基于高考物理实验题特征看实验题命题的技巧与方法

北京 张祖志 张春丽

【背景】北京教科院基础教研中心特级教师张玉峰老师所带专家团队对北京高考物理试题给出了准确定位,即“力求物理命题有利于导向中学教学,有利于高校选拔新生,促进高中、高校人才培养的有效衔接”。实验题的考查以实验原理为基础,要求学生以生活中常见物品进行实验探究,设计活动方案。实验题中首次考查分析实验过程中的故障问题,引导学生从真实实验数据的采集、处理和实验结论的获得等环节中思考问题本质,从而提高学生发现问题、表征问题和分析解决问题的能力。下面笔者从北京物理高考和模拟卷实验题考查角度分析实验题的几种命题特点,并给出命题策略,以飨读者。

技巧一:考查不同实验方案的对比分析 以教材为命题素材来源

试题设置不同实验方案对比分析的原因是选择不同实验器材,使实验数据记录和数据处理方法发生变化。而选择不同实验方案中间涉及的实验操作往往也会有所变化。以探究加速度与物体受力、物体质量关系的实验为例,教材中给出了两种平衡摩擦力的实验方案和数据处理方法。为什么采用a-M关系图像不能准确确定两个物理量的关系,而只有采用关系图像才能得出,在合外力一定的情况下,加速度与质量成反比的结论。下面看一下北京卷2020年高考题15题的具体命题技巧。

【典型示例】(2020·北京卷·15)在“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”实验中,做如下探究:

(1)为猜想加速度与质量的关系,可利用图1所示装置进行对比实验。两小车放在水平板上,前端通过钩码牵引,后端各系一条细线,用板擦把两条细线按在桌上,使小车静止。抬起板擦,小车同时运动,一段时间后按下板擦,小车同时停下。对比两小车的位移,可知加速度与质量大致成反比。关于实验条件,下列正确的是_________(填选项前的字母)。

A.小车质量相同,钩码质量不同

B.小车质量不同,钩码质量相同

C.小车质量不同,钩码质量不同

【分析】问题(1)是关于小车加速度和质量关系的猜想,实际上参与这一问题涉及的主要因素包括小车所受合外力、小车的加速度和小车的质量。为了确定小车加速度和质量的关系,我们必须控制钩码的质量不变。问题(1)是以实验的研究方法作为解决问题的手段来命制本实验。

(2)某同学为了定量验证(1)中得到的初步关系,设计实验并得到小车加速度a与质量M的7组实验数据,如表1所示。在图2所示的坐标纸上已经描好了6组数据点,请将余下的一组数据描在坐标纸上,并作出图像。

【分析】问题(2)相对比较简单,仅需将数据描在图像中,并作出图线。如果把为什么做图像作为设问,则更有利于考查学生对数据处理本质的理解。

(3)在探究加速度与力的关系实验之前,需要思考如何测“力”。请在图3 中画出小车受力的示意图。为了简化“力”的测量,下列说法正确的是_________(填选项前的字母)。

图3

A.使小车沿倾角合适的斜面运动,小车受力可等效为只受绳的拉力

B.若斜面倾角过大,小车所受合力将小于绳的拉力

C.无论小车运动的加速度多大,砂和桶的重力都等于绳的拉力

D.让小车的运动趋近于匀速运动,砂和桶的重力才近似等于绳的拉力

【分析】实验过程中涉及数据测量,其中加速度可通过打点计时器记录小车运动随时间变化的纸带来计算,质量用天平测量,合外力确定的最简单的方式是让小车所受拉力近似等于砂和砂桶的重力,这样只需要利用天平测出其质量就可以了。在何种情况下,砂和砂桶的重力近似等于小车所受拉力? 第一需要平衡摩擦力,第二需要满足m≪M的条件。

【评价】利用控制变量研究物理问题的探究性实验,而控制变量就是把多因素的问题变成多个单因素的问题。每一次只改变其中的某一个因素,而控制其余几个因素不变,从而研究被改变的这个因素对事物的影响。实验设计需要注意实验方案的选择、实验步骤的操作,实验数据如何处理更方便得出实验结论,这些都可以作为命题的考点。本题素材源自人教2019年版必修第一册第88页。在教材的案例中,精准表述了平衡摩擦力的方法、实验操作方法和数据处理方法,而试题命制就是把教材知识内容问题化的过程。

技巧二:考查实验原理的表征分析 以原理表达式的变式为素材来源

实验原理是一个实验的灵魂,只要明确实验原理,实验方案就可以根据所提供实验器材和所需测量实验数据做出调整。这可以作为命制试题的一个重要原则和方法。下面看一下2022年北京朝阳区一模第16题是如何利用这一原则进行设计的。

【典型示例】(2022·北京朝阳一模·16)某课外活动小组用铜片、铝片和自来水制作了由多个自来水电池构成的电池组。为了测量电池组的电动势E和内阻r,他们选用数字电压表(内阻大于10MΩ)、电阻箱(0～9999Ω)以及开关与该电池组连接成电路进行实验。

(1)请在图4的方框中画出实验电路原理图。

图4

【分析】问题(1)是根据实验原理和题中所提供器材要求学生设计并画出实验原理图,考查学生对实验所需测量数据和方法的掌握程度。

(2)按照设计的电路图连接电路后,调节电阻箱接入电路的阻值R,并同时记录数字电压表的读数U。以为纵轴、为横轴建立直角坐标系,描出数据点,得到图5所示的图线。已知图线在纵轴上的截距为b,斜率为k,由此可以求得电池组的电动势_________,内阻_________。(用b和k表示)

图5

【分析】问题(2)是从实验原理公式U＝E－Ir出发,根据实验电路原理图能够测出的物理量,对公式进行适当的变形得到题中图5纵坐标和横坐标物理量之间关系的函数表达式,分析图像中图线斜率、截距等物理意义,从而得出电池电动势和内阻的表达式。命题的过程也是解题过程的逆向思维过程。

(3)该小组的同学想用上面数字电压表和电阻箱探究某光伏电池的特性。他们通过查阅资料知道,光伏电池在特定光照条件下的伏安特性曲线如图6所示,则他们得到的U-R图像可能是图7中的________。

图6

图7

【分析】问题(3)的设置技巧是利用物理量之间的转换关系,做出不同图像,可以作为考查学生逻辑推理能力的一种方法。除此之外,还应注意物理量的最终变化趋势也是问题思考的关键点。

【评价】这是一道测电池电动势和内阻实验的试题,涉及实验原理、电路设计、闭合电路欧姆定律。问题(2)给的是关系图像,需要从原理表达式出发,结合电路图,寻找物理量之间的关系,最后转化为以为自变量、为因变量的表达式,从而确定电池电动势和内阻。

技巧三:考查不常见问题的原因分析 以真实实验中的问题为素材来源

真实的实验中往往会出现意想不到的问题,对于结论未知的实验就更容易出现意外和惊喜,试题中的实验都是学生学过的实验,所以实验结论是已知的,但不同的实验方案、测量工具、实验操作、数据记录和处理方式都可能导致意外问题的出现,分析产生问题的原因,对于学生的综合分析能力具有较高要求。下面看一下2021 年北京东城二模第16题验证动量守恒定律中的问题设计。

【典型示例】(2021·北京东城二模·16)如图8 所示,用半径相同的两个小球的碰撞验证“动量守恒定律”。实验时先让质量为m1的A球从斜槽上某一固定位置C由静止释放,A球从轨道末端水平抛出,落到位于水平地面的复写纸上,在下面的白纸上留下痕迹,重复上述操作10次,得到10个落点痕迹,再把质量为m2的B球放在水平轨道末端,将A球仍从位置C由静止释放,A球和B球碰撞后,分别在白纸上留下各自的落点痕迹,重复操作10次,M、P、N为三个落点的平均位置,O点是水平轨道末端在记录纸上的竖直投影点,如图9所示。

图8

图9

(1)下列说法中正确的有_________(填选项前的字母)。

A.安装轨道时,轨道末端必须水平

B.实验前应该测出斜槽末端距地面的高度

C.实验中两个小球的质量应满足m1＜m2

D.除了图中器材外,完成本实验还必须使用的器材是天平、刻度尺和秒表

E.未放B球时,A球落点的平均位置是P点

【分析】问题(1)设置是从实验器材选择、实验装置安装要求、实验数据测量和实验中入射小球落点位置分析四个角度作为设置考查选项的内容,这样设问可以多角度、更全面地考查学生对于实验的掌握程度。

(2)实验中,测量出两个小球的质量m1、m2,测量出三个落点的平均位置与O点距离OM、OP、ON的长度分别为x1、x2、x3。在实验误差允许范围内,若满足关系式_________________(用所测物理量的字母表示),则可以认为两球碰撞前后的总动量守恒。

【分析】问题(2)设置是从转换测量物理量的角度命制问题,这样设置的原因是实验过程中直接测量小球碰撞前后瞬时速度比较复杂,通过平抛运动规律寻找到碰撞前后瞬间速度和水平方向位移之间的关系,则相对容易得出碰撞规律。

(3)某实验小组设计用上述装置来研究碰撞前后动能的变化,实验方案如下:如图10所示,使从斜槽轨道滚下的小球打在正对的竖直墙上,把白纸和复写纸附在墙上,记录小球的落点。选择半径相等的小钢球A和硬塑料球B进行实验,测量出A、B两个小球的质量m1、m2,其他操作重复验证动量守恒时的步骤。M′、P′、N′为竖直记录纸上三个落点的平均位置,小球静止于水平轨道末端时球心在竖直记录纸上的水平投影点为O′,用刻度尺测量M′、P′、N′到O′的距离分别为y1、y2、y3。

图10

a.在实验误差允许范围内,若满足关系式_________(用所测物理量的字母表示),则可认为碰撞前后两球的总动能相等。

b.在分析操作可行性时发现,按此种方法操作,有非常大的可能无法得到碰撞后A球的落点,请分析原因_______________________________________________________________。

【分析】问题(3)是通过寻找碰撞前后入射小球和被碰小球竖直方向位移和碰撞前后瞬时速度之间的关系,验证如果其碰撞过程是弹性碰撞应满足的碰撞前后瞬间动量守恒和能量守恒函数关系,以及实验过程中出现碰撞后入射小球在竖直挡板上落点位置无法记录这一意外现象产生原因,从而考查学生是否真做实验,是否真的对实验中出现的问题进行了深入分析。

【评价】这是一道考查两小球碰撞前后动量和动能是否守恒的验证性实验。其巧妙之处在于通过水平和竖直两种方式记录碰撞前后入射小球和被碰小球的落点位置,使处理实验数据的方法也随之发生变化,但都是利用平抛运动规律。另外,考查真实实验中存在的可能性问题,让学生分析产生这一问题的原因,从而考查学生分析问题的能力。该题体现了真做实验,做真实验的课堂教学导向。

技巧四:考查物理研究方法的表征分析 以研究论文为素材来源

物理知识体系的建立往往是通过理论推导和实验验证的方式,在考查物理规律过程中往往可以体现物理学的研究特点。下面看一下在闭合电路欧姆定律实验的考查中是如何体现这一命题规律的。

【典型示例】(原创)为了从实验角度研究闭合电路欧姆定律,提供了如图11所示原理示意图,其中主要实验器材:电源为J2365可调内阻的半封闭式铅蓄电池;数字电压表V1和V2采用4位数字电压表,可精确到0.001V;数字电流表A 采用4位数字电流表,可精确到0.001A;电阻箱为ZX21型标准电阻箱,其中数字电压表和电流表可以看成是理想电表。

图11

(1)同时闭合开关S1和S2,接通电路,改变外电路(调节电阻箱阻值),两电压表记录内电压U1和外电压U2,电流表记录干路中电流I,电阻箱记录外电路电阻R,数据计入表2中。

表2 探针a、b测内、外电压,电流和外电路电阻

a.从表2 中,可以得出电池电动势大小为_________。利用实验数据,某同学作出如图12所示U1-I关系图像,分析图像物理意义可知,图像的斜率表示________,其大小不会因为外电阻变化而发生变化,其大小为_________。

图12

b.U1＋U2与电动势E并不严格相等,且随着外电阻的减小、电流的增大,电动势E与内、外电压之和U1＋U2的差值也随之增加,产生这种差别的主要原因是_________________________________________________________________。

【分析】问题(1)是从实验原理出发,分析所测实验数据,从而确定电池电动势和内阻,并分析产生实验系统误差是因实验操作受限导致。

(2)由于无法做到使探针无限接近而又不接触电池电极,可以利用探针远离电极来验证推理。若用探针a′、b′替换a、b重新实验,得到了表3中的数值,由此可知当探针远离电极时测量结果U1＋U2与E的差值较使用探针a、b实验时_________。

表3

【分析】问题(2)是对解决问题(1)出现操作受限问题的体现,是通过逆向思维解决问题的方式和方法并对由此产生的结果进行预判。

(3)实验过程中由于探针无法做到无限靠近又不接触两极,会造成实验误差,在实验误差允许的范围内,由表2和表3可以得出电池电动势与内外电压之间满足关系:_________,根据部分电路欧姆定律,U1＝Ir,U2＝IR,由此可得闭合电路中满足:_______。

【分析】问题(3)实际上就是由实验数据分析获得实验结论的过程,没有借助图像而是通过数据分析得出,在已知实验结论的前提下,对于学生来说是比较容易的,但对于未知结论的实验则难度有所提高。

(4)在获得闭合电路欧姆定律的过程中,我们除了实验归纳,还可以从能量守恒的角度推导该结论,若电池电动势为E,电池内阻为r,外电路电阻为R,试写出其推导过程_________________________________________________。

【分析】问题(4)从能量守恒角度,分析闭合电路中能量转换关系,从而得出闭合电路欧姆定律,对于基础较好的学生来说并不难。

【评价】这道题目源自于«物理教学探讨»2021年第8期«“闭合电路欧姆定律”实验教学创新设计»一文,试题从原始数据出发进行命制,考查学生原始数据分析能力;从实验操作引起数据变化原因的分析,考查学生对实验原理的理解;试题设置问题以物理学研究方法理论推导和实验验证两个角度,考查学生知识建构能力和实验分析推理能力。

总结

试题的命制标准应以国家高考试题的核心功能、考查内容和考查要求为最高追求。试题命制过程要能够回答«中国高考评价体系»中关于试题,为什么考、考什么、怎么考,几个核心问题。实验题命制应具有服务教学的导向,引导教师在教学过程中真做实验,学生真思考实验问题,考查学生实验分析能力、推理论证能力,并且命制的试题应具有创新性和综合性的特点。