重視原理 訓練思維 培育素養(yǎng)
——2019年高考全國卷Ⅲ物理實驗題評析

(華南師范大學物理與電信工程學院，廣東 廣州 511400)

1 引言

隨著物理課程改革的進一步深化，中學物理實驗的地位也進一步提升。高考物理實驗題具有較強的導向性，能體現(xiàn)課程改革的動向。因此，對高考物理真題評析顯得尤為必要，筆者以2019年高考全國卷Ⅲ物理實驗題為例，對試題內涵深入挖掘，期望能為物理實驗教學提供參考。

2 原題呈現(xiàn)與解析

例1(2019年高考全國卷Ⅲ理綜第22題)：甲乙兩位同學設計了利用數(shù)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的信息，在此實驗中還必須使用的器材是( )。

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。

(3) 實驗中兩同學由連續(xù)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/s2(保留2位有效數(shù)字)。

解析：本題要求學生能正確理解測定加速度實驗中相關物理量，并能與實驗器材一一對應，考查運動學公式。

(1) 頻閃照相與打點計時器實驗原理相同，均是相隔一定時間進行一次記錄。所以在利用頻閃照相法計算物體速度時，必須明確長度、時間這兩個物理量。根據(jù)題目條件，已知兩次位置間的時間間隔，因此，利用秒表測時間在本實驗中顯得多余，A選項正確。

(2) 將米尺豎直放置，小球下落時應盡量靠近米尺。

例2(2019年高考全國卷Ⅲ理綜第23題)：某同學欲將內阻為98.5Ω、量程為100μA的電流表改裝成歐姆表并進行刻度和校準，要求改裝后歐姆表的15kΩ刻度正好對應電流表表盤的50μA刻度?？蛇x用的器材還有：定值電阻R0(阻值14kΩ)，滑動變阻器R1(最大阻值1500Ω)，滑動變阻器R2(最大阻值500Ω)，電阻箱(0～99999.9Ω)，干電池(E=1.5V，r=1.5Ω)，紅、黑表筆和導線若干。

(1) 歐姆表設計

圖1

將圖1中的實物連線組成歐姆表。歐姆表改裝好后，滑動變阻器R接入電路的電阻應為Ω；滑動變阻器選(填“R1”或“R2”)。

(2) 刻度歐姆表表盤

通過計算，對整個表盤進行電阻刻度，如圖2所示。表盤上a、b處的電流刻度分別為25和75，則a、b處的電阻刻度分別為、。

圖2

(3) 校準

紅、黑表筆短接，調節(jié)滑動變阻器，使歐姆表指針指向kΩ處；將紅、黑表筆與電阻箱連接，記錄多組電阻箱接入電路的電阻值及歐姆表上對應的測量值，完成校準數(shù)據(jù)測量。若校準某刻度時，電阻箱旋鈕位置如圖3所示，則電阻箱接入的阻值為Ω。

圖3

圖4

解析：(1) 本題考查的是歐姆表的改裝過程，題目中原先電流表量程為100μA，現(xiàn)在要求15kΩ的刻度正好對應的是50μA，50μA也就是指針指在表盤的中間位置，其對應的刻度正好是歐姆表的中值電阻，即歐姆表本身的內阻。實物電路圖中只需將實驗器材串聯(lián)，滑動變阻器采用限流接法，對于歐姆表的紅、黑表筆，尤其需要注意“紅進黑出”的要點(電流由紅筆進，由黑筆出)，實物電路圖連線見圖4所示。

可計算出滑動變阻器連入電路的電阻R=RΩ-Rg-r-R0=900Ω，滑動變阻器應選擇R1。

(3) 紅、黑表筆短接時，被測電阻Rx=0。對滑動變阻器進行調節(jié)，指針指到靈敏電流表最大刻度處(即歐姆表指針指到0Ω處)，電阻箱接入的電阻R=35000.0Ω。

3 試題特點

3.1 重視實驗原理的理解和遷移

實驗原理是實驗的核心，是物理實驗思想、方法的彰顯。在例1中，學生需要知道頻閃照相作為研究物體做變速運動的常用手段之一，頻閃儀會每隔一段時間發(fā)出一次短暫的閃光，照亮運動的物體，膠片上可以利用記錄下物體在閃光時的確切位置，學生只有理解了利用頻閃相機測重力加速度的實驗原理，才能在第(1)問中選擇出還需使用的實驗器材。運用勻變速直線運動的推論：在連續(xù)相鄰的相等時間內位移差值為一定值，即：Δx=aT2，計算得出重力加速度的數(shù)值。例2側重于考查歐姆表的構造以及電表的改裝，解答這一題的關鍵在于依據(jù)歐姆表的原理得出中值電阻的阻值。學生只有正確理解中值電阻的概念，才能計算出接入電路的滑動變阻器阻值。上述考題既源于教材，又高于教材，以合理設問的方式，多角度考查了學生對基本實驗原理的理解和遷移能力。

3.2 突出實驗設計能力的考查

實驗設計能力的考查著重強調學生是否能依據(jù)提出的問題、某一物理現(xiàn)象或者情境，靈活地應用已有的物理知識、方法，設計出具有科學性、合理性以及可操作性的實驗方案。例2第(1)問要求學生自行設計實驗方案，能正確連接實物電路圖，并具有電路保護的意識，進行合理估算，選擇適當?shù)幕瑒幼冏杵?。?并未要求學生自行設計實驗方案，而是在題目中給定的實驗情境中融入了對實驗設計能力的考查，第(2)問考查學生對實驗原理的理解，并能依據(jù)實驗情境，選擇出適當?shù)膶嶒炂鞑?，說出具體的器材使用方法，試題具有一定的開放性。

3.3 強調基本實驗技能的考查

基本實驗技能是學生進行實驗探究的關鍵，例1第(3)問明確要求學生對最后實驗結果運用有效數(shù)字規(guī)則進行表述。通過調查發(fā)現(xiàn)：有學生給出的答案是g=9.70m/s2，表明其實驗技能不扎實，忽略了有效數(shù)字具體運算規(guī)則。例2中也涉及電阻箱的正確讀數(shù)、歐姆表的調零以及紅黑表筆的接法等實驗操作知識點的考查。高考物理大綱中明確要求學生知道有效數(shù)字的概念，會用有效數(shù)字正確表達測量的結果，會使用基本實驗器材。由此可見，兩道考題緊扣考綱，命題導向十分鮮明，能較好地考查學生的基本實驗技能。

4 對物理實驗教學的啟示

《普通高中物理課程標準(2017年版)》對物理核心素養(yǎng)及關鍵能力的培養(yǎng)提出了新的、更高的要求，科學探究作為其重要組成，更多地關注學生的物理實驗及其實踐活動。歷年高考題的考查也凸顯出了實驗能力的重要性，2019年高考物理全國卷Ⅲ中實驗題對于進一步落實核心素養(yǎng)的培養(yǎng)有以下啟示。

4.1 注重物理實驗教學，加強實驗技能訓練

為培育學生的物理學科核心素養(yǎng)，物理實驗教學的重要性不言而喻，在物理實驗教學中，應落實考試大綱中物理實驗要求。如游標卡尺、螺旋測微器的讀數(shù)問題不僅是高考實驗中的?？键c，也是物理實驗教學中的難點。如果教師僅僅只是傳授讀數(shù)方法，學生沒有進行具體的實踐操作，其教學效果將會大打折扣。所以，在物理實驗教學中，應讓學生自主進行實驗，實驗器材的選擇、實驗目的和方案的確定、實驗原理的理解、實驗數(shù)據(jù)的記錄與處理、實驗誤差分析以及實驗結論的得出等各個環(huán)節(jié)都不容忽視，著力培養(yǎng)學生的實驗技能。

4.2 挖掘教材實驗素材，培養(yǎng)科學探究能力

最近幾年全國卷Ⅲ中的物理實驗題并不都是教材原題，但考查的實驗原理和方法源于教材。如2018年、2019年全國卷Ⅲ實驗題第22題考查學生對自由落體運動原理的理解和分析，其實驗情境分別來自于人教版高中物理必修一中的“問題與練習”“做一做”等欄目。因此在物理教學過程中，不應只僅僅局限于教材中的演示實驗，還要深入挖掘教材中實驗素材，將實驗素材進行重新設計，鼓勵學生開展開放性探究活動，為學生提供發(fā)揮創(chuàng)造性的機會。如人教版教材中的“做一做”欄目涉及了利用傳感器對作用力和反作用力兩者間的關系進行探究、利用傳感器測速等內容，因此可以引導學生運用數(shù)字化實驗系統(tǒng)開展課外物理實驗研究。實驗方案由學生自主設計，數(shù)據(jù)收集與處理以小組形式進行，最后通過小組討論得出結論，以培養(yǎng)學生的科學探究能力。

4.3 滲透科學方法教育，提高發(fā)散思維能力