2020年高考全国卷物理实验特点评析与备考启示

湖北 许 文

2020年高考全国卷物理实验注重基本技能考查，彰显核心素养提升。和近几年高考中物理实验相比，2020年全国卷物理实验题更突出考查实验的设计能力和探究能力，并增加了实验试题的开放性，设计开放性答案，对问题进行多角度的讨论，是思维开放性、全面性和严密性的体现。通过实验突出了对学生物理核心素养的考查，为今后的高考物理实验题提供了一定的指导作用。本文分析2020年全国卷高考物理实验试题特点，探讨新高考物理实验备考策略。

一、试题概述

试卷题号题型(分值)类型主要内容全国卷Ⅰ22填空(6)应用伏安法测电阻、电路选择、数据处理23填空(9)探究验证动量定理、实验操作、数据处理、误差分析全国卷Ⅱ22填空、简答(5)应用用匀变速直线运动规律与牛顿运动定律测加速度23连图、填空(10)探究研究小灯泡伏安特性、电路实物连线、电表改装34(1)填空(5)应用单摆实验全国卷Ⅲ22填空(6)探究验证动能定理、数据分析与处理23连图、填空(9)探究测量热敏电阻阻值随温度的变化关系、电路设计、探究温控报警器

从表中可以看出，全国卷高考物理实验题型多样、内容广阔、考法灵活，主要考查实验的基本技能以及知识的应用与拓展能力，考查学生的物理实验素养。

二、试题特点

1.注重基本仪器的使用与操作

2020年全国卷Ⅲ第22题考查了打点计时器的使用及纸带的测量与计算；2020年全国卷Ⅰ第23题考查了气垫导轨及光电门的使用与计算；2020年全国卷Ⅰ第22题、2020年全国卷Ⅱ第23题、2020年全国卷Ⅲ第23题分别考查了电流表、电压表及滑动变阻器的使用与操作。

考查基本仪器的使用和操作方法类考题要注意仪器的构造原理、操作技能、读数规则，尤其要注意保留的有效数字。这类题主要以填空为主，题目已由单纯考查仪器的使用转变为综合性的考查。新高考物理实验要求学生熟练掌握的基本仪器有刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器、天平、秒表、电火花计时器或电磁打点计时器、弹簧测力计、温度计、电流表、电压表、多用电表、滑动变阻器、电阻箱等。此外，我们在备考复习中既要熟练掌握基本实验器材的使用，还要了解DIS等实验器材的使用。

2.注重实验原理的理解与分析

理解实验原理是进行实验设计、方案评估、控制条件、测量分析的前提，也是用实验手段进行分析和解决问题的关键。

【例1】(2020年全国卷Ⅱ第22题)一细绳跨过悬挂的定滑轮，两端分别系有小球A和B，如图1所示。一实验小组用此装置测量小球B运动的加速度。令两小球静止，细绳拉紧，然后释放小球，测得小球B释放时的高度h0=0.590 m，下降一段距离后的高度h=0.100 m；由h0下降至h所用的时间T=0.730 s。由此求得小球B加速度的大小为a=________m/s2(保留3位有效数字)。从实验室提供的数据得知，小球A、B的质量分别为100.0 g和150.0 g，当地重力加速度大小为g=9.80 m/s2。根据牛顿第二定律计算可得小球B加速度的大小为a′=________m/s2(保留3位有效数字)。可以看出，a′与a有明显差异，除实验中的偶然误差外，写出一条可能产生这一结果的原因：_________________。

图1

从以上解析中可以看出，a=1.84 m/s2是由实验测得的数据h0、h及T，根据运动学规律间接求出的，这是在真实实验条件下得到的实验结果。不考虑偶然误差，则a为两球实际运动的加速度大小；a′是根据牛顿第二定律计算得出的两球运动的加速度大小，此种情况为不计滑轮与轴间的摩擦、绳与滑轮间的摩擦、细绳的质量及A、B两球运动过程中受到的空气阻力等这些理想条件下得到的实验结果。但实际实验中并不满足以上这些理想条件，因此就会造成a

【评析】与题图1相关有一类常规力学题，如求A、B两球运动过程中细绳上张力大小；B球落地停止运动后，A球上升的最大高度；运动过程中某时刻细绳突然断裂，两球落地时间差等。对这类常规题的分析与求解，都是基于细绳与定滑轮光滑、不计细绳与滑轮的质量、不计两球运动过程中受到空气阻力等理想条件下进行的。本题是一道实验题，虽然物理情境学生熟悉，但试题重设了问题角度，创设了真实情境，将问题、证据、解释、交流等科学探究要素有机融合，实验具有可操作性。只有理解实验原理，才能分析得出利用运动学方法测量得出的加速度大小a与利用牛顿第二定律计算出的加速度大小a′存在明显的差异，其原因包括偶然误差与系统误差。问题具有开放性，考查学生发现问题、解决问题的能力以及语言表达能力。

3.注重基本实验的变化与创新

以教材中的基本实验模型为载体，利用学生已学过的知识，对教材中的基本实验进行再加工、再创造，对实验器材或实验方法加以重组，改进实验测量手段与测量技术，产生新的实验思路和新的实验设计方案，解决新的问题，考查创造性思维。

【例2】(2020年全国卷Ⅰ第23题)某同学用如图2所示的实验装置验证动量定理，所用器材包括：气垫导轨、滑块(上方安装有宽度为d的遮光片)、两个与计算机相连接的光电门、砝码盘和砝码等。实验步骤如下：

图2

(1)开动气泵，调节气垫导轨，轻推滑块，当滑块上的遮光片经过两个光电门的遮光时间________时，可认为气垫导轨水平；

(2)用天平测砝码与砝码盘的总质量m1、滑块(含遮光片)的质量m2；

(3)用细线跨过轻质定滑轮将滑块与砝码盘连接，并让细线水平拉动滑块；

(4)令滑块在砝码和砝码盘的拉动下从左边开始运动，和计算机连接的光电门能测量出遮光片经过A、B两处的光电门的遮光时间Δt1、Δt2及遮光片从A运动到B所用的时间t12；

(5)在遮光片随滑块从A运动到B的过程中，如果将砝码和砝码盘所受重力视为滑块所受拉力，拉力冲量的大小I=________，滑块动量改变量的大小Δp=________(用题中给出的物理量及重力加速度g表示)；

(6)某次测量得到的一组数据为：d=1.000 cm，m1=1.50×10-2kg，m2=0.400 kg，Δt1=3.900×10-2s，Δt2=1.270×10-2s，t12=1.50 s，取g=9.80 m/s2，计算可得I=________N·s，Δp=________kg·m·s-1(结果均保留3位有效数字)；

【解析】(1)气垫导轨调成水平时，滑块做匀速运动，通过两光电门的遮光时间相等；

(6)在(5)中结果表达式代入数据可得I≈0.221 N·s，Δp≈0.212 kg·m·s-1；

【评析】本题是教材中探究加速度与力、质量的关系、探究碰撞中的不变量这两个基本实验的组合、变化与创新。本实验的变化与创新之处在于将长木板改用气垫导轨，将打点计时器与纸带测量运动物体的瞬时速度改用光电门传感器测量，将探究加速度与力、质量的关系与探究碰撞中的不变量改为探究动量定理。改变了实验器材、测量手段与测量技术、实验目的，实现了实验装置的重组。但实验设计的思想与方法不变，如在平衡摩擦力后(滑块不加牵引时做匀速运动)，细绳上的拉力等于滑块受到的合力大小；当滑块(含遮光片)质量m2远大于砝码与砝码盘的总质量m1时，才有细绳上的拉力大小F≈m1g。教材中的基本实验是创新之本，我们在备考复习中不应舍本求末，如果丢开教材中的基本实验而一味地追求创新，既抓不到根本又浪费时间。

4.注重物理思想方法的迁移与应用

将教材中的实验原理和方法进行迁移，去设计实验，测量并解决其他的物理问题，能很好地考查学生思维的灵活性、发散性与应用性，这是高考实验题命题的一种思路与方法。

【例3】(2020年全国卷Ⅱ第23题)某同学要研究一小灯泡L(3.6 V，0.30 A)的伏安特性。所用器材有：电流表A1(量程200 mA，内阻Rg1=10.0 Ω)，电流表A2(量程500 mA，内阻Rg2=1.0 Ω)、定值电阻R0(阻值R0=10.0 Ω)、滑动变阻器R1(最大阻值10 Ω)、电源E(电动势4.5 V，内阻很小)、开关S和若干导线。该同学设计的电路如图3甲所示。

(1)根据图3甲，在图3乙的实物图中画出连线；

乙

甲

乙

(2)若I1、I2分别为流过电流表A1和A2的电流，利用I1、I2、Rg1和R0写出：小灯泡两端的电压U=________，流过小灯泡的电流I=________。为保证小灯泡的安全，I1不能超过________mA；

(3)实验时，调节滑动变阻器，使开关闭合后两电流表的示数为零。逐次改变滑动变阻器滑片位置并读取相应的I1和I2，所得实验数据在下表中给出。

I1/mA325585125144173I2/mA171229299379424470

根据实验数据可算得，当I1=173 mA时，灯丝电阻R=________Ω(保留1位小数)；

(4)如果用另一个电阻替代定值电阻R0，其他不变，为了能够测量完整的伏安特性曲线，所用电阻的阻值不能小于________Ω(保留1位小数)。

【解析】(1)根据图3甲，电路连接实物图如图4所示；

图4

(2)小灯泡两端的电压为电流表A1和电阻R0串联的总电压，由串联电路规律与欧姆定律有U=I1(Rg1+R0)；小灯泡的额定电压UL=3.6 V，故当U=UL时可得电流表A1的示数为I1=180 mA；为保证小灯泡的安全，I1不能超过180 mA；根据并联电路规律可知流过小灯泡的电流为I=I2-I1；

【评析】研究小灯泡的伏安特性实验，是要求学生掌握的电学实验中的一个基本实验，实验目的是用伏安电路测量多组小灯泡的U、I值，由测量数据绘出I-U图像，由图线的特征分析小灯泡电流与电压和温度的关系。根据实验目的要求能合理地选取实验器材，控制实验条件，设计实验电路，观察电表示数，记录、处理实验数据，分析实验结论。试题要求学生根据题中给出的实验器材与电路，连接实物图，完成实验的相关问题，分析求解要注重物理思想方法的迁移与应用。题中给出的器材中没有电压表，但有两只电流表，且两只电流表的内阻均已知，因此可以用其中一只电流表当成电压表使用。根据图3甲，小灯泡与定值电阻R0并联，其设计意图为用电流表A2测量总电流I2，用电流表A1测流过定值电阻R0的电流I1，这样就能间接测出流过小灯泡的电流I=I2-I1；而电流表A1直接测量的最大电压Um=I1Rg1=2 V，小于小灯泡额定电压UL=3.6 V，要求学生能用学过的知识与方法提出解决问题的方案，对电表改装，扩大其量程，以达到实验的要求。试题要求学生理解实验原理，进行创新实践，去解决新情境下的实际问题，体现了考查知识的应用能力。

5.注重实验问题的引申与探究

对问题的引申与探究，能扩大和巩固研究成果，使问题的探究更深入发展，能很好地体现出新课程课堂探究式的学习要求。

【例4】(2020年全国卷Ⅲ第23题)已知一热敏电阻当温度从10℃升至60℃时阻值从几千欧姆降至几百欧姆，某同学利用伏安法测量其阻值随温度的变化关系。所用器材：电源E、开关S、滑动变阻器R(最大阻值为20 Ω)、电压表(可视为理想电表)和毫安表(内阻约为100 Ω)。

(1)在图5中将所给的器材符号之间画出连线，组成测量电路图。

图5

(2)实验时，将热敏电阻置于温度控制室中，记录不同温度下电压表和毫安表的示数，计算出相应的热敏电阻阻值。若某次测量中电压表和毫安表的示数分别为5.5 V和3.0 mA，则此时热敏电阻的阻值为________kΩ(保留2位有效数字)。实验中得到的该热敏电阻阻值R随温度t变化的曲线如图6甲所示。

(3)将热敏电阻从温控室取出置于室温下，测得达到热平衡后热敏电阻的阻值为2.2 kΩ。由图6甲求得，此时室温为________℃(保留3位有效数字)。

甲

(4)利用实验中的热敏电阻可以制作温控报警器，其电路的一部分如图6乙所示。图6中，E为直流电源(电动势为10 V，内阻可忽略)；当图6中的输出电压达到或超过6.0 V时，便触发报警器(图中未画出)报警。若要求开始报警时环境温度为50℃，则图乙中________(填“R1”或“R2”)应使用热敏电阻，另一固定电阻的阻值应为________kΩ(保留2位有效数字)。

【解析】(1)用伏安法测热敏电阻的阻值，由于电压表为理想电表，故测量电路采用毫安表外接法；当温度从10℃升至60℃时热敏电阻阻值从几千欧姆降至几百欧姆，而滑动变阻器的最大阻值为20 Ω，测量电路采用分压式接法，测量电路如图7所示；

图7

(3)测得热敏电阻的阻值为2.2 kΩ时，由图6甲可知对应的温度为25.5℃；

【评析】本题用伏安法测量热敏电阻阻值，测量热敏电阻阻值随温度的变化关系，要求学生设计实验电路图，理解利用热敏电阻制作温控报警器的实验原理，将实验结论引申探究，从而根据报警器的实验电路选择恰当的器材并完成相关电阻阻值的计算，考查基于证据得出结论的能力。学生面对具体问题要有理有据，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。利用发散思维，质疑问题，有利于提高学生的科学思维能力与科学探究能力，同时也渗透了对学生科学态度与责任素养的考查。

三、备考启示

1.立足教材中的基本实验。重视教材中的实验，熟练掌握实验原理、实验仪器的使用及实验思想与方法，重视基本仪器的使用方法和读数规则等实验技能，加强对实验数据的分析与处理能力的训练，主要表现在以下三个方面：分析推理、数据分析与处理方法、误差分析。

2.实验中体现研究性学习。在实验备考复习中，根据教材内容和学生实验中的方法，选好课题，在实验中进行研究性学习，写出实验研究方案、选取器材、研究实验过程，统计数据并分析，对实验方案的优点与不足之处进行评估、分析实验误差等，培养创新精神和实验能力。

3.重视实验的设计与创新。重视对实验思想方法及原理的深刻理解和熟练掌握，重视设计性实验方法的培养，注重用学过的物理知识、物理规律作为理论依据，进行实验设计与创新。创新实验表现在：(1)对基本实验的实验原理与测量器材、测量手段的改进；(2)将基本实验进行组合，实现一个装置多用；(3)用已有的知识与方法设计实验解决新的问题。

4.加强实验综合度与信息量。加强实验综合训练，即重视实验练习、重视新情境的实验训练、加强实验信息的收集与处理，强调基本实验技能的动手落实，在动手中关注实验细节、拓展实验能力。