探尋實驗命題規(guī)律 優(yōu)化實驗復(fù)習(xí)策略 ①

潘華君

(江蘇省宜興市第一中學(xué)，江蘇 宜興 214200)

1 2016—2020年江蘇高考物理卷實驗題歸類分析

1.1 呈現(xiàn)順序

對2016年—2020年江蘇高考物理卷實驗命題進(jìn)行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，實驗題的總體特征為：穩(wěn)中有新、縱橫拓展、重在能力；從題型上看，每年都設(shè)計了兩道題且一力一電，力學(xué)實驗題與電學(xué)實驗題總是交替先后呈現(xiàn)(表1)；從實驗的考查內(nèi)容來看，重在考查學(xué)生對實驗原理的理解、信息獲取和分析能力、探究和設(shè)計能力等，努力區(qū)分“真做實驗”和“做實驗題”。

表1

1.2 實驗?zāi)康?/h3>

從實驗題的考查目的來看，2016年—2020年江蘇高考物理卷共有10道實驗題，力學(xué)實驗題的中心是“力學(xué)規(guī)律的應(yīng)用和拓展研究”，電學(xué)實驗題的中心是“用伏安法測電阻”。對10道實驗題的實驗?zāi)康慕y(tǒng)計如表2。

表2

1.3 閱讀量統(tǒng)計

對2016年—2020年江蘇高考物理卷10道實驗題的文字量、圖表數(shù)等情況的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，文字閱讀量總體上有較明顯的波動，每年的兩道實驗題的示意圖和表格總數(shù)在4～6，具體統(tǒng)計如表3。

表3

1.4 試題來源

1.4.1 源于教材習(xí)題

例1：(2017年第11題)某同學(xué)通過實驗制作一個簡易的溫控裝置，實驗原理電路圖如圖1所示，繼電器與熱敏電阻Rt、滑動變阻器R串聯(lián)接在電源E兩端，當(dāng)繼電器的電流超過15 mA時，銜鐵被吸合，加熱器停止加熱，實現(xiàn)溫控。繼電器的電阻約為20 Ω，熱敏電阻的阻值Rt與溫度t的關(guān)系如下表所示……

圖1

點評：這類試題是由平時所做的習(xí)題適度變化而來。如例1取材于人教版高中物理選修3-2“傳感器”第2節(jié)的課后習(xí)題(圖2)。試題重點考查實驗原理分析、器材選擇、故障分析以及設(shè)計能力。

1.4.2 必做實驗的融合

例2：(2017年第10題)利用如圖3所示的實驗裝置探究恒力做功與物體動能變化的關(guān)系。小車的質(zhì)量為M=200.0 g，鉤碼的質(zhì)量為m=10.0 g，打點計時器的電源為50 Hz的交流電。

圖3

(1) 掛鉤碼前，為了消除摩擦力的影響，應(yīng)調(diào)節(jié)木板右側(cè)的高度，直至向左輕推小車觀察到?！?/p>

(4) 實驗結(jié)果表明，ΔEk總是略小于W。某同學(xué)猜想是由于小車所受拉力小于鉤碼重力造成的。用題中小車和鉤碼質(zhì)量的數(shù)據(jù)可算出小車受到的實際拉力F=N。

點評：本題是“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”和“探究做功與動能變化關(guān)系”的融合。試題注重實驗操作，將實驗觀測和邏輯推理結(jié)合起來。

1.4.3 必做實驗的變化

例3：(2019年第10題)某興趣小組用如圖4所示的裝置驗證動能定理?！?/p>

(2) 保持長木板水平，將紙帶固定在小車后端，紙帶穿過打點計時器的限位孔。實驗中，為消除摩擦力的影響，在砝碼盤中慢慢加入沙子，直到小車開始運動。同學(xué)甲認(rèn)為此時摩擦力的影響已得到消除。同學(xué)乙認(rèn)為還應(yīng)從盤中取出適量沙子，直至輕推小車觀察到小車做勻速運動?？捶ㄕ_的同學(xué)是(選填“甲”或“乙”)。

圖4

點評：這道試題是對必做實驗的操作進(jìn)行了改變，對比傳統(tǒng)“板車模型”問題中平衡摩擦力的方法，本題中用“加沙子”來平衡小車受到的摩擦力。

例4：(2018年第10題)一同學(xué)測量某干電池的電動勢和內(nèi)阻(圖5)?！?/p>

(2) 實驗測得的電阻箱阻值R和電流表示數(shù)I，以及計算的數(shù)據(jù)見下表:

R/Ω8.07.06.05.04.0I/A0.150.170.190.220.261I/A-16.76.05.34.53.8

圖5

點評：這個實驗電路圖和教材中實驗電路圖相比，是通過更換實驗器材來達(dá)成變化的目的。對于“測定電池的電動勢和內(nèi)阻”的實驗，不管實驗電路如何變化，都可以追根溯源、回歸基本方法——伏安法。處理問題時，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生回歸問題本質(zhì)，從路端電壓和負(fù)載的關(guān)系入手，在具體實驗電路中去尋找路端電壓或總電流的測量方案，對實驗數(shù)據(jù)根據(jù)題目要求進(jìn)行線性化處理，畫出相應(yīng)的圖像，得出實驗結(jié)果。[1]

例5：(2016年第10題)小明同學(xué)通過實驗探究某一金屬電阻的阻值R隨溫度t的變化關(guān)系。已知該金屬電阻在常溫下的阻值約10 Ω，R隨t的升高而增大。實驗電路如圖6所示，控溫箱用以調(diào)節(jié)金屬電阻的溫值。實驗時閉合S，先將開關(guān)K與1端閉合，調(diào)節(jié)金屬電阻的溫度，分別記下溫度t1，t2，……和電流表的相應(yīng)示數(shù)I1，I2，……然后將開關(guān)K與2端閉合，調(diào)節(jié)電阻箱使電流表的示數(shù)再次為I1，I2，……，分別記下電阻箱相應(yīng)的示數(shù)R1，R2，……

圖6

點評：在研究電阻或電阻的變化問題時，常規(guī)的方法是伏安法，滑動變阻器的連接常采用分壓式電路。本題通過更換實驗方案，利用替代法進(jìn)行電阻的精確測量。實驗中，金屬電阻工作點是通過控溫箱來改變的，滑動變阻器的連接采用制流電路。

例6：(2018年第11題)某同學(xué)利用如圖7所示的實驗裝置來測量重力加速度g。細(xì)繩跨過固定在鐵架臺上的輕質(zhì)滑輪，兩端各懸掛一只質(zhì)量為M的重錘……

圖7

點評：這道試題取材于阿特伍德機，是物理學(xué)史上經(jīng)典實驗的再現(xiàn)。

例7：(2020年第11題)疫情期間“停課不停學(xué)”，小明同學(xué)在家自主開展實驗探究。用手機拍攝物體自由下落的視頻，得到分幀圖片，利用圖片中小球的位置來測量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?，實驗裝置如題圖8所示……

圖8

點評：本題利用學(xué)生熟悉的手機、刻度尺等進(jìn)行重力加速度的測量，是對生活中常見物品功能的創(chuàng)新開發(fā)。

1.5 主要考查內(nèi)容

1.5.1 儀器使用

在2016年—2020年江蘇高考物理卷實驗題中，儀器的使用屬于必考點，主要考查讀數(shù)規(guī)則和元件在電路中的使用。例如，2016年考查了電阻箱阻值調(diào)節(jié)的順序和刻度尺的使用，2017年考查了對多用電表選擇開關(guān)的認(rèn)識，2018年考查了電阻箱和開關(guān)在電路中的規(guī)范使用、電壓表讀數(shù)，2019年考查了對螺旋測微器上各部件功能的認(rèn)識、刻度尺的使用，2020年考查了刻度尺的使用。從問題的設(shè)置看，主要要求學(xué)生從安全性、精確性、可操作性等角度去思考儀器的使用問題，同時引導(dǎo)學(xué)生“真做實驗”。

1.5.2 數(shù)據(jù)處理

(1) 從數(shù)據(jù)的獲得看，有3種方式：① 考生自行測量、計算，僅2019年出現(xiàn)一次；② 直接從示意圖上讀取，共4次；③ 直接給出數(shù)據(jù)表格，共7次。這樣設(shè)置的原因，可能主要考慮：在紙筆測試中，由于學(xué)生只能帶直尺、三角板、圓規(guī)、幾何尺等，因此，更多的是涉及這些文具的使用。

1.5.3 誤差分析

誤差分析也是每年的必考點，從問題設(shè)置和考點看，主要呈現(xiàn)以下特征：① 設(shè)問指向明確，具有開放性，例如，部分試題結(jié)尾時會設(shè)計1個問題：請你提出一條減小上述誤差的改進(jìn)建議。② 以學(xué)生熟悉的誤差情景為主，也有與常規(guī)情景相反的情況，例如2016年的實驗題中利用單擺驗證機械能守恒定律，通過一張表格，給出ΔEp與ΔEk的數(shù)值關(guān)系。從表中數(shù)據(jù)，會發(fā)現(xiàn)：ΔEk始終大于ΔEp。這一問題的設(shè)計，與平時所做習(xí)題有明顯區(qū)別，試題很有新意，避免了“背結(jié)論”等問題。③ 在誤差分析中，主要考查系統(tǒng)誤差問題。

2 高三實驗復(fù)習(xí)建議

2.1 真做實驗,做真實驗

依據(jù)《江蘇省普通高中2018級學(xué)生物理學(xué)科課程內(nèi)容調(diào)整說明》，高中三年涉及的學(xué)生必做實驗共有20個?？鬃釉唬何崧犖嵬?，吾見吾記，吾做吾悟。高三的物理實驗教學(xué)不能僅是講、做實驗題。讓學(xué)生走進(jìn)實驗室重新去做一遍必做實驗，再次感受一下實驗細(xì)節(jié)，讓學(xué)生在直接的、具體的、豐富的體驗中，在不斷思考的過程中，在實驗習(xí)題和真實實驗結(jié)合中，獲得理解層面上的經(jīng)驗，從而真正實現(xiàn)學(xué)生實驗?zāi)芰Φ奶嵘?/p>

2.2 回歸基礎(chǔ)，立足根本

愛因斯坦說過：沒有僥幸這回事，最偶然的意外，似乎也都是事有必然的。從對2016年—2020年江蘇高考物理卷實驗題的分析發(fā)現(xiàn)，試題大都源于對課本實驗的“深加工”，是對學(xué)生必做實驗的縱橫拓展與延伸，著重考查學(xué)生對實驗原理的理解和遷移應(yīng)用。在復(fù)習(xí)中，應(yīng)重視教材中的學(xué)生必做實驗和演示實驗，理清實驗的基本原理和重要方法，同時通過對比的方式，尋找和發(fā)現(xiàn)實驗方案的優(yōu)缺點以及改進(jìn)的方向等，真正實現(xiàn)從本質(zhì)上理解原理，注重培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識和評估科學(xué)證據(jù)的能力。

2.3 “聚”“散”結(jié)合，深度理解

實驗器材的選用等搭建了整個實驗的框架，在復(fù)習(xí)教學(xué)中，可以嘗試依托某一個元件串接多個實驗。例如，車—板模型在江蘇高考物理卷中曾多次出現(xiàn)，依托車—板模型，2009年考查了“探究物體加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”，2010年考查了“探究速度隨時間的變化規(guī)律”，2012年考查了“測量動摩擦因數(shù)”，2017和2019年考查了“驗證動能定理”。通過“聚”，在比較中形成方法體系、實驗集合，克服固有的思維“套路”；通過“散”，依托比較同一器材或同一步驟在不同實驗中的運用，或者將多個“形同質(zhì)異”或“形異質(zhì)同”的問題放在一起比較，幫助學(xué)生破解“思維定勢”，活化知識，[2]強化學(xué)生對過程與方法的掌握，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維能力、證據(jù)意識和遷移能力，不斷拓展學(xué)生思維的“廣度”和“深度”。