，從圖像上尋找題目中的縱坐標和橫坐標所表示的物理量，再對所列式子進行變形，整理成一次函數“y=kx+b”的形式以滿足題目的坐標要求，進而從圖像的斜率、截距上去獲取待求量，這是“圖像法”處理數據的基本思維模式.題中求A點的速度vA實際上是“外延法”的運用，題中是通過物理公式來實現的．

五、采用新儀器設計新實驗，考查創新思維能力

依據新教材內容及物理課程標準，采用傳感器等新儀器來設計創新實驗，增強基礎性與創新性，體現了對知識融會貫通、學以致用的“綜合性”考查要求，對學生的獨立思考和運用所學物理知識分析問題、解決問題的能力要求較高，是考查創新思維能力的主要途徑。

【例5】（2023年山東卷）電容儲能已經在電動汽車，風、光發電、脈沖電源等方面得到廣泛應用。某同學設計圖12（甲）所示電路，探究不同電壓下電容器的充、放電過程，器材如下：

電容器C（額定電壓10V，電容標識不清）；

電源E（電動勢12V，內阻不計）；電阻箱R1（阻值0～99999.9Ω）；

滑動變阻器R2（最大阻值20Ω，額定電流2A）；

電壓表V（量程15V，內阻很大）；發光二極管D1、D2，開關S1、S2，電流傳感器，計算機，導線若干。

回答以下問題：

（1）按照圖12（甲）連接電路，閉合開關S1，若要升高電容器充電電壓，滑動變阻器滑片應向_________端滑動（填“a”或“b”）。

（2）調節滑動變阻器滑片位置，電壓表表盤如圖12（乙）所示，示數為_________V（保留1位小數）。

（3）繼續調節滑動變阻器滑片位置，電壓表示數為8.0V時，開關S2擲向1，得到電容器充電過程的I-t圖像，如圖12（丙）所示。借鑒“用油膜法估測油酸分子的大小”實驗中估算油膜面積的方法，根據圖像可估算出充電結束后，電容器存儲的電荷量為______C（結果保留2位有效數字）。

（4）本電路中所使用電容器的電容約為_________F（結果保留2位有效數字）。

（5）電容器充電后，將開關S2擲向2，發光二極管_________（填“D1”或“D2”）閃光。

【解析】（1）因滑動變阻器采用分壓式接法，故要升高電容器充電電壓，滑動變阻器滑片應向b端滑動；（2）電壓表量程為15V，每個小格表示0.5V，故示數為6.5V；（3）I-t圖像所圍的面積等于電容器存儲的電荷量，從圖上數得面積為38個小格，每小格表示0.2×10-3×0.5C=1.0×10-4C，故電容器存儲的電荷量為q=3.8×10-3C；（4）由電容的定義式C=q/U得：C=4.8×10-4F；（5）電容器左邊極板帶正電，開關S2擲向2時，電容器通過D1放電，故D1閃光。

【點評】本題將人教版必修三“金屬絲電阻率的測量”所用的基本電路與拓展學習內容“用傳感器觀察電容器的放電過程”結合起來，通過設計新的電路來設置問題，利用傳感器直接得到I-t圖像，只需識別出圖線所圍的面積等于電容器存儲的電荷量，再通過“數格子”的方法即可求出電容器存儲的電荷量；通過觀察可知電容器左邊的極板與電源相連，所以電容器通過D1放電而使其閃光。對這類“組合式”的實驗創新題，只要進行適當的拆分即可運用所學理論知識進行破解。

總之，在“科學教育”受到高度重視的背景下，高考物理實驗題的“創新性”特征會越來越明顯.實驗題的命題設計會依據基本實驗或基本器材，從實驗目的、實驗原理、實驗思想方法、實驗器材（裝置）、實驗規程、實驗數據處理、實驗注意事項、實驗誤差分析及反思評價等方面進行改造、整合、嫁接、遷移等拓展延伸處理，突出考查學生的實驗探究能力、思想方法遷移能力、理論知識綜合應用能力，在“問題解決”中全面考查學生的創新能力，實驗復習過程中需要關注“聚合思維”與“發散思維”能力的提升．

責任編輯 李平安