立足教材基础知识 培养学生实验探究能力——2022年高考全国卷物理实验题分析及启示

贵州 杨 勇

物理实验是高考的必考知识,也是能体现物理核心素养的考点之一,因为物理实验能体现学生对物理原理的理解、实验方案的设计、实验仪器的选择和应用、实验数据的处理、实验结论的得出等必备的核心素养,同时也考查学生的实验探究能力和科学探究能力,可以充分发挥教考的积极导向作用。因此高考物理试题的研究,不仅可以明确高考试题发展态势,同时也能为培养学生的物理学科核心素养提供帮助。本文通过对全国卷物理实验题的分析,总结2022年全国卷物理实验题的特点,为备考复习提出建议,以期对高考备考有所助益。

一、实验题分析

1.力学实验题分析

【例1】(2022·全国乙卷·22)用雷达探测一高速飞行器的位置。从某时刻(t＝0)开始的一段时间内,该飞行器可视为沿直线运动,每隔1s测量一次其位置,坐标为x,结果如表1所示:

表1

回答下列问题:

(1)根据表中数据可判断该飞行器在这段时间内近似做匀加速运动,判断的理由是:_________________________;

(2)当x＝507m时,该飞行器速度的大小v＝_______m/s;

(3)这段时间内该飞行器加速度的大小a＝_______m/s2(保留2位有效数字)。

【立意】本题中,雷达每隔1s记录飞行器的位置,并通过表格的形式,引导学生应用与打点计时器相关实验的处理方法处理实验数据。重在考查学生应用逐差法处理实验数据,本题对学生的能力要求不高。

【分析】(1)由于题给数据是飞行器所在的位置,很多学生可能会认为表格中的数据就是每一秒所对应的位移,所以为了能清晰、形象地理解表格中的数据,可以建立一维坐标轴,并标出每一秒对应的位移大小,根据ΔS＝aT2进行判断即可;(2)在第(1)的基础上,已经判断出该飞行器做匀加速直线运动,则当x＝507m 时,速度即为0～2s的中间时刻速度,而中间时刻速度等于这段时间的平均速度;(3)结合表中所给的数据,引导学生应用逐差法处理数据,因此先根据逐差法写出表达式,再代入数据即可。

【解析】(1)由于表格数据是对应该时刻的位置,因此不容易看出每段时间的位移,因此把表格数据还原为坐标上的点来观察,如图1所示。

图1

通过计算得S1＝507 m,S2＝587 m,S3＝665 m,S4＝746m,S5＝824m,S6＝904m。

则S2－S1＝80m,S3－S2＝78m,S4－S3＝81m,S5－S4＝78m,S6－S5＝80m,通过数据可以发现,若在实验误差允许的范围内,ΔS为定值,因此飞行器做匀加速运动;

(2)在第(1)的前提下,当x＝507 m 时,自然得到v＝m/s,则v＝547m/s;

【点评】根据表格所给的数据,计算出每一秒对应的位移,再结合匀变速直线运动的判断方法,判断出飞行器的运动情况。本题的关键是正确写出每一秒对应位移的大小,如果把坐标的数字看成是位移,会使第(1)问无法得到判断,以致一系列错误出现。本题需要学生掌握的知识点是匀变速直线运动的判断方法和规律,知道中间时刻的瞬时速度等于这一段时间的平均速度,这是处理纸带类问题的重要方法,同时本题学生容易出现错误的是第(3)问,在平时练习的过程中,学生容易把有效数字和保留小数点后几位混淆,导致结果错误。

【例2】(2022·全国甲卷·23)利用图2所示的实验装置对碰撞过程进行研究。让质量为m1的滑块A与质量为m2的静止滑块B在水平气垫导轨上发生碰撞,碰撞时间极短,比较碰撞后A和B的速度大小v1和v2,进而分析碰撞过程是否为弹性碰撞。

图2

完成下列填空:

(1)调节导轨水平;

(2)测得两滑块的质量分别为0.510kg和0.304kg。要使碰撞后两滑块运动方向相反,应选取质量为_________kg的滑块作为A;

(3)调节B的位置,使得A和B接触时,A的左端到左边挡板的距离S1与B的右端到右边挡板的距离S2相等;

(4)使A以一定的初速度沿气垫导轨运动,并与B碰撞,分别用传感器记录A和B从碰撞时刻开始到各自撞到挡板所用的时间t1和t2;

(5)将B放回到碰撞前的位置,改变A的初速度大小,重复步骤(4)。多次测量的结果如表2所示;

表2

(6)表2中的k2＝_________(保留2位有效数字);

(8)理论研究表明,对本实验的碰撞过程,是否为弹性碰撞可由判断。若两滑块的碰撞为弹性碰撞,则的理论表达式为_________(用m1和m2表示),本实验中其值为_________(保留2位有效数字),若该值与(7)中结果间的差别在允许范围内,则可认为滑块A与滑块B在导轨上的碰撞为弹性碰撞。

【立意】本题利用气垫导轨对弹性碰撞进行研究,展示完整的实验探究过程,主要考查学生对碰撞过程中不同质量物体碰撞后的运动状态的判断,同时也考查学生对表格数据的观察能力和数据处理能力,引导学生从动量守恒和能量守恒角度推导题设中的作为判断是否是弹性碰撞的依据。同时本实验也着重考查数据有效数字的保留。本实验要求学生理论与实验相结合,培养学生的证据意识。

【分析】(2)运动的滑块A去碰静止的滑块B,且题述已经指明了要判断是否是弹性碰撞,则只能是质量小的物体碰撞质量大的物体,质量小的物体才会被反弹;(6)由表格中给出的时间与速度的比值可知,调平的气垫导轨上的滑块做匀速直线运动,则速度必然是v＝,题述已经强调A、B的距离相等,则速度的比值就是时间的反比;(7)是以(6)准确计算为前提,虽然求5个数的平均值是比较简单的问题,但如果(6)计算错误就会影响(7)的结果;(8)这一问是本题中的难点,要结合动量守恒与能量守恒推导,对学生的数学推导能力要求较高,同时要求学生具备良好的心理素质和数学能力。

【解析】(2)要求碰撞后A反向,则A必然是小质量的物体,所以选取的质量为0.304kg;

(6)由于A、B的距离相等,假设为s,则v＝,因此

(8)根据弹性碰撞,假设碰撞之前A的速度为v0,根据动量守恒有

【评价】本题通过气垫导轨的实验装置,展示实验过程,考查学生对碰撞实验的理解;通过表格记录相应的数据并留下一些空缺让学生通过实验原理和逻辑推理计算出缺少的数据,考查学生对实验方案的理解,同时发展学生的实验探究能力。(8)虽然是填空但是难度不亚于计算题,要求学生结合动量守恒定律的表达式和能量守恒的表达式,准确推导出所要的结果。对于弹性碰撞,在复习备考时可以要求学生掌握弹性碰撞的一些结论,比如碰后速度的表达式对于基础较好的学生可以拓展质点组动量守恒与对心碰撞恢复系数的相关知识,有助于学生思维的发散和视野的拓展。

【试题创新点评】总体而言,2022年全国卷力学实验部分仍是重在基础知识的应用,同时注重实验的创新设计。如乙卷第22题以雷达探测高速飞行器的位置为背景,要求学生将熟悉的打点计时器纸带处理方法进行灵活迁移,在以往的试题中都是以真实的纸带为背景,直接考查学生数据处理的方法和技巧,而本题则是增加了真实情境的元素,是本题的一大创新点。再如甲卷第23 题,按照传感器、光电门等实验题型的考法,通常是直接计算某段时间对应的速度大小,根据动量守恒或能量守恒,写出公式,提问学生遵循什么规律从而得到验证,而本实验则是巧妙应用了碰撞后速度的比值满足一个定值来反应碰撞过程所遵循的规律,对学生能力的要求有了进一步的提高。

2.电学实验分析

【例3】(2022·全国甲卷·22)某同学要测量微安表内阻,可利用的实验器材有:电源E(电动势1.5 V,内阻很小),电流表(量程10 mA,内阻约10 Ω),微安表(量程100μA,内阻Rg待测,约1kΩ),滑动变阻器R(最大阻值10Ω),定值电阻R0(阻值10Ω),开关S,导线若干。

(1)在答题卡上将图3所示的器材符号连线,画出实验电路原理图;

图3

(2)某次测量中,微安表的示数为90.0μA,电流表的示数为9.00mA,由此计算出微安表内阻Rg＝_______Ω。

【立意】本题要求学生画出测量微安表内阻的电路图,是一道探究性实验题,主要考查学生对电路简单设计的基本能力,能从减小误差的角度设计电路,同时能准确计算出相应的结果,要求考生具备一定的实验探究能力。

【分析】(1)是电路原理图的设计,实验电路主要由两部分组成,即控制部分和测量部分,控制部分以滑动变阻器为主,测量部分以测量电表为主,而实验主要从安全、可操作性、减小误差、电路简单等角度分析,所以滑动变阻器优先考虑限流式连接,电流表从减小误差的角度选择接法即可;(2)在电路准确连接后,通过欧姆定律代入数字进行计算即可。

【解析】(1)若用限流式,由于电流表内阻未知,则电路大致如图4所示,根据所给的数据,由于电流表的内阻RA≈10Ω,滑动变阻器的最大值也是10Ω,电流计与R0并联的阻值也是约为10Ω,因此如果滑动变阻器的阻值以最大值计算,根据串联电流关系,电流计分得的电压也接近0.5V,而电流计允许通过的最大电流为100μA,则Ug＝IgRg,所以电流计承受的最大电压约为Ug＝0.1V,因此如果选择限流式,电流计可能会被烧坏,所以采用分压式接法,电路图如图5所示。

图4

图5

(2)根据电路图原理,Rg＝,代入已知数据得Rg＝990Ω。

【评价】本题的难度在于滑动变阻器的接法,对于大部分学生有一定难度,电路的设计一直以来都是学生的“痛点”,也是考查学生的探究能力和创新能力的重要方式,高考中实验设计必然成为重要的考点,教师需要在教学时加强对学生创新思维能力的培养。

【例4】(2022·全国乙卷·23)一同学探究阻值约为550Ω 的待测电阻Rx在0～5mA 范围内的伏安特性。可用器材有:电压表V(量程为3V,内阻很大),电流表A(量程为1mA,内阻为300Ω),电源E(电动势约为4V,内阻不计),滑动变阻器R(最大阻值可选10Ω 或1.5kΩ),定值电阻R0(阻值可选75Ω 或150Ω),开关S,导线若干。

(1)要求通过Rx的电流可在0～5 mA 范围内连续可调,在答题卡上将图6所示的器材符号连线,画出实验电路的原理图;

(2)实验时,图6中的R应选最大阻值为________(填“10Ω”或“1.5kΩ”)的滑动变阻器,R0应选阻值为_________(填“75Ω”或“150Ω”)的定值电阻;

图6

(3)测量多组数据可得Rx的伏安特性曲线。若在某次测量中,电压表、电流表的示数分别如图7和图8所示,则此时Rx两端的电压为_________V,流过Rx的电流为_________mA,此组数据得到的Rx的阻值为_________Ω(保留3位有效数字)。

图7

图8

【立意】本题考查学生对电路的设计、电流表的改装原理以及电表的基本读数问题,具有一定的探究性,重在考查学生的实验设计能力和实验创新能力,对学生的能力要求中等。

【分析】(1)由于要求电流在0～5mA 范围内连续可调,故选择分压式接法,电压表内阻很大,可以不计电压表的分流,故用外接法;(2)根据分压式的特点,滑动变阻器选择小电阻方便操作;对于电流表的改装,由于要求电流在0～5mA 范围内连续可调,而电流表的满偏电流只有1mA,根据电流表改装原理,应并联小电阻,故首先考虑阻值为75Ω 电阻,结合改装电路原理计算即可;(3)对于电表的读数,首先要观察刻度的最小分度,如果最小分度为0.1,则要估读到下一位,如果最小分度是0.2或0.5,则只读到本位即可。

【解析】(1)由于从零开始调节,则用分压式接法,电压表内阻很大,电流表外接能使电路简单,则电路原理图如图9所示;

图9

(2)画出电表改装原理图如图10 所示,根据并联分流作用R0＝,则R0＝75Ω;由于用分压式接法,小电阻滑动变阻器方便操作,则选择最大阻值为10 Ω 的滑动变阻器;

图10

(3)根据电压表的满偏电压是3 V,则最小分度是0.1V,因此电压表的读数为2.30V,对于电流表,最小分度为0.02mA,指针所指的位置为0.84mA,由于改装之后的总电流为原来的5倍,则电流为4.20mA;根据欧姆定律有,代入数据得Rx≈548Ω。

【点评】电表的改装和电路设计是电学实验的一大难点,也是高考重点。电表的改装,首先要明确电压表和电流表的原理,从而准确画出电路图。该题很多学生会选择内接法,由于电流表的内阻已知,不会造成系统误差,而电压表的内阻很大,不考虑分流作用。如果应用内接法反而会使计算变得复杂。因此要准确地设计电路图,首先要从实验遵循的规律出发,不能小题大做,要实事求是,追求真理,用敏锐的眼光和创新思维看待事物,发展自己的解题能力。

【试题创新点评】2022年全国卷的电学实验主要以教材知识为基础,强化电路设计的考查。2021年全国卷电学实验主要考查学生对实验基本原理的理解,数据的处理和误差分析,着重强调原理和数据的计算。而2022年全国卷电学实验则是强化实验设计,注重学生实验探究能力的发展,减少复杂的数据计算,着重推理、论证能力的考查,比如2022年甲卷第22题,误差的分析直接放到电路的设计中来考查,只要学生突破电路图的连接问题,本题便迎刃而解;同时乙卷也是相同的考查思路,都是创新实验的设计。虽然实验考查的方向比较简单,但是要求学生根据题意进行设计实验,最后完成实验,相当于让学生在实验里完成一次实际操作,从另一个角度来说,也考查学生的实验动手能力,这是2022年全国卷电学实验的最大创新点。

二、启示

高考物理实验题能有效考查学生的探究能力,主要表现为对基础知识的理解和应用、实验设计与操作、数据处理和误差分析、结论的论证及质疑等综合能力的考查。由于实验的原理源于教材,但是实验的方法高于教材,所以在备考复习中应该注重基础知识的掌握,加强学生创新思维能力的培养,注重实验创新设计与实验探究能力。笔者结合2022年全国卷的特点,认为对于2023年高考物理实验题应该注意以下几点:

1.强化基础知识的理解与应用。注重高中物理核心、主干知识的复习,吃透高中阶段需要掌握的物理实验基本原理,引导学生强化基础知识的应用,尽量不去做那些难、怪的题,要以基础为主,让学生形成对高中物理实验全局性、系统性的认识,尽量减少那些典型题的套路和技巧的运用,引导学生实事求是地学习物理。

2.注重实验设计,强化学生实验探究能力。从2022年的实验题来看,实验设计的要求较高,而且每一道试题都是一个完整的实验过程,包括仪器的选择、实验方案的设计、数据处理。所以在平时的教学中,应该对学生的实验操作和动手能力作出要求,引导学生积极地动手做实验,切实提升实验能力。

3.注重知识的迁移应用。知识的迁移应用是基础知识的发展,而对于很多学生来说高考所考查的题型不会做的原因是没有把自己所学的知识融合为一种体系。比如乙卷的22题和甲卷的24题都涉及打点计时器纸带类型的迁移应用,因此强化知识的迁移,可以使学生达到做一个会一类的效果。

4.注意有效数字的保留。几乎只要涉及实验结果的计算,都会涉及有效数据的保留,有效数字的保留在一定程度上可以体现测量仪器的精确度。比如0.01A 有的学生认为这是两位有效数字,其实这只是一位有效数字,但是它却是保留小数点后面两位;同理,如0.10A 这个数值它同样是小数点后两位,但是它却是两位有效数字。这些细节上的问题都有可能导致学生犯错与丢分,因此对于有效数字的保留也不能忽视。