关注基本实验技能 彰显核心素养考查——2018年高考天津理综物理实验试题评析与教学建议

江西省九江市第一中学(332000) 许冬保

1 试题与解析

2018年高考天津理综物理实验试题共2道,下面以试题1、试题2示出。

1.1 试题1

某研究小组做 “验证力的平行四边形定则”的实验,所用器材有：方木板1块、白纸、量程为5N的弹簧测力计2个、橡皮条 (带2个较长的细绳套)、刻度尺、图钉 (若干个)。

(1)具体操作前,同学们提出了如下关于实验操作的建议,其中正确的是________。

A.橡皮条应和两绳套夹角的角平分线在一条直线上

B.重复实验再次进行验证时,结点O的位置可以与前一次不同

C.使用测力计时,施力方向应沿测力计轴线；读数时视线应正对测力计刻度

D.用两个测力计互成角度拉橡皮条时的拉力必须都小于只用一个测力计时的拉力

(2)该小组的学生用同一套器材做了4次实验,白纸上留下的标注信息有结点位置O,力的标度、分力和合力的大小及表示力的作用线的点,如图1所示。其中对于提高实验精度最有利的是________。

解析： (1)做 “验证力的平行四边形定则”的实验时,两分力夹角不宜过大也不宜过小,但没有要求合力一定要在角平分线上,故选项A错误；某一次实验时,要保证橡皮条的形变效果不变,因此结点O的位置不能改变。而重复实验再次进行验证时,结点O的位置可以与前一次不同,故选项B正确；根据测力计使用规则,故选项C正确；测力计拉力不宜过小,否则误差大。合力不一定比每一个分力大,故选项D错误。综上,正确选项为BC。

(2)可通过作图来回答。选项A,力的标度

图1 实验标注信息

不合适,其次表示力的作用线的点与结点位置O间的距离过小,导致确定分力方向时作图误差大；选项D标度不合适,且两分力夹角过小,实验误差大；选项B、C相比较,标度合适,确定力的方向时作图误差小,而且选项B中的测力计示数较大,实验误差小。因此,对于提高实验精度最有利的是选项B。

1.2 试题2

某同学用伏安法测定待测电阻Rx的阻值(约为10kΩ),除了Rx,开关S、导线外,还有下列器材供选用：

A.电压表(量程0～1V,内阻约为10kΩ)；

B.电压表(量程0～10V,内阻约为100kΩ)；

C.电流表(0～1mA内阻约为30Ω)；

D.电流表(0～0.6A,内阻约为0.05Ω)；

E.电源(电动势1.5V,额定电流0.5A,内阻不计)；

F.电源(电动势12V,额定电流2A,内阻不计)；

G.滑动变阻器R0(阻值范围0～10Ω,额定电流2A)。

(1)为使测量准确,电压表选用________,电流表选用________,电源选用________。(均填器材的字母代号)。

(2)画出测量Rx阻值的实验电路图。

(3)该同学选择器材、连接电路和实验操作均正确,从实验原理上看,待测电阻的测量值会________其真实值 (填 “大于”“小于”或 “等于”),原因是________________。

解析：(1)由电压表量程及Rx的阻值 (约为10kΩ),可估算电路中最大电流分别为0.1mA、1mA。仪表选择时,注意读数越大越好。因此,电流表选用C,相应的电压表选用B,电源选用F。

(2)被测电阻较大,宜用电流表内接法。电源电动势较大,滑动变阻器R0阻值相对Rx的阻值过小,无法限流。因此,滑动变阻器按分压连接方式供电,如图2所示。

图2 实验电路图

(3)由于电流表有内阻,在电路中会分压,引起电压表示数增大。由欧姆定律知,待测电阻测量值大于其真实值。其中的原因就是由于电流表分压,电压表的读数大于待测电阻两端实际电压所致。

2 试题评价

理解能力、推理能力、分析综合能力、应用数学处理物理问题的能力以及实验能力,是高考物理考查的5个方面的能力。显然实验能力不可或缺。在核心素养理念下,科学探究是指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验和制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释,以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力,主要包括问题、证据、解释、交流等要素。可见,在核心素养统领下,科学探究能力已涵盖物理实验能力。2018年天津物理实验试题难度小,但不失区分功能。能力考查主要体现在以下几个方面。

2.1 完成基本实验的能力

基本实验是指考纲规定的实验内容,其中“验证力的平行四边形定则”是一个基本的实验。试题要求考生独立地、认真地完成这个实验,否则很难得到满分。伏安法测电阻是一个基本的电学实验,涉及器材的选择、电流表内接与外接的确定以及滑动变阻器连接方式的选择。两道考题,均是对基础实验题的考查,试题较好地鉴定了考生是否亲自动手完成相关实验以及完成实验的水平。

2.2 提出问题的能力

我们知道,在应用某种能力处理或解决具体问题的过程中往往伴随着发现问题、提出问题的过程,因而高考对考生发现问题、提出问题并加以论证解决等探究能力的考查渗透在考纲规定的5个方面能力的考查之中。提出问题的前提是发现相关有价值的问题。试题1,根据已知的信息(结点位置O,力的标度、分力和合力的大小及表示力的作用线的点)提出问题：什么样的数据处理 (作力的平行四边形矢量图)其实验精度才是最高的?试题2,伏安法测电阻的实验中,如何选择合适的器材来制订实验方案?涉及以下3个问题：首先是器材选择,其次是电流表连接 (内接、外接)的确定,最后是电源供电方式 (变阻器分压、限流)的选择。

2.3 设计实验的能力

设计实验的能力是实验能力的重要方面。要求考生能灵活地运用已经学过的理论、实验方法、选择合适的仪器去处理、分析、研究某些未做过的实验,包括设计某种比较简单的实验。试题2测量电阻的实验方案要求考生自主设计实验。当然,伏安法测电阻是考生较熟悉的一个实验,设计点集中在电流表及滑动变阻器的连接方式上。

2.4 基于证据得出结论的能力

证据是能够做证明用的事实依据。实验证据是通过实验观察到的现象或得到的原始数据,也包括对实验现象进行解释或对实验结果进行分析的物理理论。简言之,任何实验结论的解释必须言之有理。试题1,关于实验操作的建议,需要理解实验原理及掌握测力计的正确使用方法。而4次实验的图示中,对提高实验精度最有利的是哪一个的回答中,需要的是推理的证据。试题2,测电阻的实验中要求选择器材,那么选择的证据是什么?画电路图的证据及误差分析的证据等又是什么?这些均要求考生面对具体问题要有理有据,同时也渗透了对考生 “科学态度与责任”素养的考查。

2.5 对探究结果进行反思的能力

反思是分析与评价的过程。要求能对给出的或获得的物理理论、实验结论、实验条件等进行分析,并进行评价与完善。验证力的平行四边形定则实验,如何使探究结果精度高?涉及力的方向的画图误差、力的大小的画图误差、规范画图对图示中的矢量大小以及矢量夹角的要求等。伏安法测电阻,从实验原理上看,电流表内接时,由于电流表的分压,使得待测电阻的测量值大于其真实值。实验原理不完善而带来的误差,理论上属于系统误差。对于实验结论的反思,本质上就是从系统误差及偶然误差的角度去分析问题的过程。

3 教学建议

实验能力的重要性,在《普通高中物理课程标准》中是这样表述的：“在高中物理课程中,应注重科学探究,尤其应注重物理实验,这在培养学生的探究能力和科学态度等方面具有重要的地位。”在高中物理课程中,应挖掘实验在培养学生发现问题和提出问题能力方面的潜在价值。通过创设实验情境或创设实验中的问题,以提高学生发现问题和提出问题的能力。通过实验提高学生制订计划的能力、科学表达的能力等。与此同时,还应通过实验使学生在科学态度与科学精神方面得到熏陶和培养。

3.1 核心素养理念下的物理教学,必须坚持以实验为基础

物理教学必须以实验为基础,这已成为广大教师的共识。实验是物理学的重要内容之一,是学生学习物理的一种基本方法和途径,也是教师进行教学的重要手段。基于核心素养的物理教学,必须树立“以实验为基础”的课程观与教学观。在课程内容上,增加学生动手实验的机会,培养学生的实验技能和实验能力；在实验类型上,改部分验证性实验为设计性实验,以体现科学探究的精神,顺应物理教育发展的趋势；在实验时空上,从课堂实验向课外实验延伸,做到课内、课外相结合；在实验配备上,重视采用简单仪器做实验,同时注意应用现代化实验手段(如DIS实验),做到常规器材与创新器材相结合,为实验教学创设良好环境。

3.2 通过设计简单实验和完成考纲规定实验,提高科学探究能力

天津市 《考试大纲说明》在 “实验”主题下,规定必考实验15个,基本仪器12个。亦即考纲所列的实验与仪器是考生必须掌握的实验内容,是最基本的考查要求。2018年天津实验题,依托考纲规定的基本实验,要求考生理解实验原理、自主选择器材、设计简单电路以及进行误差分析等。可见,命题导向鲜明,即重视完成规定实验,力求考查考生的动手能力。对于验证力的平行四边形定则的实验,作图 (矢量图)是处理数据、达成实验目标唯一方法。显然,动手做过该实验与没有做过该实验,考查结果肯定不同。因此,在高三复习课教学中,安排学生的实验活动,让学生独立进行操作,重温实验的目的要求、实验原理、仪器使用、数据记录、数据处理及误差分析等过程。在带有研究性完成实验的过程中,通过发散思维、质疑问题、反思评价等思维的训练,有利于提高学生的科学思维能力与科学探究能力。

3.3 通过理论与实验分析有机结合,促进物理核心素养的发展

物理学是在长期实践和大量实验的基础上产生、发展和逐渐完善起来的基础学科。物理学是一门理论与实验紧密结合的学科。观察实验现象、得出实验结论,离不开理论的分析。实验教学不能仅仅停留在培养学生的实验技能上,而应该在实验方法和实验思想上,予以提高。因为实验方法和实验思想具有一定的隐蔽性,只有在对实验原理与实验结论的反思及评价中,才能体会实验方法与实验思想的魅力。试题1、试题2均包含等效思想与方法的应用,一个是形变效果 (橡皮条伸长量)的等效,一个是电阻的 (电压与电流比值)等效。物理学科核心素养主要包括 “物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四4方面。其中,理性思维、科学探究、批判质疑等是核心素养的重要内容。在实验教学中,通过对实验现象的分析,深入理解物理概念和规律,正确把握物理问题的本质特征,能够提高学生理性思维的能力；通过提出问题、设计实验方案、寻找证据、利用证据来解释现象或得出结论,能够培养学生的科学探究能力；通过实验活动中科学问题的提出与讨论,引导学生独立思考,对实验现象的观察、质疑与分析,创造性地解决问题,能够培养学生批判质疑能力。总之,在实验活动中,将理论与实验分析相结合,有利于物理核心素养的形成与发展。