卞志榮

（江蘇省天一中學(xué)，江蘇 無錫 214101）

近幾年來，高考實(shí)驗(yàn)考查越來越全面，越來越靈活，試題已不局限于課本、大綱規(guī)定的幾個基本實(shí)驗(yàn)，而是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行重組與創(chuàng)新，旨在考查學(xué)生是否熟悉這些常規(guī)實(shí)驗(yàn)器材，是否真正動手做過這些實(shí)驗(yàn)，是否能靈活運(yùn)用學(xué)過的理論、實(shí)驗(yàn)方法去處理、分析、研究某些未做過的實(shí)驗(yàn)，包括設(shè)計(jì)某些比較簡單的實(shí)驗(yàn)等.現(xiàn)以2013屆實(shí)驗(yàn)備考中出現(xiàn)的部分具有代表性的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)題的分析，說明不管試題如何創(chuàng)新，理解大綱規(guī)定實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理和方法是解決創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)問題的根本所在.

1 實(shí)驗(yàn)原理的創(chuàng)新導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)控制條件發(fā)生變化

圖1

2011年江蘇高考實(shí)驗(yàn)題第10題“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”裝置如圖1所示.彈簧測力計(jì)A掛于固定點(diǎn)P，下端用細(xì)線掛一重物M.彈簧測力計(jì)E的一端用細(xì)線系于O點(diǎn)，手持另一端向左拉，使結(jié)點(diǎn)O靜止在某位置.分別讀出彈簧測力計(jì)A和E的示數(shù)，并在貼于豎直木板的白紙上記錄O點(diǎn)的位置和拉線的方向.其中第（2）小題為有關(guān)實(shí)驗(yàn)操作選擇題，（D）選項(xiàng)是“改變拉力，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，每次都要使O點(diǎn)靜止在同一位置”是否正確？

圖2

分析：這個命題的提出，源于課本但又不同于課本.課本上“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”實(shí)驗(yàn)采用的是圖2裝置.若考生不遷移比較，就可能得出“（D）選項(xiàng)正確”的錯誤結(jié)論.首先應(yīng)弄清課本中實(shí)驗(yàn)中“改變拉力，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，每次都要使O點(diǎn)靜止在同一位置”的目的是保持每次實(shí)驗(yàn)時兩拉力的合力大小和方向不變，然后細(xì)細(xì)比較可以發(fā)現(xiàn)，本實(shí)驗(yàn)不管兩個分力大小和方向如何改變以及O點(diǎn)的位置在何處，都保證了合力的大小和方向總是保持不變，始終為重物的重力，所以不需要每次都要使O點(diǎn)靜止在同一位置，這樣的改進(jìn)使得操作更為方便，也拓展了學(xué)生實(shí)驗(yàn)視野.

又如，用圖3的實(shí)驗(yàn)裝置探究加速度與力的關(guān)系時，需要滿足“滑塊質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼和力傳感器的總質(zhì)量”嗎？

圖3

分析：課本上“探究物體加速度與受合外力關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示.小車受到重力、支持力、細(xì)線的拉力和摩擦阻力，為了簡化，在平衡摩擦力的情況下，小車所受合外力等于細(xì)線的拉力，由于細(xì)線拉力測量的不便，理論推導(dǎo)可知，當(dāng)滿足砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量時，細(xì)線的拉力就近似等于砝碼和砝碼盤的重力，即小車受到的合外力.而圖3中細(xì)線的拉力直接用力的傳感器測出，不需要像圖4中那樣滿足近似處理的條件，故不要求滑塊質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼和力傳感器的總質(zhì)量.這也體現(xiàn)了現(xiàn)代科技給實(shí)驗(yàn)帶來了極大的方便.

點(diǎn)評：實(shí)驗(yàn)原理是實(shí)驗(yàn)的核心內(nèi)容，講清實(shí)驗(yàn)基本原理是復(fù)習(xí)的重要環(huán)節(jié)，也是高三復(fù)習(xí)容易忽視之處.充分理解實(shí)驗(yàn)原理，有利于掌握實(shí)際操作過程中的規(guī)定、要求和注意事項(xiàng)，識別實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新之處的本質(zhì).因此，我們在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，要有意識地強(qiáng)化對實(shí)驗(yàn)原理和方法的理解教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)問題與有關(guān)理論知識結(jié)合起來思考，就能較為順利地解決這些創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)問題.

圖4

2 實(shí)驗(yàn)方案的創(chuàng)新導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果發(fā)生變化

“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)可以采用如圖5所示的甲或乙方案來進(jìn)行.甲方案為用自由落體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，乙方案為用斜面小車實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.請比較這兩種方案，哪一個方案好一些？

圖5

分析：甲方案是課本中采用的典型方案，乙方案是對原實(shí)驗(yàn)的一次突破，主要亮點(diǎn)在于靈活應(yīng)用所學(xué)知識來設(shè)計(jì)驗(yàn)證機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)，開闊了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)視野.這兩種方案從原理上來說都可以驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.哪一種更優(yōu)呢？需要我們通過比較，在這里無非是從實(shí)驗(yàn)操作的方便性、準(zhǔn)確性來作出判斷.由于機(jī)械能守恒的條件是只有重力做功，在實(shí)際操作的方案中不可能不受到各種阻力，因此實(shí)驗(yàn)方案應(yīng)該使摩擦力越小越好，故甲方案好一些.

點(diǎn)評：評價(jià)實(shí)驗(yàn)更能體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng).一個實(shí)驗(yàn)可能有不同的實(shí)驗(yàn)方案.在眾多的實(shí)驗(yàn)方案中可能是實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑戆l(fā)生了變化；可能是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的條件發(fā)生了變化；也可能是實(shí)驗(yàn)情景發(fā)生了變化等，我們應(yīng)該從關(guān)鍵點(diǎn)或有變化之處入手，進(jìn)行比較，引導(dǎo)學(xué)生評估實(shí)驗(yàn)方法，比較每一種方案的優(yōu)劣，使實(shí)驗(yàn)方案達(dá)到最優(yōu)化.

3 實(shí)驗(yàn)器材的參數(shù)告知不同導(dǎo)致電路設(shè)計(jì)發(fā)生變化

某學(xué)生用伏安法測一節(jié)干電池的電動勢和內(nèi)阻，除了待測電池和開關(guān)、導(dǎo)線若干外，還備有下列器材選用：

（A）電流表 A1：量程0～0.6A，內(nèi)阻為0.4Ω.

（B）電流表A2：量程0～0.6A，內(nèi)阻約為0.1Ω.

（C）電壓表V1：量程0～3V，內(nèi)阻未知.

（D）電壓表V2：量程0～15V，內(nèi)阻未知.

（E）滑動變阻器R1：0～10Ω，2A.

（F）滑動變阻器R2：0～100Ω，1A.

圖6

（1）為了要盡可能準(zhǔn)確地測量電源的電動勢和內(nèi)阻，請?jiān)谏鲜銎鞑闹羞x擇適當(dāng)?shù)钠鞑?，畫出?shí)驗(yàn)電路圖.

（2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)中電流表和電壓表的示數(shù)得到了如圖6所示的UI圖像，則干電池的電動勢和內(nèi)電阻各是多少.

分析：由于電壓表V2量程太大和滑動變阻器R2阻值太大不可選用，這一點(diǎn)學(xué)生極易判斷，難點(diǎn)在于電流表的選擇.雖然兩電流表的量程相同，但A1內(nèi)阻較大，通常電流表選用內(nèi)阻較小的，但由于A1內(nèi)阻為確定值，故選用A1且采用圖7所示的電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，既可以使得電動勢測量準(zhǔn)確，又可以消除電流表內(nèi)阻對電池內(nèi)阻測量產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，而不采用課本上的實(shí)驗(yàn)電路如圖8.但由于學(xué)生長期接受了課本上的實(shí)驗(yàn)方案，而且認(rèn)為利用圖8測得的電動勢和內(nèi)阻雖然都偏小，但小得都不多，而用圖7進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測得的電動勢雖然準(zhǔn)確，但內(nèi)阻偏得太大，思維定勢造成錯誤.殊不知，本題所給器材中有一電流表內(nèi)阻已知，可以消除電流表內(nèi)阻帶來的系統(tǒng)誤差.由UI圖像可以求得電動勢E＝1.5V，內(nèi)阻

點(diǎn)評：伏安法測干電池的電動勢和內(nèi)阻由常規(guī)內(nèi)接法轉(zhuǎn)化為電流表內(nèi)阻已知的外接法，以消除系統(tǒng)誤差.利用相同的器材，變更實(shí)驗(yàn)條件，巧妙地將系統(tǒng)誤差化解于無形中，以該方案為藍(lán)本派生出來的一系列實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫乜疾閷W(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理的理解和新情景中的分析能力、遷移能力.

圖7

圖8

4 不同實(shí)驗(yàn)方案同時測量導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理方法發(fā)生變化

在測定水果電池的電動勢和內(nèi)阻時，某實(shí)驗(yàn)小組選取相同的實(shí)驗(yàn)器材，分別用圖9中的甲、乙兩種電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn).其中一種電路測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出的UI圖線，如圖丙中圖線1所示，另一電路測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1.

表1

圖9

（2）圖線1所對應(yīng)實(shí)驗(yàn)電路是甲還是乙？

（3）消除電表內(nèi)阻產(chǎn)生的誤差，電源的電動勢E和內(nèi)電阻r分別是多少？

分析：題中要消除電表內(nèi)阻產(chǎn)生的誤差，求出準(zhǔn)確的測量值，可是兩電表的內(nèi)阻不知，無法用甲、乙兩種電路中的任何一個直接消除電表內(nèi)阻造成的系統(tǒng)誤差，但是如果我們真正理解這兩種電路產(chǎn)生誤差的原因，通過遷移和比較，就能靈活求得電動勢和內(nèi)阻的準(zhǔn)確值.對于甲電路，由于電流表的分壓造成路端電壓測量偏小，我們采用極限分析的方法可知，當(dāng)干路中電流為0時，電流表分壓為0，即此時測量值和真實(shí)值相同，在UI圖線中縱軸截距數(shù)據(jù)點(diǎn)零誤差；同理，乙電路是由于電壓表的分流造成干路中電流測量偏小，同樣采用極限分析的方法，當(dāng)路端電壓為0時，電壓表分流為0，即此時測量值和真實(shí)值相同，在UI圖線中橫軸截距數(shù)據(jù)點(diǎn)零誤差.如果能將這兩個電路的零誤差點(diǎn)巧妙結(jié)合起來進(jìn)行處理，照樣能消除在不知兩電表內(nèi)阻的情況下產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，由此可求得電源電動勢和內(nèi)電阻的準(zhǔn)確值.即電動勢為甲電路所測數(shù)據(jù)畫出的UI圖線上的縱截距，內(nèi)電阻由乙電路測得數(shù)據(jù)畫出的UI圖線上的橫截距I短，再根據(jù)求得，或者由兩個零誤差點(diǎn)連接成直線即為電源的外特性曲線的真實(shí)圖線.

點(diǎn)評：由本題可以進(jìn)一步領(lǐng)略到高考試題“源于課本，高于課本，出活題，考能力”的思想，必須靈活應(yīng)用所學(xué)基礎(chǔ)知識，具備比較、分析和綜合應(yīng)用能力，巧妙地選擇甲事件中有用的信息與乙事件中有用的信息，并能找到二者的聯(lián)系，才能順利地解決問題.可謂方法靈活、能力要求之高啊.

5 改變由實(shí)驗(yàn)?zāi)康膩磉x擇實(shí)驗(yàn)儀器為由測量數(shù)據(jù)判斷實(shí)驗(yàn)中所用儀器器材

一個小燈泡的額定電壓為2.0V，額定電流約為0.5 A.除了開關(guān)，導(dǎo)線若干外，選用下列實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描繪和研究小燈泡的伏安特性曲線.

（A）電源E：電動勢為3.0V，內(nèi)阻不計(jì).

（B）電壓表V1：量程為0～3V，內(nèi)阻約為1kΩ.

（C）電壓表V2：量程為0～15V，內(nèi)阻約為4kΩ.

（D）電流表A1：量程為0～3A，內(nèi)阻約為0.1Ω.

（E）電流表 A2：量程為0～0.6A，內(nèi)阻約為0.6A.

（F）滑動變阻器R1：最大阻值為10Ω，額定電流為0.6A.

（G）滑動變阻器R2：最大阻值為15Ω，額定電流為1.0A.

（H）滑動變阻器R3：最大阻值為150Ω，額定電流為1.0A.

實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)（I和U分別表示通過小燈泡的電流和加在小燈泡兩端的電壓）如表2.

表2

請選擇符合條件的電壓表、電流表和滑動變阻器.

圖10

點(diǎn)評：選擇儀器器材應(yīng)遵循安全性、方便性、準(zhǔn)確性基本原則.這類問題的常規(guī)思路是根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑥奶峁┑膬x器器材中選擇符合要求的儀器器材來設(shè)計(jì)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn).本題一反常態(tài)，程序倒置，由實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)，結(jié)合具體電路分析判斷實(shí)驗(yàn)中所用的儀器器材.這樣的逆向思維過程平時講練較少，學(xué)生有點(diǎn)不太習(xí)慣，但在科學(xué)研究中對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果的分析、論證及其修正的研究方法太常見不過了.

6 改變由實(shí)驗(yàn)?zāi)康膩碓O(shè)計(jì)電路為由測量數(shù)據(jù)判定實(shí)驗(yàn)電路

在“測定金屬的電阻率”實(shí)驗(yàn)中，所用測量儀器均已校準(zhǔn)，首先用伏安法測量電阻絲的電阻Rx.實(shí)驗(yàn)所用器材為：電池組（電動勢3V，內(nèi)阻1Ω），電流表（內(nèi)阻0.1Ω），電壓表（內(nèi)阻約3kΩ），滑動變阻器R（0～20Ω，額定電流2A），開關(guān)，導(dǎo)線若干.某小組學(xué)生利用以上器材正確連接好電路，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，記錄數(shù)據(jù)如表3.

表3

由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：他們測量Rx是采用圖11中的哪一個電路圖？

圖11

點(diǎn)評：電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的電路的設(shè)計(jì)一直是高考的熱點(diǎn)之一.通常是由測量要求和所給的儀器器材來設(shè)計(jì)控制電路和測量電路，同時考慮到設(shè)計(jì)簡單、適用，所用儀器少，節(jié)能環(huán)保等因素.這類問題能很好地考查考生的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力，它要求考生能將課本中分組實(shí)驗(yàn)和演示實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法遷移到新的背景中，只有在深刻理解物理概念和規(guī)律，并能靈活應(yīng)用，才能完成創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).本題設(shè)計(jì)巧妙，要求由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析判斷實(shí)驗(yàn)所用電路，綜合考查了用所學(xué)知識解決實(shí)驗(yàn)實(shí)際問題的能力.

總之，高考實(shí)驗(yàn)題千變?nèi)f化，但不變的是實(shí)驗(yàn)原理和方法.在實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)中切不可舍本求末，搞題海戰(zhàn)術(shù)，而應(yīng)該緊緊抓住原理和方法這個“綱”，做到綱舉目張.適時選擇典型實(shí)驗(yàn)問題，引導(dǎo)學(xué)生溯課本之源，習(xí)方法所得，遷移解決實(shí)際問題，達(dá)到實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)和能力的提升.

1 何勇軍.不同實(shí)驗(yàn)對 M?m條件的不同要求［J］.物理教師，2011（2）.

2 吳天峰.“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)的遷移和創(chuàng)新［J］.物理教師，2011（9）.

3 卞志榮.高考設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)試題的突破方法研究［J］.中學(xué)物理教學(xué)參考，2008（1）.

4 左祥勝.高考物理實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)應(yīng)回歸何處——近5年江蘇高考物理實(shí)驗(yàn)試題的分析思考［J］.物理教師，2013（8）.