高考實(shí)驗(yàn)題的創(chuàng)新途徑及解題策略

胡道成

高考評(píng)價(jià)體系提出了“基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性、創(chuàng)新性”的考查要求.經(jīng)過對(duì)2023年全國(guó)各地高考物理實(shí)驗(yàn)題的研究發(fā)現(xiàn)：高考實(shí)驗(yàn)題正朝著加強(qiáng)探究性、開放性的方向發(fā)展，考查學(xué)生的物理思想方法運(yùn)用與創(chuàng)新遷移能力.現(xiàn)通過幾道試題剖析指向核心素養(yǎng)的高考物理實(shí)驗(yàn)題的命題創(chuàng)新途徑及解題策略．

一、拓展教材基本實(shí)驗(yàn)，考查創(chuàng)新遷移能力

通過設(shè)計(jì)“源于教材，高于教材”的情境類實(shí)驗(yàn)題，落實(shí)基礎(chǔ)性，注重綜合性，強(qiáng)化創(chuàng)新性，體現(xiàn)了高考命題改革與新課程標(biāo)準(zhǔn)的有效銜接，考查學(xué)生的現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)能力和物理思想方法的遷移運(yùn)用能力.要求學(xué)生能運(yùn)用所學(xué)物理概念、規(guī)律、原理和認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)來解決陌生問題，得出新的結(jié)論，充分體現(xiàn)了對(duì)“實(shí)驗(yàn)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(xué)習(xí)《單擺》后設(shè)計(jì)了一種異形擺，并通過實(shí)驗(yàn)研究它的周期.如圖1，異形擺是由一根剛性輕桿和兩個(gè)質(zhì)量、大小相同的擺球組成的.它的周期可以用一個(gè)等效擺長(zhǎng)L′來表示，即T=2πL′/g.他們通過查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)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(guān)系如圖2，在圖2中橫坐標(biāo)為x，縱坐標(biāo)為周期T，則

（1）如果異形擺作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，則異形擺周期與振幅___ （填“有關(guān)”或“無關(guān)”）．

（2）當(dāng)x增大時(shí)，則異形擺的周期如何變化：___ ．

（3）當(dāng)x為___ 時(shí)（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(dá)式中可以看出，其周期與振幅無關(guān).周期表達(dá)式中沒有的物理量通常都是無關(guān)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(biāo)x的增大，縱坐標(biāo)為周期T先減小后增大．

【點(diǎn)評(píng)】本題通過拓展教材實(shí)驗(yàn)構(gòu)建“異形單擺”來考查學(xué)生的現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)能力和遷移創(chuàng)新能力，（1）（2）兩個(gè)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(yīng)用數(shù)學(xué)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(dǎo)數(shù)”來解決，對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)知識(shí)要求較高，我們要注意數(shù)學(xué)知識(shí)在求極值過程中的應(yīng)用．

二、設(shè)計(jì)新穎的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，考查學(xué)生的知識(shí)綜合運(yùn)用能力

采用教材中不存在的新穎創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生把學(xué)習(xí)到的物理知識(shí)、物理研究方法遷移到新的問題情境之中，通過主動(dòng)思考，去探索新的問題、尋找新規(guī)律、歸納新結(jié)論.對(duì)學(xué)生的觀察能力、理論聯(lián)系實(shí)際能力、靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決實(shí)際問題能力的要求較高，凸顯物理思想方法的遷移應(yīng)用，注重綜合性和創(chuàng)新性．

【例2】（2023年湖南卷）某同學(xué)探究彈簧振子振動(dòng)周期與質(zhì)量的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，輕質(zhì)彈簧上端懸掛在鐵架臺(tái)上，下端掛有鉤碼，鉤碼下表面吸附一個(gè)小磁鐵，其正下方放置智能手機(jī)，手機(jī)中的磁傳感器可以采集磁感應(yīng)強(qiáng)度實(shí)時(shí)變化的數(shù)據(jù)并輸出圖像，實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）測(cè)出鉤碼和小磁鐵的總質(zhì)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(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，打開手機(jī)的磁傳感器軟件，此時(shí)磁傳感器記錄的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化周期等于彈簧振子振動(dòng)周期；

（3）某次采集到的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小隨時(shí)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(dòng)的周期T=___ （用“t0”表示）；

（4）改變鉤碼質(zhì)量，重復(fù)上述步驟；

（5）實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)如下表所示，分析數(shù)據(jù)可知，彈簧振子振動(dòng)周期的平方與質(zhì)量的關(guān)系是______ （填“線性的”或“非線性的”）；

（6）設(shè)彈簧的勁度系數(shù)為k，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合物理量的單位關(guān)系，彈簧振子振動(dòng)周期的表達(dá)式可能是______ （填正確答案標(biāo)號(hào)）；

（7）除偶然誤差外，寫出一條本實(shí)驗(yàn)中可能產(chǎn)生誤差的原因__________________．

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

（5）分析數(shù)據(jù)可知：每次實(shí)驗(yàn)改變鉤碼的質(zhì)量Δm=0.010kg，而對(duì)應(yīng)的T2變化量約為ΔT2=0.040s2，可見彈簧振子振動(dòng)周期的平方與質(zhì)量的關(guān)系是線性的．

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

（7）除偶然誤差外，產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差的原因就是系統(tǒng)誤差，實(shí)驗(yàn)中可能產(chǎn)生偶然誤差的原因是存在空氣阻力．

【點(diǎn)評(píng)】本題通過“手機(jī)的磁傳感器軟件來記錄磁感應(yīng)強(qiáng)度變化周期，從而得到豎直方向上做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的彈簧振子的振動(dòng)周期”來命題，用“轉(zhuǎn)換法”來命制新穎的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)以考查學(xué)生的猜想能力、歸納思維和科學(xué)方法遷移能力.“量綱分析法”及數(shù)據(jù)規(guī)律的探究很契合物理實(shí)驗(yàn)的邏輯要求，而且要靠科學(xué)方法把物理知識(shí)綜合到一起，才能順利解答問題，充分體現(xiàn)了對(duì)“科學(xué)方法”的考查要求．

三、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)原理及器材，考查實(shí)驗(yàn)探究能力

圍繞某一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，結(jié)合相關(guān)的理論知識(shí)，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)原理和器材，要求考生通過觀察實(shí)驗(yàn)裝置，閱讀題目對(duì)實(shí)驗(yàn)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(lián)想等思維方法來建構(gòu)物理過程模型，尋找“創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”所使用的基本物理知識(shí)和規(guī)律、原理，識(shí)別這種“換湯不換藥”的創(chuàng)新途徑，再結(jié)合所學(xué)理論知識(shí)，列出含有待測(cè)量的原理公式，才能對(duì)題目進(jìn)行解答．

【例3】（2023年湖北卷） 某同學(xué)利用測(cè)質(zhì)量的小型家用電子秤，設(shè)計(jì)了測(cè)量木塊和木板間動(dòng)摩擦因數(shù)μ的實(shí)驗(yàn).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(diào)節(jié)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(gè)砝碼（電子秤稱得每個(gè)砝碼的質(zhì)量m0為20.0g），向左拉動(dòng)木板的同時(shí)，記錄電子秤的對(duì)應(yīng)示數(shù)m．

（1）實(shí)驗(yàn)中，拉動(dòng)木板時(shí)______ （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(zhì)量，則m和mA、mB、m0、μ、n所滿足的關(guān)系式為m=

______ ．

（3）根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)在坐標(biāo)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(dòng)摩擦因數(shù)μ=______（保留2位有效數(shù)字）．

【解析】（1）實(shí)驗(yàn)是通過測(cè)出木塊與木板間的滑動(dòng)摩擦力來測(cè)摩擦因數(shù)的，而兩者之間的滑動(dòng)摩擦力大小與相對(duì)速度大小無關(guān)，所以，拉動(dòng)木板時(shí)不必保持勻速．

（2）以重物B為研究對(duì)象，根據(jù)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(guān)系式．

（3）結(jié)合圖像可知，需要將m=mB-μ（mA+nm0）整理成關(guān)于n的一次函數(shù)關(guān)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(diǎn)評(píng)】這類題需要學(xué)生充分發(fā)揮“類比思維”能力，從實(shí)驗(yàn)?zāi)康某霭l(fā)，結(jié)合相關(guān)的理論知識(shí)，思考實(shí)驗(yàn)原理和過程，尋找到“創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”與基本實(shí)驗(yàn)在原理上、操作過程上、數(shù)據(jù)處理技巧上的相似性，遷移課本實(shí)驗(yàn)的基本思路進(jìn)行突破.測(cè)物體之間的摩擦因數(shù)還會(huì)讓物體經(jīng)歷一個(gè)有滑動(dòng)摩擦力的運(yùn)動(dòng)過程，用“牛頓第二定律”或“動(dòng)能定律”寫出一個(gè)含有摩擦因數(shù)的方程，據(jù)此即可測(cè)出物體之間的摩擦因數(shù)，我們要充分發(fā)揮“聚合思維”能力，將題給器材與物理知識(shí)有機(jī)結(jié)合，才能突破這類實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新題．

四、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行新穎設(shè)問，考查數(shù)據(jù)處理能力

直接采用課本中的實(shí)驗(yàn)裝置和原理來設(shè)計(jì)新穎的設(shè)問方式，不僅能體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)命題的“創(chuàng)新性”要求，對(duì)考生的觀察能力、推理論證能力、靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決實(shí)際問題能力進(jìn)行考查. 這類創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)與課本實(shí)驗(yàn)在“實(shí)驗(yàn)步驟”“注意事項(xiàng)”“誤差分析”等方面幾乎一致，只是在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理上需要考生根據(jù)所學(xué)的物理規(guī)律，找出與實(shí)驗(yàn)圖像相符的函數(shù)關(guān)系式，再由圖像的斜率、截距所表示的物理意義進(jìn)行推導(dǎo)、求解而得出待求的物理量．

【例4】（2023年全國(guó)甲卷）某同學(xué)利用如圖7所示的實(shí)驗(yàn)裝置探究物體做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)平均速度與時(shí)間的關(guān)系.讓小車左端和紙帶相連.右端用細(xì)繩跨過定滑輪和鉤碼相連.鉤碼下落，帶動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出紙帶.某次實(shí)驗(yàn)得到的紙帶和相關(guān)數(shù)據(jù)如圖8所示．

（1）已知打出圖8中相鄰兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)的時(shí)間間隔均為0.1s，以打出A點(diǎn)時(shí)小車位置為初始位置，將打出BCDEF各點(diǎn)時(shí)小車的位移Δx填到表中.小車發(fā)生位移所用時(shí)間和平均速度分別為Δt和，表中ΔxAD=___ cm，AD=___cm/s．

（3）從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，小車運(yùn)動(dòng)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(jié)果均保留3位有效數(shù)字）

（4）根據(jù)（3）中的直線方程可以判定小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，得到打出A點(diǎn)時(shí)小車速度大小vA=___，小車的加速度大小a=___ .（結(jié)果用字母k、b表示）

【解析】（1）從紙帶上的數(shù)據(jù)可得：ΔxAD=6.60cm+8.00cm+9.40cm=24.00cm；小車從A運(yùn)動(dòng)到D的時(shí)間為Δt=3×0.1s=0.3s，所以AD=ΔxAD/Δt=80.00cm/s．

（2）將AD對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)（0.3s，80.00cm/s）畫在小車平均速度隨時(shí)間的變化關(guān)系圖像中，如圖10所示．

（3）過盡可能多的點(diǎn)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(diǎn)時(shí)速度大小vA=b，再由k=1/2a可得小車的加速度a=2k．

【點(diǎn)評(píng)】這道題在實(shí)驗(yàn)基本原理、器材（裝置）上都與課本上測(cè)瞬時(shí)速度和加速度的實(shí)驗(yàn)一致，但實(shí)驗(yàn)?zāi)康母臑椤捌骄俣扰c時(shí)間的關(guān)系”以便設(shè)計(jì)新穎的問題，考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理能力.解答過程中需要將勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其相關(guān)知識(shí)點(diǎn)與題給實(shí)驗(yàn)裝置、操作過程有機(jī)結(jié)合起來，從圖像上尋找題目中的縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)所表示的物理量，再對(duì)所列式子進(jìn)行變形，整理成一次函數(shù)“y=kx+b”的形式以滿足題目的坐標(biāo)要求，進(jìn)而從圖像的斜率、截距上去獲取待求量，這是“圖像法”處理數(shù)據(jù)的基本思維模式.題中求A點(diǎn)的速度vA實(shí)際上是“外延法”的運(yùn)用，題中是通過物理公式來實(shí)現(xiàn)的．

五、采用新儀器設(shè)計(jì)新實(shí)驗(yàn)，考查創(chuàng)新思維能力

依據(jù)新教材內(nèi)容及物理課程標(biāo)準(zhǔn)，采用傳感器等新儀器來設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)基礎(chǔ)性與創(chuàng)新性，體現(xiàn)了對(duì)知識(shí)融會(huì)貫通、學(xué)以致用的“綜合性”考查要求，對(duì)學(xué)生的獨(dú)立思考和運(yùn)用所學(xué)物理知識(shí)分析問題、解決問題的能力要求較高，是考查創(chuàng)新思維能力的主要途徑。

【例5】（2023年山東卷）電容儲(chǔ)能已經(jīng)在電動(dòng)汽車，風(fēng)、光發(fā)電、脈沖電源等方面得到廣泛應(yīng)用。某同學(xué)設(shè)計(jì)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(biāo)識(shí)不清）；

電源E（電動(dòng)勢(shì)12V，內(nèi)阻不計(jì)）；電阻箱R1（阻值0～99999.9Ω）；

滑動(dòng)變阻器R2（最大阻值20Ω，額定電流2A）；

電壓表V（量程15V，內(nèi)阻很大）；發(fā)光二極管D1、D2，開關(guān)S1、S2，電流傳感器，計(jì)算機(jī)，導(dǎo)線若干。

回答以下問題：

（1）按照?qǐng)D12（甲）連接電路，閉合開關(guān)S1，若要升高電容器充電電壓，滑動(dòng)變阻器滑片應(yīng)向_________端滑動(dòng)（填“a”或“b”）。

（2）調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器滑片位置，電壓表表盤如圖12（乙）所示，示數(shù)為_________V（保留1位小數(shù)）。

（3）繼續(xù)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器滑片位置，電壓表示數(shù)為8.0V時(shí)，開關(guān)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(cè)油酸分子的大小”實(shí)驗(yàn)中估算油膜面積的方法，根據(jù)圖像可估算出充電結(jié)束后，電容器存儲(chǔ)的電荷量為______C（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）。

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

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

【解析】（1）因滑動(dòng)變阻器采用分壓式接法，故要升高電容器充電電壓，滑動(dòng)變阻器滑片應(yīng)向b端滑動(dòng)；（2）電壓表量程為15V，每個(gè)小格表示0.5V，故示數(shù)為6.5V；（3）I-t圖像所圍的面積等于電容器存儲(chǔ)的電荷量，從圖上數(shù)得面積為38個(gè)小格，每小格表示0.2×10-3×0.5C=1.0×10-4C，故電容器存儲(chǔ)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(guān)S2擲向2時(shí)，電容器通過D1放電，故D1閃光。

【點(diǎn)評(píng)】本題將人教版必修三“金屬絲電阻率的測(cè)量”所用的基本電路與拓展學(xué)習(xí)內(nèi)容“用傳感器觀察電容器的放電過程”結(jié)合起來，通過設(shè)計(jì)新的電路來設(shè)置問題，利用傳感器直接得到I-t圖像，只需識(shí)別出圖線所圍的面積等于電容器存儲(chǔ)的電荷量，再通過“數(shù)格子”的方法即可求出電容器存儲(chǔ)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(duì)這類“組合式”的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新題，只要進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟鸱旨纯蛇\(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行破解。

總之，在“科學(xué)教育”受到高度重視的背景下，高考物理實(shí)驗(yàn)題的“創(chuàng)新性”特征會(huì)越來越明顯.實(shí)驗(yàn)題的命題設(shè)計(jì)會(huì)依據(jù)基本實(shí)驗(yàn)或基本器材，從實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)思想方法、實(shí)驗(yàn)器材（裝置）、實(shí)驗(yàn)規(guī)程、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)、實(shí)驗(yàn)誤差分析及反思評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行改造、整合、嫁接、遷移等拓展延伸處理，突出考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力、思想方法遷移能力、理論知識(shí)綜合應(yīng)用能力，在“問題解決”中全面考查學(xué)生的創(chuàng)新能力，實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)過程中需要關(guān)注“聚合思維”與“發(fā)散思維”能力的提升．

責(zé)任編輯 李平安