立足教材基礎知識 培養學生實驗探究能力
——2022年高考全國卷物理實驗題分析及啟示

貴州 楊 勇

物理實驗是高考的必考知識,也是能體現物理核心素養的考點之一,因為物理實驗能體現學生對物理原理的理解、實驗方案的設計、實驗儀器的選擇和應用、實驗數據的處理、實驗結論的得出等必備的核心素養,同時也考查學生的實驗探究能力和科學探究能力,可以充分發揮教考的積極導向作用。因此高考物理試題的研究,不僅可以明確高考試題發展態勢,同時也能為培養學生的物理學科核心素養提供幫助。本文通過對全國卷物理實驗題的分析,總結2022年全國卷物理實驗題的特點,為備考復習提出建議,以期對高考備考有所助益。

一、實驗題分析

1.力學實驗題分析

【例1】(2022·全國乙卷·22)用雷達探測一高速飛行器的位置。從某時刻(t＝0)開始的一段時間內,該飛行器可視為沿直線運動,每隔1s測量一次其位置,坐標為x,結果如表1所示:

表1

回答下列問題:

(1)根據表中數據可判斷該飛行器在這段時間內近似做勻加速運動,判斷的理由是:_________________________;

(2)當x＝507m時,該飛行器速度的大小v＝_______m/s;

(3)這段時間內該飛行器加速度的大小a＝_______m/s2(保留2位有效數字)。

【立意】本題中,雷達每隔1s記錄飛行器的位置,并通過表格的形式,引導學生應用與打點計時器相關實驗的處理方法處理實驗數據。重在考查學生應用逐差法處理實驗數據,本題對學生的能力要求不高。

【分析】(1)由于題給數據是飛行器所在的位置,很多學生可能會認為表格中的數據就是每一秒所對應的位移,所以為了能清晰、形象地理解表格中的數據,可以建立一維坐標軸,并標出每一秒對應的位移大小,根據ΔS＝aT2進行判斷即可;(2)在第(1)的基礎上,已經判斷出該飛行器做勻加速直線運動,則當x＝507m 時,速度即為0～2s的中間時刻速度,而中間時刻速度等于這段時間的平均速度;(3)結合表中所給的數據,引導學生應用逐差法處理數據,因此先根據逐差法寫出表達式,再代入數據即可。

【解析】(1)由于表格數據是對應該時刻的位置,因此不容易看出每段時間的位移,因此把表格數據還原為坐標上的點來觀察,如圖1所示。

圖1

通過計算得S1＝507 m,S2＝587 m,S3＝665 m,S4＝746m,S5＝824m,S6＝904m。

則S2－S1＝80m,S3－S2＝78m,S4－S3＝81m,S5－S4＝78m,S6－S5＝80m,通過數據可以發現,若在實驗誤差允許的范圍內,ΔS為定值,因此飛行器做勻加速運動;

(2)在第(1)的前提下,當x＝507 m 時,自然得到v＝m/s,則v＝547m/s;

【點評】根據表格所給的數據,計算出每一秒對應的位移,再結合勻變速直線運動的判斷方法,判斷出飛行器的運動情況。本題的關鍵是正確寫出每一秒對應位移的大小,如果把坐標的數字看成是位移,會使第(1)問無法得到判斷,以致一系列錯誤出現。本題需要學生掌握的知識點是勻變速直線運動的判斷方法和規律,知道中間時刻的瞬時速度等于這一段時間的平均速度,這是處理紙帶類問題的重要方法,同時本題學生容易出現錯誤的是第(3)問,在平時練習的過程中,學生容易把有效數字和保留小數點后幾位混淆,導致結果錯誤。

【例2】(2022·全國甲卷·23)利用圖2所示的實驗裝置對碰撞過程進行研究。讓質量為m1的滑塊A與質量為m2的靜止滑塊B在水平氣墊導軌上發生碰撞,碰撞時間極短,比較碰撞后A和B的速度大小v1和v2,進而分析碰撞過程是否為彈性碰撞。

圖2

完成下列填空:

(1)調節導軌水平;

(2)測得兩滑塊的質量分別為0.510kg和0.304kg。要使碰撞后兩滑塊運動方向相反,應選取質量為_________kg的滑塊作為A;

(3)調節B的位置,使得A和B接觸時,A的左端到左邊擋板的距離S1與B的右端到右邊擋板的距離S2相等;

(4)使A以一定的初速度沿氣墊導軌運動,并與B碰撞,分別用傳感器記錄A和B從碰撞時刻開始到各自撞到擋板所用的時間t1和t2;

(5)將B放回到碰撞前的位置,改變A的初速度大小,重復步驟(4)。多次測量的結果如表2所示;

表2

(6)表2中的k2＝_________(保留2位有效數字);

(8)理論研究表明,對本實驗的碰撞過程,是否為彈性碰撞可由判斷。若兩滑塊的碰撞為彈性碰撞,則的理論表達式為_________(用m1和m2表示),本實驗中其值為_________(保留2位有效數字),若該值與(7)中結果間的差別在允許范圍內,則可認為滑塊A與滑塊B在導軌上的碰撞為彈性碰撞。

【立意】本題利用氣墊導軌對彈性碰撞進行研究,展示完整的實驗探究過程,主要考查學生對碰撞過程中不同質量物體碰撞后的運動狀態的判斷,同時也考查學生對表格數據的觀察能力和數據處理能力,引導學生從動量守恒和能量守恒角度推導題設中的作為判斷是否是彈性碰撞的依據。同時本實驗也著重考查數據有效數字的保留。本實驗要求學生理論與實驗相結合,培養學生的證據意識。

【分析】(2)運動的滑塊A去碰靜止的滑塊B,且題述已經指明了要判斷是否是彈性碰撞,則只能是質量小的物體碰撞質量大的物體,質量小的物體才會被反彈;(6)由表格中給出的時間與速度的比值可知,調平的氣墊導軌上的滑塊做勻速直線運動,則速度必然是v＝,題述已經強調A、B的距離相等,則速度的比值就是時間的反比;(7)是以(6)準確計算為前提,雖然求5個數的平均值是比較簡單的問題,但如果(6)計算錯誤就會影響(7)的結果;(8)這一問是本題中的難點,要結合動量守恒與能量守恒推導,對學生的數學推導能力要求較高,同時要求學生具備良好的心理素質和數學能力。

【解析】(2)要求碰撞后A反向,則A必然是小質量的物體,所以選取的質量為0.304kg;

(6)由于A、B的距離相等,假設為s,則v＝,因此

(8)根據彈性碰撞,假設碰撞之前A的速度為v0,根據動量守恒有

【評價】本題通過氣墊導軌的實驗裝置,展示實驗過程,考查學生對碰撞實驗的理解;通過表格記錄相應的數據并留下一些空缺讓學生通過實驗原理和邏輯推理計算出缺少的數據,考查學生對實驗方案的理解,同時發展學生的實驗探究能力。(8)雖然是填空但是難度不亞于計算題,要求學生結合動量守恒定律的表達式和能量守恒的表達式,準確推導出所要的結果。對于彈性碰撞,在復習備考時可以要求學生掌握彈性碰撞的一些結論,比如碰后速度的表達式對于基礎較好的學生可以拓展質點組動量守恒與對心碰撞恢復系數的相關知識,有助于學生思維的發散和視野的拓展。

【試題創新點評】總體而言,2022年全國卷力學實驗部分仍是重在基礎知識的應用,同時注重實驗的創新設計。如乙卷第22題以雷達探測高速飛行器的位置為背景,要求學生將熟悉的打點計時器紙帶處理方法進行靈活遷移,在以往的試題中都是以真實的紙帶為背景,直接考查學生數據處理的方法和技巧,而本題則是增加了真實情境的元素,是本題的一大創新點。再如甲卷第23 題,按照傳感器、光電門等實驗題型的考法,通常是直接計算某段時間對應的速度大小,根據動量守恒或能量守恒,寫出公式,提問學生遵循什么規律從而得到驗證,而本實驗則是巧妙應用了碰撞后速度的比值滿足一個定值來反應碰撞過程所遵循的規律,對學生能力的要求有了進一步的提高。

2.電學實驗分析

【例3】(2022·全國甲卷·22)某同學要測量微安表內阻,可利用的實驗器材有:電源E(電動勢1.5 V,內阻很小),電流表(量程10 mA,內阻約10 Ω),微安表(量程100μA,內阻Rg待測,約1kΩ),滑動變阻器R(最大阻值10Ω),定值電阻R0(阻值10Ω),開關S,導線若干。

(1)在答題卡上將圖3所示的器材符號連線,畫出實驗電路原理圖;

圖3

(2)某次測量中,微安表的示數為90.0μA,電流表的示數為9.00mA,由此計算出微安表內阻Rg＝_______Ω。

【立意】本題要求學生畫出測量微安表內阻的電路圖,是一道探究性實驗題,主要考查學生對電路簡單設計的基本能力,能從減小誤差的角度設計電路,同時能準確計算出相應的結果,要求考生具備一定的實驗探究能力。

【分析】(1)是電路原理圖的設計,實驗電路主要由兩部分組成,即控制部分和測量部分,控制部分以滑動變阻器為主,測量部分以測量電表為主,而實驗主要從安全、可操作性、減小誤差、電路簡單等角度分析,所以滑動變阻器優先考慮限流式連接,電流表從減小誤差的角度選擇接法即可;(2)在電路準確連接后,通過歐姆定律代入數字進行計算即可。

【解析】(1)若用限流式,由于電流表內阻未知,則電路大致如圖4所示,根據所給的數據,由于電流表的內阻RA≈10Ω,滑動變阻器的最大值也是10Ω,電流計與R0并聯的阻值也是約為10Ω,因此如果滑動變阻器的阻值以最大值計算,根據串聯電流關系,電流計分得的電壓也接近0.5V,而電流計允許通過的最大電流為100μA,則Ug＝IgRg,所以電流計承受的最大電壓約為Ug＝0.1V,因此如果選擇限流式,電流計可能會被燒壞,所以采用分壓式接法,電路圖如圖5所示。

圖4

圖5

(2)根據電路圖原理,Rg＝,代入已知數據得Rg＝990Ω。

【評價】本題的難度在于滑動變阻器的接法,對于大部分學生有一定難度,電路的設計一直以來都是學生的“痛點”,也是考查學生的探究能力和創新能力的重要方式,高考中實驗設計必然成為重要的考點,教師需要在教學時加強對學生創新思維能力的培養。

【例4】(2022·全國乙卷·23)一同學探究阻值約為550Ω 的待測電阻Rx在0～5mA 范圍內的伏安特性?？捎闷鞑挠?電壓表V(量程為3V,內阻很大),電流表A(量程為1mA,內阻為300Ω),電源E(電動勢約為4V,內阻不計),滑動變阻器R(最大阻值可選10Ω 或1.5kΩ),定值電阻R0(阻值可選75Ω 或150Ω),開關S,導線若干。

(1)要求通過Rx的電流可在0～5 mA 范圍內連續可調,在答題卡上將圖6所示的器材符號連線,畫出實驗電路的原理圖;

(2)實驗時,圖6中的R應選最大阻值為________(填“10Ω”或“1.5kΩ”)的滑動變阻器,R0應選阻值為_________(填“75Ω”或“150Ω”)的定值電阻;

圖6

(3)測量多組數據可得Rx的伏安特性曲線。若在某次測量中,電壓表、電流表的示數分別如圖7和圖8所示,則此時Rx兩端的電壓為_________V,流過Rx的電流為_________mA,此組數據得到的Rx的阻值為_________Ω(保留3位有效數字)。

圖7

圖8

【立意】本題考查學生對電路的設計、電流表的改裝原理以及電表的基本讀數問題,具有一定的探究性,重在考查學生的實驗設計能力和實驗創新能力,對學生的能力要求中等。

【分析】(1)由于要求電流在0～5mA 范圍內連續可調,故選擇分壓式接法,電壓表內阻很大,可以不計電壓表的分流,故用外接法;(2)根據分壓式的特點,滑動變阻器選擇小電阻方便操作;對于電流表的改裝,由于要求電流在0～5mA 范圍內連續可調,而電流表的滿偏電流只有1mA,根據電流表改裝原理,應并聯小電阻,故首先考慮阻值為75Ω 電阻,結合改裝電路原理計算即可;(3)對于電表的讀數,首先要觀察刻度的最小分度,如果最小分度為0.1,則要估讀到下一位,如果最小分度是0.2或0.5,則只讀到本位即可。

【解析】(1)由于從零開始調節,則用分壓式接法,電壓表內阻很大,電流表外接能使電路簡單,則電路原理圖如圖9所示;

圖9

(2)畫出電表改裝原理圖如圖10 所示,根據并聯分流作用R0＝,則R0＝75Ω;由于用分壓式接法,小電阻滑動變阻器方便操作,則選擇最大阻值為10 Ω 的滑動變阻器;

圖10

(3)根據電壓表的滿偏電壓是3 V,則最小分度是0.1V,因此電壓表的讀數為2.30V,對于電流表,最小分度為0.02mA,指針所指的位置為0.84mA,由于改裝之后的總電流為原來的5倍,則電流為4.20mA;根據歐姆定律有,代入數據得Rx≈548Ω。

【點評】電表的改裝和電路設計是電學實驗的一大難點,也是高考重點。電表的改裝,首先要明確電壓表和電流表的原理,從而準確畫出電路圖。該題很多學生會選擇內接法,由于電流表的內阻已知,不會造成系統誤差,而電壓表的內阻很大,不考慮分流作用。如果應用內接法反而會使計算變得復雜。因此要準確地設計電路圖,首先要從實驗遵循的規律出發,不能小題大做,要實事求是,追求真理,用敏銳的眼光和創新思維看待事物,發展自己的解題能力。

【試題創新點評】2022年全國卷的電學實驗主要以教材知識為基礎,強化電路設計的考查。2021年全國卷電學實驗主要考查學生對實驗基本原理的理解,數據的處理和誤差分析,著重強調原理和數據的計算。而2022年全國卷電學實驗則是強化實驗設計,注重學生實驗探究能力的發展,減少復雜的數據計算,著重推理、論證能力的考查,比如2022年甲卷第22題,誤差的分析直接放到電路的設計中來考查,只要學生突破電路圖的連接問題,本題便迎刃而解;同時乙卷也是相同的考查思路,都是創新實驗的設計。雖然實驗考查的方向比較簡單,但是要求學生根據題意進行設計實驗,最后完成實驗,相當于讓學生在實驗里完成一次實際操作,從另一個角度來說,也考查學生的實驗動手能力,這是2022年全國卷電學實驗的最大創新點。

二、啟示

高考物理實驗題能有效考查學生的探究能力,主要表現為對基礎知識的理解和應用、實驗設計與操作、數據處理和誤差分析、結論的論證及質疑等綜合能力的考查。由于實驗的原理源于教材,但是實驗的方法高于教材,所以在備考復習中應該注重基礎知識的掌握,加強學生創新思維能力的培養,注重實驗創新設計與實驗探究能力。筆者結合2022年全國卷的特點,認為對于2023年高考物理實驗題應該注意以下幾點:

1.強化基礎知識的理解與應用。注重高中物理核心、主干知識的復習,吃透高中階段需要掌握的物理實驗基本原理,引導學生強化基礎知識的應用,盡量不去做那些難、怪的題,要以基礎為主,讓學生形成對高中物理實驗全局性、系統性的認識,盡量減少那些典型題的套路和技巧的運用,引導學生實事求是地學習物理。

2.注重實驗設計,強化學生實驗探究能力。從2022年的實驗題來看,實驗設計的要求較高,而且每一道試題都是一個完整的實驗過程,包括儀器的選擇、實驗方案的設計、數據處理。所以在平時的教學中,應該對學生的實驗操作和動手能力作出要求,引導學生積極地動手做實驗,切實提升實驗能力。

3.注重知識的遷移應用。知識的遷移應用是基礎知識的發展,而對于很多學生來說高考所考查的題型不會做的原因是沒有把自己所學的知識融合為一種體系。比如乙卷的22題和甲卷的24題都涉及打點計時器紙帶類型的遷移應用,因此強化知識的遷移,可以使學生達到做一個會一類的效果。

4.注意有效數字的保留。幾乎只要涉及實驗結果的計算,都會涉及有效數據的保留,有效數字的保留在一定程度上可以體現測量儀器的精確度。比如0.01A 有的學生認為這是兩位有效數字,其實這只是一位有效數字,但是它卻是保留小數點后面兩位;同理,如0.10A 這個數值它同樣是小數點后兩位,但是它卻是兩位有效數字。這些細節上的問題都有可能導致學生犯錯與丟分,因此對于有效數字的保留也不能忽視。