重视原理 训练思维 培育素养——2019年高考全国卷Ⅲ物理实验题评析

(华南师范大学物理与电信工程学院，广东 广州 511400)

1 引言

随着物理课程改革的进一步深化，中学物理实验的地位也进一步提升。高考物理实验题具有较强的导向性，能体现课程改革的动向。因此，对高考物理真题评析显得尤为必要，笔者以2019年高考全国卷Ⅲ物理实验题为例，对试题内涵深入挖掘，期望能为物理实验教学提供参考。

2 原题呈现与解析

例1(2019年高考全国卷Ⅲ理综第22题)：甲乙两位同学设计了利用数码相机的连拍功能测重力加速度的实验。实验中，甲同学负责释放金属小球，乙同学负责在小球自由下落的时候拍照。已知相机每间隔0.1s拍1幅照片。

(1) 若要从拍得的照片中获取必要的信息，在此实验中还必须使用的器材是( )。

A. 米尺 B. 秒表

C. 光电门 D. 天平

(2) 简述你选择的器材在本实验中的使用方法。

(3) 实验中两同学由连续3幅照片上小球的位置a、b和c得到ab=24.5cm、ac=58.7cm，则该地的重力加速度大小为g=m/s2(保留2位有效数字)。

解析：本题要求学生能正确理解测定加速度实验中相关物理量，并能与实验器材一一对应，考查运动学公式。

(1) 频闪照相与打点计时器实验原理相同，均是相隔一定时间进行一次记录。所以在利用频闪照相法计算物体速度时，必须明确长度、时间这两个物理量。根据题目条件，已知两次位置间的时间间隔，因此，利用秒表测时间在本实验中显得多余，A选项正确。

(2) 将米尺竖直放置，小球下落时应尽量靠近米尺。

例2(2019年高考全国卷Ⅲ理综第23题)：某同学欲将内阻为98.5Ω、量程为100μA的电流表改装成欧姆表并进行刻度和校准，要求改装后欧姆表的15kΩ刻度正好对应电流表表盘的50μA刻度。可选用的器材还有：定值电阻R0(阻值14kΩ)，滑动变阻器R1(最大阻值1500Ω)，滑动变阻器R2(最大阻值500Ω)，电阻箱(0～99999.9Ω)，干电池(E=1.5V，r=1.5Ω)，红、黑表笔和导线若干。

(1) 欧姆表设计

图1

将图1中的实物连线组成欧姆表。欧姆表改装好后，滑动变阻器R接入电路的电阻应为Ω；滑动变阻器选(填“R1”或“R2”)。

(2) 刻度欧姆表表盘

通过计算，对整个表盘进行电阻刻度，如图2所示。表盘上a、b处的电流刻度分别为25和75，则a、b处的电阻刻度分别为、。

图2

(3) 校准

红、黑表笔短接，调节滑动变阻器，使欧姆表指针指向kΩ处；将红、黑表笔与电阻箱连接，记录多组电阻箱接入电路的电阻值及欧姆表上对应的测量值，完成校准数据测量。若校准某刻度时，电阻箱旋钮位置如图3所示，则电阻箱接入的阻值为Ω。

图3

图4

解析：(1) 本题考查的是欧姆表的改装过程，题目中原先电流表量程为100μA，现在要求15kΩ的刻度正好对应的是50μA，50μA也就是指针指在表盘的中间位置，其对应的刻度正好是欧姆表的中值电阻，即欧姆表本身的内阻。实物电路图中只需将实验器材串联，滑动变阻器采用限流接法，对于欧姆表的红、黑表笔，尤其需要注意“红进黑出”的要点(电流由红笔进，由黑笔出)，实物电路图连线见图4所示。

可计算出滑动变阻器连入电路的电阻R=RΩ-Rg-r-R0=900Ω，滑动变阻器应选择R1。

(3) 红、黑表笔短接时，被测电阻Rx=0。对滑动变阻器进行调节，指针指到灵敏电流表最大刻度处(即欧姆表指针指到0Ω处)，电阻箱接入的电阻R=35000.0Ω。

3 试题特点

3.1 重视实验原理的理解和迁移

实验原理是实验的核心，是物理实验思想、方法的彰显。在例1中，学生需要知道频闪照相作为研究物体做变速运动的常用手段之一，频闪仪会每隔一段时间发出一次短暂的闪光，照亮运动的物体，胶片上可以利用记录下物体在闪光时的确切位置，学生只有理解了利用频闪相机测重力加速度的实验原理，才能在第(1)问中选择出还需使用的实验器材。运用匀变速直线运动的推论：在连续相邻的相等时间内位移差值为一定值，即：Δx=aT2，计算得出重力加速度的数值。例2侧重于考查欧姆表的构造以及电表的改装，解答这一题的关键在于依据欧姆表的原理得出中值电阻的阻值。学生只有正确理解中值电阻的概念，才能计算出接入电路的滑动变阻器阻值。上述考题既源于教材，又高于教材，以合理设问的方式，多角度考查了学生对基本实验原理的理解和迁移能力。

3.2 突出实验设计能力的考查

实验设计能力的考查着重强调学生是否能依据提出的问题、某一物理现象或者情境，灵活地应用已有的物理知识、方法，设计出具有科学性、合理性以及可操作性的实验方案。例2第(1)问要求学生自行设计实验方案，能正确连接实物电路图，并具有电路保护的意识，进行合理估算，选择适当的滑动变阻器。例1并未要求学生自行设计实验方案，而是在题目中给定的实验情境中融入了对实验设计能力的考查，第(2)问考查学生对实验原理的理解，并能依据实验情境，选择出适当的实验器材，说出具体的器材使用方法，试题具有一定的开放性。

3.3 强调基本实验技能的考查

基本实验技能是学生进行实验探究的关键，例1第(3)问明确要求学生对最后实验结果运用有效数字规则进行表述。通过调查发现：有学生给出的答案是g=9.70m/s2，表明其实验技能不扎实，忽略了有效数字具体运算规则。例2中也涉及电阻箱的正确读数、欧姆表的调零以及红黑表笔的接法等实验操作知识点的考查。高考物理大纲中明确要求学生知道有效数字的概念，会用有效数字正确表达测量的结果，会使用基本实验器材。由此可见，两道考题紧扣考纲，命题导向十分鲜明，能较好地考查学生的基本实验技能。

4 对物理实验教学的启示

《普通高中物理课程标准(2017年版)》对物理核心素养及关键能力的培养提出了新的、更高的要求，科学探究作为其重要组成，更多地关注学生的物理实验及其实践活动。历年高考题的考查也凸显出了实验能力的重要性，2019年高考物理全国卷Ⅲ中实验题对于进一步落实核心素养的培养有以下启示。

4.1 注重物理实验教学，加强实验技能训练

为培育学生的物理学科核心素养，物理实验教学的重要性不言而喻，在物理实验教学中，应落实考试大纲中物理实验要求。如游标卡尺、螺旋测微器的读数问题不仅是高考实验中的常考点，也是物理实验教学中的难点。如果教师仅仅只是传授读数方法，学生没有进行具体的实践操作，其教学效果将会大打折扣。所以，在物理实验教学中，应让学生自主进行实验，实验器材的选择、实验目的和方案的确定、实验原理的理解、实验数据的记录与处理、实验误差分析以及实验结论的得出等各个环节都不容忽视，着力培养学生的实验技能。

4.2 挖掘教材实验素材，培养科学探究能力

最近几年全国卷Ⅲ中的物理实验题并不都是教材原题，但考查的实验原理和方法源于教材。如2018年、2019年全国卷Ⅲ实验题第22题考查学生对自由落体运动原理的理解和分析，其实验情境分别来自于人教版高中物理必修一中的“问题与练习”“做一做”等栏目。因此在物理教学过程中，不应只仅仅局限于教材中的演示实验，还要深入挖掘教材中实验素材，将实验素材进行重新设计，鼓励学生开展开放性探究活动，为学生提供发挥创造性的机会。如人教版教材中的“做一做”栏目涉及了利用传感器对作用力和反作用力两者间的关系进行探究、利用传感器测速等内容，因此可以引导学生运用数字化实验系统开展课外物理实验研究。实验方案由学生自主设计，数据收集与处理以小组形式进行，最后通过小组讨论得出结论，以培养学生的科学探究能力。

4.3 渗透科学方法教育，提高发散思维能力