高考物理實驗題解題策略分析

焦健生 吳勝強

[摘 要]實驗與探究能力是高考必考能力之一。歷年來，高考實驗題考查的知識往往涉及實驗原理和方法、基本儀器的工作原理及使用、實驗方案的選擇或設(shè)計、實驗數(shù)據(jù)的獲取及處理、實驗誤差分析等?？疾榈膶嶒?zāi)芰τ徐`活運用實驗知識的能力，不同情景下遷移和變通實驗知識的能力。針對高考對實驗?zāi)芰疾榈囊?，如何更好地提高學(xué)生實驗題的應(yīng)試能力，文章談了高考物理實驗題的三個解題策略。

[關(guān)鍵詞]聯(lián)想遷移;同中求異;異中求同;發(fā)散思維;收斂思維

[中圖分類號]G633.7

[文獻標(biāo)識碼] A

[文章編號]1674-6058（2020）14-0026-03

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理實驗是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑。教師應(yīng)當(dāng)充分利用好教材中的演示實驗和學(xué)生實驗培養(yǎng)學(xué)生的物理實驗?zāi)芰Γ次锢韮x器使用能力、圖表信息識別能力、實驗設(shè)計能力、實驗操作能力、實驗條件控制能力、數(shù)據(jù)記錄能力、實驗數(shù)據(jù)處理能力、實驗結(jié)果分析能力。

長期以來，高考堅持“以基礎(chǔ)知識為基點，以能力測試為主導(dǎo)”的命題指導(dǎo)思想?？v觀歷年各地高考物理實驗試題，呈現(xiàn)出兩大特點：一是以教材中的演示實驗和學(xué)生實驗為基礎(chǔ)，對教材實驗的原理和方法、步驟和數(shù)據(jù)處理等進行適當(dāng)?shù)母倪M和拓展;二是以高中物理知識和實驗必備知識為基礎(chǔ)，以科技生產(chǎn)、生活實際等為情景，設(shè)計一個實驗，試題具有創(chuàng)新性和靈活性。如何更好地提高學(xué)生實驗題的應(yīng)試能力？下面就來談?wù)劯呖嘉锢韺嶒烆}的三個解題策略。

策略一：聯(lián)想遷移，綜合分析

高考為了考查學(xué)生對知識的變通遷移能力，往往創(chuàng)設(shè)出方法不同于常規(guī)實驗的試題。所謂“聯(lián)想遷移”，就是在審題時由實驗日的聯(lián)想相關(guān)規(guī)律和公式;根據(jù)所給器材，特別是器材后小括號內(nèi)的標(biāo)注猜測實驗所需要的東西;根據(jù)試題要求，特別是一些關(guān)鍵要求，確定實驗方案，最后綜合分析得到解題方案，其思維流程框圖如圖1所示。

[例1]某實驗課，教師要求學(xué)生測量電壓表的內(nèi)阻，提供了這樣一些器材：待測電壓表（量程3V，內(nèi)阻約為3000Ω）;電阻箱R_n（最大阻值為99999.9Ω）;最大阻值100Ω的滑動變阻器R₁，其額定電流2A;電源的電動勢6V，內(nèi)阻不計;開關(guān)2個;導(dǎo)線若干。

（l）圖2-1所示虛線框內(nèi)為某同學(xué)設(shè)計的電路圖的一部分，請設(shè)計一個電路，完成該實驗并將電路圖補全。

（2）寫出實驗的操作步驟：

（3）進行誤差分析.測量值RR_v測________RR_v真（填“>”“=”或“<”），理由是________________.

策略：本題要求測電表電阻，其中電路的設(shè)計，涉及測電壓表內(nèi)阻的方法設(shè)計，以及滑動變阻器的連接方式。測量電阻應(yīng)立即聯(lián)想到伏安法測電阻，即及R=U/Ⅰ，但題中并無電流表，而給了阻值可讀出的電阻箱，應(yīng)聯(lián)想到“替代法”或“半偏法”，由于本題中因電壓表的內(nèi)阻大電流小，“替代法”不可采用而應(yīng)采用“半偏法”，即電壓表滿偏時通過該表的電流是半偏時通過該表電流的兩倍。

滑動變阻器在電路中的作用有兩種：限流作用和分壓作用。本題所給的滑動變阻器的阻值比電阻箱最大阻值小了很多，故不能使用限流式接法，而使用分壓式接法。

簡析：綜上可知，設(shè)計的電路為圖2-2所示。操作步驟按實驗的操作規(guī)范進行。第一步，移動滑動變阻器R₁的滑片到最左端;第二步，閉合s₁、s₂，調(diào)節(jié)R₁，使電壓表指針滿偏;第三步，不改變滑動變阻器阻值，斷開s₂，調(diào)節(jié)R₀至電壓表指針半偏，此時電阻箱的阻值就是電壓表內(nèi)阻。

誤差分析：開關(guān)S₂打開后，電壓表和電阻箱串聯(lián)的支路阻值變大，電壓也變大，則R₀兩端的電壓大于電壓表半偏時的電壓，所以，電壓表內(nèi)阻的測量值大于其真實值。

策略二：同中求異，發(fā)散思維

一個人的創(chuàng)新能力往往體現(xiàn)在他能夠克服思維定式的負效應(yīng)，不被已有的知識和方法固化自己的思維。高考實驗試題往往源于教材但又不拘泥于教材，更多的是在教材實驗的基礎(chǔ)上創(chuàng)沒新情境和新方法，形同而質(zhì)不同。

這就要求學(xué)生能夠用教材中的實驗原理、方法和技巧來處理試題中的新問題，即所謂的“同中求異”。如圖3是解決“同中有異”類實驗試題的思維導(dǎo)圖，學(xué)生應(yīng)當(dāng)學(xué)會對比和類比，也就是尋找試題中的實驗與平時所接觸的實驗的異點，是否多了或少了器材，或器材發(fā)生了變化，從變化中聯(lián)想到所給器材的作用，從而一改已有的實驗原理或方法，尋找新的解題突破口。

[例2]甲、乙兩個實驗小組，分別用兩個實驗方案來“探究加速度和力、質(zhì)量的關(guān)系”。

（1）甲組用如圖4-1所示的實驗裝置，帶定滑輪的長木板放置在水平桌面上，砂桶細線繞過小車上的定滑輪系著一個固定的拉力傳感器。實驗時，下列四個選項中必要且正確的是_________。

A.將長木板有端適當(dāng)墊高，使小車能自由勻速滑動

B.小車靠近打點計時器，先接通電源，再釋放小車，打出一條紙帶，同時記錄傳感器的示數(shù)

C.為了減小誤差，實驗中一定要保證砂和砂桶的質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量

D.用天平測出砂和砂桶的質(zhì)量

（2）乙組用如圖4-2所示的實驗裝置。

①正確實驗操作中，打出了一條如圖4-3所示的紙帶，取連續(xù)的一些計數(shù)點（每兩個計數(shù)點間還有四個計時點沒標(biāo)出來），打點計時器的頻率為50 Hz。求第4個計數(shù)點對應(yīng)的小車速度ν₄=_____m/S;小車的加速度a=_______m/S²。（保留三位有效數(shù)字）

②平衡了摩擦力后，在小車質(zhì)量M保持不變的情況下，不斷往砂桶里加砂，直到砂的質(zhì)量最終達到M。測出每次加砂后，砂和砂桶的總重力F和小車的加速度A，作a-F的圖像（圖4-4）。下列圖線正確的是________。

策略：本題是一個創(chuàng)新型的力學(xué)實驗題，學(xué)生審題后，自然聯(lián)想到平衡摩擦力和砂及砂桶的質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量，如果沒有理解本題的實驗方法，肯定會因思維定式而犯錯。

對比發(fā)現(xiàn)，本題的實驗裝置與教材中實驗裝置有類似之處，但更重要的是有不同之處，多了一個拉力傳感器，小車上多了定滑輪且細繩的繞法也不同。這幾個不同點應(yīng)當(dāng)是思維的關(guān)鍵點，破題的關(guān)鍵。有了拉力傳感器，小車所受的拉力就可以測定，估計不必要求小車的質(zhì)量遠大于砂和砂桶的質(zhì)量。平衡摩擦力后也不必用天平測㈩砂和砂桶的質(zhì)量。另外，本題的誤差分析，用數(shù)學(xué)表達式來分析會比較嚴(yán)謹(jǐn)。

簡析：（1）實驗前必須要平衡摩擦力，A正確;實驗時小車應(yīng)靠近打點計時器，先通電源，后放小車，記錄拉力傳感器的示數(shù)，B正確;拉力傳感器示數(shù)為繩子的拉力，這就不需要砂和砂桶的質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量，也不必測出砂和砂桶的質(zhì)量，C、D項錯誤。

（2）①ν₄=1.21 m/s;根據(jù)△x=aT²，a=2.02m/s²。

②平衡摩擦力后，對小車和砂及砂桶整體有：mg=（M+m）a，聯(lián)立可得：a=mg/M+m。當(dāng)m≤M時，則a=mg/M=F/M，則a-F的圖像是過原點的一條傾斜直線;當(dāng)不滿足m≤M時，則應(yīng)遵循a=F/（M+m）規(guī)律，當(dāng)砂的質(zhì)量增加時，a-F圖像的斜率k=1/（M=m）將不斷減小，故圖線會出現(xiàn)下彎的情況。

策略三：異中求同，收斂思維

每年的高考實驗題都會有一定的創(chuàng)新或改編，主要是在試題情境的設(shè)計上進行了較多的創(chuàng)新，當(dāng)然，物理知識和實驗?zāi)芰σ笠欢ú粫?，即“萬變不離其宗”，這就需要學(xué)生要有一定的科學(xué)探究能力和思維變通能力，既會發(fā)散思維又會收斂思維，要善于改變傳統(tǒng)的思維方式，運用新的思維方式分析和處理問題。

創(chuàng)新型的實驗題往往會融合一些生活或科技方面的新情境，創(chuàng)設(shè)新方案或新問題，針對這些新情境、新方案、新問題，要學(xué)會去偽存真，著力于異中求同，剔除新情境中無用的信息，尋求與常規(guī)實驗相似的地方，然后運用熟知的原理、方法進行解答，即所謂的“異中求同”。如圖5是解決“異中求同”類實驗試題的思維導(dǎo)圖。

[例3]在一次研究性學(xué)習(xí)比賽活動中，教師提供了如下器材，要求測量一節(jié)干電池的電動勢和內(nèi)阻。

A.待測的干電池一節(jié)

B.電流表A₁，（量程0-3mA，內(nèi)阻R_g1=10Ω）

C.電流表A₂（量程0-0.6A，內(nèi)阻R_g2=0.1Ω）

D.滑動變阻器R₁（0-20Ω，1.OA）

E.電阻箱R₀（O-9999.9Ω）

F.開關(guān)和導(dǎo)線若干

（l）某參賽同學(xué)發(fā)現(xiàn)上述器材中沒有電壓表，他想利用其中的一個電流表和電阻箱改裝成一個電壓表，其量程為0-3V，并設(shè)計了圖6-1所示的a、b兩個參考實驗電路，其中合理的是______（選填“a”或“b”）電路;此時R₀的阻值應(yīng)取________Ω。

（2）圖6-2為該參賽同學(xué)根據(jù)合理電路所繪出的I₁-I₂圖像（I₁為電流表A₁的示數(shù)，I₂為電流表A₂的示數(shù)）。根據(jù)該圖像可求得待測干電池的電動勢E=_______V，內(nèi)阻γ=_________Ω。

策略：本題是對“測定電源電動勢和內(nèi)阻”實驗和規(guī)律的拓展與延伸，實驗數(shù)據(jù)的處理也有變化和創(chuàng)新。

本題有別于常規(guī)實驗的兩點是無電壓表，給定的圖線也不同于常規(guī)實驗的U-I線。找出了異點，就要向同點靠。雖無電壓表，但題中給了電阻箱，那就可以用電流表和電阻箱改裝一個電壓表。給定的I₁-I₂圖像，我們可以通過U=I（R+γ）來導(dǎo)出I₁-I₂的函數(shù)表達式，問題即可解決。

簡析：（1）由于電路中的電流不能小于3mA，故用A₂，來測量電路中電流，而把A₁和電阻箱改裝成電壓表，故選b電路;U=I₁（R_g1+R₀），即3=0.003x（10+R₀），可求得R₀=990Ω。

（2）根據(jù)U_外=I₁xlOOO=E-I₂γ，延長圖線，則縱截距為電源的電動勢，其值約為1.48V，由圖線的斜率可知干電池的內(nèi)阻為0.84Ω。

總之，再好的實驗題解題策略也是基于真實實驗和真實思維的體驗學(xué)習(xí)的，因此，提出如下三個教學(xué)建議，供大家參考：

1.重視學(xué)生實驗操作的真實體驗。由理論到實踐，再由實踐到理論，讓學(xué)生動手做實驗，動腦想問題，這樣有助于學(xué)生動手能力和思維能力的培養(yǎng)和提高，有助于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)求真能力和創(chuàng)新能力。實驗后給學(xué)生做一定量的實驗練習(xí)是必要的，但僅停留在“紙上實驗”的做法是錯誤的，那樣只能培養(yǎng)出機械的、模板的、思維僵化的學(xué)生。

2.注重實驗原理和方法的分析研究。實驗原理和方法是操作的基礎(chǔ)，是掌握實驗的關(guān)鍵，只有注重實驗原理的分析，才能合理地選擇器材和裝置，進行實驗設(shè)計，才能正確處理數(shù)據(jù)、評估實驗結(jié)果和進行誤差分析。

3.適時進行拓展性實驗教學(xué)。實驗教學(xué)要兩手抓，一手抓實驗基礎(chǔ)，一手抓實驗的拓展和創(chuàng)新，拓寬學(xué)生視野，拓展學(xué)生思維，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維?！犊荚囌f明》規(guī)定的實驗有15個左右，高考試題卻每年都有創(chuàng)新，因此，平時的實驗教學(xué)不能干篇一律。況且今后高考改革的方向不再有什么考試大綱或考試說明，實驗試題將不再拘泥于教材中現(xiàn)成的實驗，當(dāng)然實驗?zāi)芰疾椴粫鲋袑W(xué)生的能力范圍。

4.培養(yǎng)學(xué)生的規(guī)范思維能力。所謂“思維規(guī)范”是指在解題時，從審題到挖掘題目隱含條件，從讀題到信息提取和提煉，再到建立物理模型的過程。思維規(guī)范反映了一個學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)和學(xué)科能力。

[參考文獻]

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（責(zé)任編輯 易志毅）