許文+?おお?

物理學是建立在實驗基礎(chǔ)上的學科。高考物理對實驗問題的考查歷來就很突出，從近幾年高考物理實驗題來看，高考物理試題中對實驗的考查已從實驗原理、步驟、數(shù)據(jù)處理、誤差分析逐步過渡到要求考生理解實驗原理，用實驗方法解決新穎靈活的相關(guān)物理問題，強化對考生創(chuàng)新能力及探究能力的考查。試題從儀器的使用、原理的理解、器材的選取、電路的設(shè)計等多方面設(shè)置了新的物理情境。高考物理實驗題分值一般較高，力學、電學實驗并重，已成為近幾年物理高考的熱點、難點內(nèi)容。本文從解析2016年高考物理實驗試題的特點入手，探討2017年高考物理實驗備考策略。

1試題概述

除北京、上海卷外，高考物理實驗題一般以力學、電學為主要內(nèi)容分題考查，分值在15～20分之間，題型一般為填空、選擇、作圖、簡答等，考查類型以基礎(chǔ)應用、創(chuàng)新設(shè)計題為主。2016年高考物理實驗試題統(tǒng)計情況見表1。

2試題特點

2.1注重基本儀器的使用與讀數(shù)

[BFQ]2016年高考物理上海卷、江蘇卷、浙江卷等分別考查了電表、毫米刻度尺、電阻箱、彈簧測力計等基本儀器的使用與讀數(shù)；全國卷（I、II）、北京卷、上海卷、天津卷、浙江卷、海南卷等均考查了打點計時器的使用及紙帶的測量與計算；全國卷II、北京卷、上海卷、天津卷、四川卷、浙江卷、海南卷等分別考查了電流表、電壓表、多用表、滑動變阻器等基本器材的使用；上海卷、江蘇卷、四川卷等還出現(xiàn)了DIS實驗器材（如電壓、電流傳感器、光電門等）的使用。

考查基本儀器的使用和操作方法類考題，主要考查儀器的構(gòu)造原理、操作技能、讀數(shù)規(guī)則，尤其是有效數(shù)字的使用問題。這類題型主要以填空題為主，題目由單純考查儀器的使用變?yōu)榫C合考題。物理科《考試說明》中要求考生熟練掌握的儀器有刻度尺、游標卡尺、螺旋測微器、天平、秒表、電火花計時器或電磁打點計點器、彈簧秤、溫度表、電流表、電壓表、多用電表、滑動變阻器、電阻箱等。此外，在備考復習中既要熟練掌握基本的傳統(tǒng)實驗器材的使用，還要了解DIS等實驗器材的使用。

2.2注重基本實驗的變化與創(chuàng)新

教材中與打點計時器相關(guān)的實驗，如：研究勻速直線運動、探究加速度與力和質(zhì)量間的關(guān)系、探究做功與動能變化的關(guān)系、驗證機械能守恒定律等是一些基本的實驗，對這些基本實驗的創(chuàng)新與變化的考查，在高考中出現(xiàn)的頻率很高，應引起高度重視。

例1：（全國卷I第22題）某同學用如圖1（a）所示的裝置驗證機械能守恒定律，其中打點計時器的電源為交流電源，可能使用的頻率為20 Hz、30 Hz和40 Hz，打出的紙帶的一部分如圖1（b）所示。該同學在實驗中沒有記錄交流電的頻率f，需要用實驗數(shù)據(jù)和其他題給條件進行推算。

（1）若從打出的紙帶可判定重物勻加速下落，利用f和圖1（b）中給出的物理量可以寫出：在打點計時器打出B點時，重物下落的速度大小為；打出C點時，重物下落的速度大小為；重物下落的加速度大小為。

（2）已知s1=8.89 cm，s2=9.50 cm，s3=1010 cm，當?shù)氐闹亓铀俣葹間=9.80 m/s2，實驗中重物受到的平均阻力大小約為其重力的1%，交流電的頻率為

Hz。

解析：（1）打點周期為T=1/f，由于重物下落做勻變速運動，由勻變速運動的規(guī)律有：

vB=s1+s22T=12（s1+s2）f

vC=s2+s32T=12（s2+s3）f

a=s3-s12T2=12（s3-s1）f2

（2）設(shè)重物質(zhì)量為m，由牛頓第二定律得：

mg-0.01 mg=ma

代入數(shù)據(jù)解得：

f=40 Hz

評析：本題用重物下落驗證機械能守恒定律，但考慮到重物受到空氣阻力、紙帶與打點計時器間的阻力的影響，重物在實際下落過程中機械能不守恒。但若將以上的阻力視為不變的，則重物下落是一種勻變速運動。在此基礎(chǔ)上，本題設(shè)“重物受到的平均阻力大小約為其重力的1%”，通過對紙帶的測量來求交流電的頻率f，這就是本實驗的變化與創(chuàng)新之處。

3注重物理方法的遷移與應用

將教材中的實驗原理和方法進行遷移，去設(shè)計實驗，測量并解決其他的物理問題，能很好地考查考生思維的靈活性、發(fā)散性與應用性，這是高考實驗題命題的一種思路與方法。

例2：（江蘇卷第11題）某同學用如圖2（a）所示的裝置驗證機械能守恒定律。[BFQ]一根細線系住鋼球，懸掛在鐵架臺上，鋼球靜止在A點，光電門固定在A的正下方。在鋼球底部豎直地粘住一片寬帶為d的遮光條。將鋼球拉至不同位置由靜止釋放，遮光條經(jīng)過光電門的擋光時間t時由計時器測出，取v=d/t作為鋼球經(jīng)過A點時的速度。[BF]記錄鋼球每次下落的高度h和計時器示數(shù)t，計算并比較鋼球在釋放點和A點之間的勢能變化大小ΔEp與動能變化大小ΔEk，就能驗證機械能是否守恒。

（1）ΔEp=mgh計算鋼球重力勢能變化的大小，式中鋼球下落高度h應測量釋放時的鋼球球心到之間的豎直距離。

A.鋼球在A點時的頂端

B.鋼球在A點時的球心

C.鋼球在A點時的底端

（2）用ΔEk=12mv2[BFQ]計算鋼球動能變化的大小，用刻度尺測量遮光條寬度，示數(shù)如題圖2（b）所示，其讀數(shù)為cm。某次測量中，[BF]計時器的示數(shù)為0.010 0 s，則鋼球的速度為v=m/s。

（3）表2為該同學的實驗結(jié)果。

該同學發(fā)現(xiàn)表中的ΔEp與ΔEk之間存在差異，認為這是由于空氣阻力造成的。你是否同意他的觀點？請說明理由。

（4）請你提出一條減小上述差異的改進建議。

解析：（1）鋼球的重力勢能變化量ΔEp=mgh中h應為鋼球球心下降的高度，應選B選項。

（2）毫米刻度尺的精確度為1 mm，應估讀到0.1 mm，讀數(shù)為15.0 mm，即1.50 cm。

（3）不同意。因為空氣阻力對小鋼球做負功會使其ΔEk小于ΔEp，但表中ΔEk大于ΔEp。

（4）測出光電門（發(fā)射與接收紅外線處）到懸點的長度L、鋼球球心到懸點的長度l。在利用ΔEk=12mv2，計算鋼球的ΔEk時，鋼球的速度應為v′=

lLv（其中v=d/t）。

評析：本題中利用光電門測物體瞬時速度體現(xiàn)了極限思維的思想；考慮到有空氣阻力做功，由動能定理知ΔEk<ΔEp；由于小鋼球與遮光均繞懸點同軸轉(zhuǎn)動，在任意時刻，小鋼球與遮光條有相同的角速度ω。當鋼球運動到懸點的正下方時，遮光條（在光電門發(fā)射與接收紅外線處）的速度由表達式v=d/t可以測出，但它滿足v=ωL；而鋼球（球心）處的速度v′=ωl；因此有：v′=lLv。本實驗的分析與求解用到了動能定理與圓周運動的規(guī)律，體現(xiàn)了知識的應用能力。

4注重實驗原理的理解與分析

理解實驗原理是進行實驗設(shè)計、方案評估、控制條件、測量分析的前提，也是用實驗手段進行分析和解決問題的關(guān)鍵。

例3：（天津卷第9題）某同學想要描繪標有“38 V，03 A”字樣小燈泡L的伏安特性曲線，要求測量數(shù)據(jù)盡量精確，繪制曲線完整。可供該同學選用的器材除了開關(guān)、導線外，還有：電壓表V1（量程0～3 V，內(nèi)阻等于3 kΩ）；電壓表V2（量程0～15 V，內(nèi)阻等于15 kΩ）；電流表A1（量程0～200 mA，內(nèi)阻等于10 Ω）；電流表A2（量程0～3 A，內(nèi)阻等于0.1 Ω）；滑動變阻器R1（0～10 Ω，額定電流2 A）；滑動變阻器R2（0～1 kΩ，額定電流05 A）；定值電阻R3（阻值等于1 kΩ）；定值電阻R4（阻值等于10 Ω）。

（1）請畫出實驗電路圖，并將各元件字母代碼標在該元件的符號旁。

（2）該同學描繪出的I-U圖像應是（填選項）。

解析：（1）由于小燈泡的額定電壓Um=3.8 V，電壓表V1的量程不夠，但電壓表V2的量程又太大，會導致讀數(shù)的相對誤差增大?？紤]到題給的器材，可用量程為3 V的電壓表V1與定值電阻R3串聯(lián)，改裝成一量程為U=Ugrg（rg+R3）=33 000（3 000+1 000） V=4 V的伏特表；小燈泡的額定電流Im=0.3 A，電流表A1的量程不夠，但電流表A2的量程太大，會導致讀數(shù)的相對誤差增大。考慮到題目給的器材，可用量程為200 mA電流表A1與定值電阻R4并聯(lián)，改裝成量程為04 A（I=Ig+IgrgR4=0.2 A+0.2×1010 A=0.4 A）的安培表；由于待測小燈炮的電阻較小，應采取電流表外接法。電路圖如圖3所示。

（2）由于小燈泡的電阻隨溫度的升高而增大，故實際描繪的I-U圖像應為B選項。

評析：本題考查電表的改裝、器材的選取與電路的設(shè)計，關(guān)鍵是要理解實驗原理。描繪小燈泡的伏安曲線，分別用電流表與電壓表測出小燈泡的電流I與電壓U，這與用伏安法測小燈泡的電阻的電路原理是相同的。由于本題中給出的電表量程不合適，需要對電表進行改裝，把改裝電表與伏安電路的設(shè)計融為一體，是本題的一種創(chuàng)新設(shè)計。只有在充分理解了實驗原理后，才能對電表進行相關(guān)的改裝，設(shè)計出符合實驗要求的電路。

5注重實驗數(shù)據(jù)的分析與處理

能用適當?shù)姆椒ǚ治雠c處理實驗數(shù)據(jù)，不僅是一種基本的實驗技能，也是靈活利用數(shù)學工具處理物理問題的一個重要表現(xiàn)。

例4：（四川卷第18題）用如圖4所示電路測量電源的電動勢和內(nèi)阻。實驗器材：待測電源（電動勢約3 V，內(nèi)阻約2 Ω），保護電阻R1（阻值10 Ω）和R2（阻值5 Ω），滑動變阻器R，電流表A，電壓表V，開關(guān)S，導線若干。實驗主要步驟如下。

（1）將滑動變阻器接入電路的阻值調(diào)到最大，閉合開關(guān)。

（2）逐漸減小滑動變阻器接入電路的阻值，記下電壓表的示數(shù)U和相應電流表的示數(shù)I。

（3）以U為縱坐標，I為橫坐標，作U-I圖線（U、I都用國際單位）。

（4）求出U-I圖線斜率的絕對值k和在橫軸上的截距a。

回答下列問題：

（1）電壓表最好選用；電流表最好選用。

A.電壓表（0～3 V，內(nèi)阻約15 kΩ）

B.電壓表（0～3 V，內(nèi)阻約3 kΩ）

C.電流表（0～200 mA，內(nèi)阻約2 Ω）

D.電流表（0～30 mA，內(nèi)阻約2 Ω）

（2）滑動變阻器的滑片從左向右滑動，發(fā)現(xiàn)電壓表示數(shù)增大，兩導線與滑動變阻器接線柱連接情況是

。

A.兩導線接在滑動變阻器電阻絲兩端的接線柱。

B.兩導線接在滑動變阻器金屬桿兩端的接線柱。

C.一條導線接在滑動變阻器金屬桿左端接線柱，另一條導線接在電阻絲左端接線柱。

D.一條導線接在滑動變阻器金屬桿右端接線柱，另一條導線接在電阻絲右端接線柱。

（3）選用k、a、R1、R2表示待測電源的電動勢E和內(nèi)阻r的表達式為：E=，r=，代入數(shù)值可得E和r的測量值。

解析：（1）題給出的電路圖測電源的電動勢與內(nèi)阻的方法是伏安法，其原理是E=U+Ir。在電表量程滿足測量要求的前提下，當電壓表內(nèi)阻越大時，其分得的電流越小，實驗誤差也就越小，所以選內(nèi)阻較大的電壓表，即選A選項；當滑動變阻器接入電路中的電阻最小時通過電流表電流最大，其最大電流為Im=ER1+R2+r≈176 mA，所以選量程為200 mA的電流表，即選C選項。

（2）由電路分析可知，當滑片右移時電壓表示數(shù)變大，即滑動變阻器接入電路中其有效阻值增大，只有C選項符合題意。

（3）實驗中測出了一組電壓表示數(shù)U與電流表的數(shù)I的測量值。

以U為縱坐標，I為橫坐標，作U-I圖線，

利用該圖線對實驗數(shù)據(jù)進行分析與處理。由E=U+I（r+R2），得：U=-（r+R2）I+E，故作出的U-I圖線的斜率的絕對值k=r+R2，可得電源內(nèi)阻r=k-R2；令U=0，得I=ER2+r=Ek，即為U-I圖線在橫軸上的截距大小，即a=I=Ek，故E=ka。

[BFQ]評析：本題考查了實驗原理、電表的選取、滑動變阻器的構(gòu)造原理與接線、電路的動態(tài)分析等，特別是對實驗數(shù)據(jù)的分析與處理能力，具有一定的探究性與創(chuàng)新性。按照題給的實驗電路的原理，U與I的關(guān)系是線性關(guān)系，需要根據(jù)實驗原理得出其函數(shù)關(guān)系式，據(jù)函數(shù)關(guān)系式判斷U-I圖線的斜率與坐標軸上的截距的物理意義，由其物理意義進行分析與求解。值得注意的是，有些實驗中要測量的兩個物理量間的關(guān)系并不是線性關(guān)系，不符合通常用函數(shù)圖像處理實驗數(shù)據(jù)的習慣，需要進行數(shù)學分析，化曲為直，再結(jié)合線性圖像進行求解。這是一種處理實驗數(shù)據(jù)常用的技巧，應引起足夠的重視。[BF]

6注重實驗問題的引伸與探究

對問題的引伸與探究，能擴大和鞏固研究成果，使問題的研究向更深入發(fā)展，能很好地體現(xiàn)出新課程課堂探究式的學習要求。

例5：（全國Ⅲ卷第22題）某同學用圖5中所給器材進行與安培力有關(guān)的實驗。兩根金屬導軌ab和a1b1固定在同一水平面內(nèi)且相互平行，足夠大的電磁鐵（未畫出）的N極位于兩導軌的正上方，S極位于兩導軌的正下方，一金屬棒置于導軌上且與兩導軌垂直。

（1）在圖6中畫出連線，完成實驗電路。要求滑動變阻器以限流方式接入電路，且在開關(guān)閉合后，金屬棒沿箭頭所示的方向移動。

（2）為使金屬棒在離開導軌時具有更大的速度，有人提出以下建議：

A.適當增加兩導軌間的距離

B.換一根更長的金屬棒

C.適當增大金屬棒中的電流

其中正確的是（填入正確選項前的標號）。

解析：（1）依題意，金屬棒所在的水平面的磁場方向豎直向下，要使金屬棒向右運動，則通電后所受的安培力的方向水平向右，由左手定則知，棒中的電流方向應從a流向a1，連接后的電路如圖6所示。

（2）設(shè)金屬棒在兩導軌間的有效長度為l，導軌間的動摩擦因數(shù)為μ，棒的質(zhì)量為m，磁感應強度為B，棒中電流為I，導軌長度s，棒離開導軌時速度為v。由動能定理得：

BIl-μmgs=12mv2

可得：v=2BIlm-2μgs

[BFQ]增加兩導軌間距離，可增大棒在兩導軌間的有效長度l，可使v增大；換一根更長的金屬棒，有效長度l不變，由于m增大，則v減小；適當增大金屬棒中的電流I，可使v增大。正確選項為AC。[BF]

評析：研究安培力的大小與哪些因素有關(guān)，是教材中的一個演示實驗。本題將這個演示實驗進行了引伸與探究，提出“要使金屬棒離開導軌時的速度增大”的建議，考查考生靈活地運用學過的物理知識（動能定理或牛頓運動定律與運動學公式）與實驗方法去解決新問題的能力。它突出了學科特點，比較全面地考查了考生的綜合探究能力，很好地體現(xiàn)了新課標的理念。

7備考策略

7.1立足教材中的基本實驗

重視課本中的實驗，熟練掌握實驗原理、實驗儀器的使用及實驗中滲透的科學思想，學習基本儀器的使用方法和讀數(shù)規(guī)則等實驗技能，加強對實驗數(shù)據(jù)的分析與處理能力的訓練，主要表現(xiàn)在以下3個方面：分析推理、數(shù)據(jù)分析與處理方法、誤差分析。

7.2實驗中體現(xiàn)的研究性學習

在實驗備考復習中，根據(jù)教材內(nèi)容和學生實驗中的方法，選好課題，在實驗中進行研究性學習，寫出實驗研究方案，實驗器材的選取，實驗研究過程，數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，對實驗方案的優(yōu)點與不足之處進行評估，分析實驗誤差等，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實驗能力。

7.3重視實驗的設(shè)計與創(chuàng)新

重視對實驗的思想方法及原理的深刻理解和熟練掌握，重視設(shè)計性實驗方法的培養(yǎng)，注重用學過的物理知識、物理規(guī)律作為理論依據(jù)，進行實驗設(shè)計與創(chuàng)新。高考物理實驗可以分為5種類型：基礎(chǔ)型、遷移型、應用型、設(shè)計型、探究型。其中設(shè)計型實驗，要按以下思路去思考：明確實驗目的→選擇實驗原理→設(shè)計實驗方案→分析篩選方案→選擇實驗器材→擬定實驗步驟→進行實驗操作→處理實驗數(shù)據(jù)→得出實驗結(jié)論→分析實驗誤差。

7.4加強實驗綜合度與信息量

加強實驗綜合訓練，即重視實驗練習、重視新情境的實驗訓練、加強實驗信息的收集與處理，強調(diào)基本實驗技能的動手落實。在動手操作中關(guān)注實驗細節(jié)，拓展學生實驗能力。

[BFQ]總之，高考物理實驗備考復習要在熟練掌握基本器材使用、實驗原理、實驗步驟、數(shù)據(jù)處理以及誤差分析的同時，著力領(lǐng)悟?qū)嶒灥脑O(shè)計思想、實驗運用的科學方法、規(guī)范的操作程序，并從實際出發(fā)，合理的變通和創(chuàng)新改進，通過改變實驗目的和要求、實驗控制的條件、實驗儀器操作方法等，培養(yǎng)學生運用實驗的思想方法和設(shè)計創(chuàng)新實驗的能力。[BF]

收稿日期：2017-03-27