胡道成

高考評價體系提出了“基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性、創(chuàng)新性”的考查要求.經(jīng)過對2023年全國各地高考物理實驗題的研究發(fā)現(xiàn)：高考實驗題正朝著加強探究性、開放性的方向發(fā)展，考查學生的物理思想方法運用與創(chuàng)新遷移能力.現(xiàn)通過幾道試題剖析指向核心素養(yǎng)的高考物理實驗題的命題創(chuàng)新途徑及解題策略．

一、拓展教材基本實驗，考查創(chuàng)新遷移能力

通過設(shè)計“源于教材，高于教材”的情境類實驗題，落實基礎(chǔ)性，注重綜合性，強化創(chuàng)新性，體現(xiàn)了高考命題改革與新課程標準的有效銜接，考查學生的現(xiàn)場學習能力和物理思想方法的遷移運用能力.要求學生能運用所學物理概念、規(guī)律、原理和認知經(jīng)驗來解決陌生問題，得出新的結(jié)論，充分體現(xiàn)了對“實驗探究能力”的考查要求．

【例1】（2023年湖南卷）某物理興趣小組在學習《單擺》后設(shè)計了一種異形擺，并通過實驗研究它的周期.如圖1，異形擺是由一根剛性輕桿和兩個質(zhì)量、大小相同的擺球組成的.它的周期可以用一個等效擺長L′來表示，即T=2πL′/g.他們通過查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)L′=x2+L2/x+L，周期為T=2πL′/g=2πx2+L2/（L+x）g，異形擺的周期與x的關(guān)系如圖2，在圖2中橫坐標為x，縱坐標為周期T，則

（1）如果異形擺作簡諧運動，則異形擺周期與振幅___ （填“有關(guān)”或“無關(guān)”）．

（2）當x增大時，則異形擺的周期如何變化：___ ．

（3）當x為___ 時（用L表示），異形擺周期有最小值．

【解析】（1）從異形擺的周期表達式中可以看出，其周期與振幅無關(guān).周期表達式中沒有的物理量通常都是無關(guān)的，這是最基本的邏輯推理方法．

（2）從圖2中可以獲取信息：隨著橫坐標x的增大，縱坐標為周期T先減小后增大．

【點評】本題通過拓展教材實驗構(gòu)建“異形單擺”來考查學生的現(xiàn)場學習能力和遷移創(chuàng)新能力，（1）（2）兩個問題的解答只要從所給公式和圖像中正確獲取信息，就很容易得到正確答案；而第（3）問則屬于“應(yīng)用數(shù)學處理物理問題能力”的要求，要用“均值不等式”求極值，也可用“求導(dǎo)數(shù)”來解決，對學生的數(shù)學知識要求較高，我們要注意數(shù)學知識在求極值過程中的應(yīng)用．

二、設(shè)計新穎的創(chuàng)新實驗，考查學生的知識綜合運用能力

采用教材中不存在的新穎創(chuàng)新實驗，要求學生把學習到的物理知識、物理研究方法遷移到新的問題情境之中，通過主動思考，去探索新的問題、尋找新規(guī)律、歸納新結(jié)論.對學生的觀察能力、理論聯(lián)系實際能力、靈活運用所學知識分析和解決實際問題能力的要求較高，凸顯物理思想方法的遷移應(yīng)用，注重綜合性和創(chuàng)新性．

【例2】（2023年湖南卷）某同學探究彈簧振子振動周期與質(zhì)量的關(guān)系，實驗裝置如圖3所示，輕質(zhì)彈簧上端懸掛在鐵架臺上，下端掛有鉤碼，鉤碼下表面吸附一個小磁鐵，其正下方放置智能手機，手機中的磁傳感器可以采集磁感應(yīng)強度實時變化的數(shù)據(jù)并輸出圖像，實驗步驟如下：

（1）測出鉤碼和小磁鐵的總質(zhì)量m；

（2）在彈簧下端掛上該鉤碼和小磁鐵，使彈簧振子在豎直方向做簡諧運動，打開手機的磁傳感器軟件，此時磁傳感器記錄的磁感應(yīng)強度變化周期等于彈簧振子振動周期；

（3）某次采集到的磁感應(yīng)強度B的大小隨時間t變化的圖像如圖4所示，從圖中可以算出彈簧振子振動的周期T=___ （用“t0”表示）；

（4）改變鉤碼質(zhì)量，重復(fù)上述步驟；

（5）實驗測得數(shù)據(jù)如下表所示，分析數(shù)據(jù)可知，彈簧振子振動周期的平方與質(zhì)量的關(guān)系是______ （填“線性的”或“非線性的”）；

（6）設(shè)彈簧的勁度系數(shù)為k，根據(jù)實驗結(jié)果并結(jié)合物理量的單位關(guān)系，彈簧振子振動周期的表達式可能是______ （填正確答案標號）；

（7）除偶然誤差外，寫出一條本實驗中可能產(chǎn)生誤差的原因__________________．

【解析】（3）由某次采集到的磁感應(yīng)強度B的大小隨時間t變化的圖像，可以看出彈簧振子完成了10次全振動，可算出彈簧振子振動周期T=t0/10．

（5）分析數(shù)據(jù)可知：每次實驗改變鉤碼的質(zhì)量Δm=0.010kg，而對應(yīng)的T2變化量約為ΔT2=0.040s2，可見彈簧振子振動周期的平方與質(zhì)量的關(guān)系是線性的．

（6）周期的單位是s，而彈簧勁度系數(shù)k的單位為N/m=kg/s2，只有表達式2πk/m才能使運算后的單位是s，所以彈簧振子振動周期的表達式可能是T=2πm/k，選項A正確．

（7）除偶然誤差外，產(chǎn)生實驗誤差的原因就是系統(tǒng)誤差，實驗中可能產(chǎn)生偶然誤差的原因是存在空氣阻力．

【點評】本題通過“手機的磁傳感器軟件來記錄磁感應(yīng)強度變化周期，從而得到豎直方向上做簡諧運動的彈簧振子的振動周期”來命題，用“轉(zhuǎn)換法”來命制新穎的創(chuàng)新實驗以考查學生的猜想能力、歸納思維和科學方法遷移能力.“量綱分析法”及數(shù)據(jù)規(guī)律的探究很契合物理實驗的邏輯要求，而且要靠科學方法把物理知識綜合到一起，才能順利解答問題，充分體現(xiàn)了對“科學方法”的考查要求．

三、創(chuàng)新實驗原理及器材，考查實驗探究能力

圍繞某一實驗?zāi)康?，結(jié)合相關(guān)的理論知識，創(chuàng)新實驗原理和器材，要求考生通過觀察實驗裝置，閱讀題目對實驗操作過程的描述及物理圖像、圖表等來獲取有用信息，并通過類比、聯(lián)想等思維方法來建構(gòu)物理過程模型，尋找“創(chuàng)新實驗”所使用的基本物理知識和規(guī)律、原理，識別這種“換湯不換藥”的創(chuàng)新途徑，再結(jié)合所學理論知識，列出含有待測量的原理公式，才能對題目進行解答．

【例3】（2023年湖北卷） 某同學利用測質(zhì)量的小型家用電子秤，設(shè)計了測量木塊和木板間動摩擦因數(shù)μ的實驗.如圖5所示，木板和木塊A放在水平桌面上，電子秤放在水平地面上，木塊A和放在電子秤上的重物B通過跨過定滑輪的輕繩相連.調(diào)節(jié)滑輪，使其與木塊A間的輕繩水平，與重物B間的輕繩豎直.在木塊A上放置n（n=0，1，2，3，4，5）個砝碼（電子秤稱得每個砝碼的質(zhì)量m0為20.0g），向左拉動木板的同時，記錄電子秤的對應(yīng)示數(shù)m．

（1）實驗中，拉動木板時______ （填“必須”或“不必”）保持勻速．

（2）用mA和mB分別表示木塊A和重物B的質(zhì)量，則m和mA、mB、m0、μ、n所滿足的關(guān)系式為m=

______ ．

（3）根據(jù)測量數(shù)據(jù)在坐標紙上繪制出m-n圖像，如圖6所示，可得木塊A和木板間的動摩擦因數(shù)μ=______（保留2位有效數(shù)字）．

【解析】（1）實驗是通過測出木塊與木板間的滑動摩擦力來測摩擦因數(shù)的，而兩者之間的滑動摩擦力大小與相對速度大小無關(guān)，所以，拉動木板時不必保持勻速．

（2）以重物B為研究對象，根據(jù)力的平衡條件可知：T+FN=mBg；T=f=μ（mA+nm0）g；FN=mg；于是：mg=mBg-μ（mA+nm0）g；解得

m=mB-μ（mA+nm0）即為所需關(guān)系式．

（3）結(jié)合圖像可知，需要將m=mB-μ（mA+nm0）整理成關(guān)于n的一次函數(shù)關(guān)系式：m=mB-μmA-μm0·n，由圖像斜率可得：μm0=59-19/5=8，所以μ=0.40．

【點評】這類題需要學生充分發(fā)揮“類比思維”能力，從實驗?zāi)康某霭l(fā)，結(jié)合相關(guān)的理論知識，思考實驗原理和過程，尋找到“創(chuàng)新實驗”與基本實驗在原理上、操作過程上、數(shù)據(jù)處理技巧上的相似性，遷移課本實驗的基本思路進行突破.測物體之間的摩擦因數(shù)還會讓物體經(jīng)歷一個有滑動摩擦力的運動過程，用“牛頓第二定律”或“動能定律”寫出一個含有摩擦因數(shù)的方程，據(jù)此即可測出物體之間的摩擦因數(shù)，我們要充分發(fā)揮“聚合思維”能力，將題給器材與物理知識有機結(jié)合，才能突破這類實驗創(chuàng)新題．

四、創(chuàng)新實驗?zāi)康倪M行新穎設(shè)問，考查數(shù)據(jù)處理能力

直接采用課本中的實驗裝置和原理來設(shè)計新穎的設(shè)問方式，不僅能體現(xiàn)實驗命題的“創(chuàng)新性”要求，對考生的觀察能力、推理論證能力、靈活運用所學知識分析和解決實際問題能力進行考查. 這類創(chuàng)新實驗與課本實驗在“實驗步驟”“注意事項”“誤差分析”等方面幾乎一致，只是在實驗數(shù)據(jù)處理上需要考生根據(jù)所學的物理規(guī)律，找出與實驗圖像相符的函數(shù)關(guān)系式，再由圖像的斜率、截距所表示的物理意義進行推導(dǎo)、求解而得出待求的物理量．

【例4】（2023年全國甲卷）某同學利用如圖7所示的實驗裝置探究物體做直線運動時平均速度與時間的關(guān)系.讓小車左端和紙帶相連.右端用細繩跨過定滑輪和鉤碼相連.鉤碼下落，帶動小車運動，打點計時器打出紙帶.某次實驗得到的紙帶和相關(guān)數(shù)據(jù)如圖8所示．

（1）已知打出圖8中相鄰兩個計數(shù)點的時間間隔均為0.1s，以打出A點時小車位置為初始位置，將打出BCDEF各點時小車的位移Δx填到表中.小車發(fā)生位移所用時間和平均速度分別為Δt和，表中ΔxAD=___ cm，AD=___cm/s．

（3）從實驗結(jié)果可知，小車運動的-Δt圖線可以視為一條直線，此直線方程用=kΔt+b表示，其中k=___ cm/s2，b=___ cm/s.（結(jié)果均保留3位有效數(shù)字）

（4）根據(jù)（3）中的直線方程可以判定小車做勻加速直線運動，得到打出A點時小車速度大小vA=___，小車的加速度大小a=___ .（結(jié)果用字母k、b表示）

【解析】（1）從紙帶上的數(shù)據(jù)可得：ΔxAD=6.60cm+8.00cm+9.40cm=24.00cm；小車從A運動到D的時間為Δt=3×0.1s=0.3s，所以AD=ΔxAD/Δt=80.00cm/s．

（2）將AD對應(yīng)的數(shù)據(jù)點（0.3s，80.00cm/s）畫在小車平均速度隨時間的變化關(guān)系圖像中，如圖10所示．

（3）過盡可能多的點作出直線，如圖11，此直線方程為=kΔt+b，其圖像斜率k=68.0cm/s2，在縱軸上的截距b=59.0cm/s．

（4）由x=vAΔt+1/2a（Δt）2，可得x/Δt=vA+1/2aΔt ，即=vA+1/2aΔt，所以打出A點時速度大小vA=b，再由k=1/2a可得小車的加速度a=2k．

【點評】這道題在實驗基本原理、器材（裝置）上都與課本上測瞬時速度和加速度的實驗一致，但實驗?zāi)康母臑椤捌骄俣扰c時間的關(guān)系”以便設(shè)計新穎的問題，考查學生的實驗數(shù)據(jù)的處理能力.解答過程中需要將勻變速直線運動規(guī)律及其相關(guān)知識點與題給實驗裝置、操作過程有機結(jié)合起來，從圖像上尋找題目中的縱坐標和橫坐標所表示的物理量，再對所列式子進行變形，整理成一次函數(shù)“y=kx+b”的形式以滿足題目的坐標要求，進而從圖像的斜率、截距上去獲取待求量，這是“圖像法”處理數(shù)據(jù)的基本思維模式.題中求A點的速度vA實際上是“外延法”的運用，題中是通過物理公式來實現(xiàn)的．

五、采用新儀器設(shè)計新實驗，考查創(chuàng)新思維能力

依據(jù)新教材內(nèi)容及物理課程標準，采用傳感器等新儀器來設(shè)計創(chuàng)新實驗，增強基礎(chǔ)性與創(chuàng)新性，體現(xiàn)了對知識融會貫通、學以致用的“綜合性”考查要求，對學生的獨立思考和運用所學物理知識分析問題、解決問題的能力要求較高，是考查創(chuàng)新思維能力的主要途徑。

【例5】（2023年山東卷）電容儲能已經(jīng)在電動汽車，風、光發(fā)電、脈沖電源等方面得到廣泛應(yīng)用。某同學設(shè)計圖12（甲）所示電路，探究不同電壓下電容器的充、放電過程，器材如下：

電容器C（額定電壓10V，電容標識不清）；

電源E（電動勢12V，內(nèi)阻不計）；電阻箱R1（阻值0～99999.9Ω）；

滑動變阻器R2（最大阻值20Ω，額定電流2A）；

電壓表V（量程15V，內(nèi)阻很大）；發(fā)光二極管D1、D2，開關(guān)S1、S2，電流傳感器，計算機，導(dǎo)線若干。

回答以下問題：

（1）按照圖12（甲）連接電路，閉合開關(guān)S1，若要升高電容器充電電壓，滑動變阻器滑片應(yīng)向_________端滑動（填“a”或“b”）。

（2）調(diào)節(jié)滑動變阻器滑片位置，電壓表表盤如圖12（乙）所示，示數(shù)為_________V（保留1位小數(shù)）。

（3）繼續(xù)調(diào)節(jié)滑動變阻器滑片位置，電壓表示數(shù)為8.0V時，開關(guān)S2擲向1，得到電容器充電過程的I-t圖像，如圖12（丙）所示。借鑒“用油膜法估測油酸分子的大小”實驗中估算油膜面積的方法，根據(jù)圖像可估算出充電結(jié)束后，電容器存儲的電荷量為______C（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）。

（4）本電路中所使用電容器的電容約為_________F（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）。

（5）電容器充電后，將開關(guān)S2擲向2，發(fā)光二極管_________（填“D1”或“D2”）閃光。

【解析】（1）因滑動變阻器采用分壓式接法，故要升高電容器充電電壓，滑動變阻器滑片應(yīng)向b端滑動；（2）電壓表量程為15V，每個小格表示0.5V，故示數(shù)為6.5V；（3）I-t圖像所圍的面積等于電容器存儲的電荷量，從圖上數(shù)得面積為38個小格，每小格表示0.2×10-3×0.5C=1.0×10-4C，故電容器存儲的電荷量為q=3.8×10-3C；（4）由電容的定義式C=q/U得：C=4.8×10-4F；（5）電容器左邊極板帶正電，開關(guān)S2擲向2時，電容器通過D1放電，故D1閃光。

【點評】本題將人教版必修三“金屬絲電阻率的測量”所用的基本電路與拓展學習內(nèi)容“用傳感器觀察電容器的放電過程”結(jié)合起來，通過設(shè)計新的電路來設(shè)置問題，利用傳感器直接得到I-t圖像，只需識別出圖線所圍的面積等于電容器存儲的電荷量，再通過“數(shù)格子”的方法即可求出電容器存儲的電荷量；通過觀察可知電容器左邊的極板與電源相連，所以電容器通過D1放電而使其閃光。對這類“組合式”的實驗創(chuàng)新題，只要進行適當?shù)牟鸱旨纯蛇\用所學理論知識進行破解。

總之，在“科學教育”受到高度重視的背景下，高考物理實驗題的“創(chuàng)新性”特征會越來越明顯.實驗題的命題設(shè)計會依據(jù)基本實驗或基本器材，從實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗思想方法、實驗器材（裝置）、實驗規(guī)程、實驗數(shù)據(jù)處理、實驗注意事項、實驗誤差分析及反思評價等方面進行改造、整合、嫁接、遷移等拓展延伸處理，突出考查學生的實驗探究能力、思想方法遷移能力、理論知識綜合應(yīng)用能力，在“問題解決”中全面考查學生的創(chuàng)新能力，實驗復(fù)習過程中需要關(guān)注“聚合思維”與“發(fā)散思維”能力的提升．

責任編輯 李平安