王新穎

(保定市第二中學(xué) 河北 保定 071000)

物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科,它以實(shí)驗(yàn)為依托,通過觀察實(shí)驗(yàn),總結(jié)規(guī)律從而得到物理學(xué)的定律,因此物理學(xué)的研究和發(fā)展離不開實(shí)驗(yàn).有效開展高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以增強(qiáng)學(xué)生的思維能力,讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題;在實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作能力;加深對物理問題的理解,提高物理學(xué)科素養(yǎng).

本文對2022年高考河北物理實(shí)驗(yàn)試題進(jìn)行分析,總結(jié)了實(shí)驗(yàn)試題對教師日常教學(xué)的指導(dǎo)意義.

1 高考試題分析

1.1 力學(xué)實(shí)驗(yàn)題

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

(1)在彈性限度內(nèi)將鉤碼緩慢下拉至某一位置,測得此時(shí)彈簧的長度為L.接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源,從靜止釋放鉤碼,彈簧收縮,得到了一條點(diǎn)跡清晰的紙帶.鉤碼加速上升階段的部分紙帶如圖2所示,紙帶上相鄰兩點(diǎn)之間的時(shí)間間隔均為T(在誤差允許范圍內(nèi),認(rèn)為釋放鉤碼的同時(shí)打出A點(diǎn)).從打出A點(diǎn)到打出F點(diǎn)時(shí)間內(nèi),彈簧的彈性勢能減少量為________,鉤碼的動(dòng)能增加量為________,鉤碼的重力勢能增加量為________.

圖2 鉤碼加速上升階段的紙帶圖

(2)利用計(jì)算機(jī)軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到彈簧彈性勢能減少量、鉤碼的機(jī)械能增加量分別與鉤碼上升高度h的關(guān)系,如圖3所示.由圖3可知,隨著h增加,兩條曲線在縱向的間隔逐漸變大,主要原因是________.

圖3 彈簧彈性勢能減少量、鉤碼機(jī)械能增加量與h的關(guān)系

解析：(1)彈簧的長度為L的彈性勢能為

到F點(diǎn)時(shí)彈簧的彈性勢能為

因此彈性勢能的減小量為

根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可知,在勻變速直線運(yùn)動(dòng)中,中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度等于該過程的平均速度,則

則動(dòng)能的增加量為

鉤碼的重力勢能增加量為

ΔEp=mgh5

(2)彈簧的彈性勢能與彈簧長度是二次函數(shù)的關(guān)系,理論上應(yīng)為拋物線.鉤碼機(jī)械能的增加量,即鉤碼動(dòng)能和重力勢能增加量的總和,若無阻力做功則彈簧彈性勢能的減少量等于鉤碼機(jī)械能的增加量.現(xiàn)在隨著h增加,兩條曲線在縱向的間隔逐漸變大,而兩條曲線在縱向的間隔即阻力做的功,產(chǎn)生這個(gè)問題的主要原因是鉤碼和紙帶運(yùn)動(dòng)的速度逐漸增大,導(dǎo)致空氣阻力逐漸增大,以至于空氣阻力做的功也逐漸增大.

評析：本題利用鐵架臺(tái)、彈簧、鉤碼、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、刻度尺等實(shí)驗(yàn)器材驗(yàn)證系統(tǒng)機(jī)械能守恒.考查的知識點(diǎn)有系統(tǒng)機(jī)械能守恒定律和彈簧彈性勢能的表達(dá)式;本題本著“來源于教材而不拘泥于教材”的原則,把教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了整合和創(chuàng)新,需要學(xué)生具備實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、知識遷移的關(guān)鍵能力.

1.2 電學(xué)實(shí)驗(yàn)題

【例2】某物理興趣小組利用廢棄電飯煲的部分器材自制簡易電飯煲,設(shè)計(jì)電路如圖4所示.選用的器材有:限溫開關(guān)S1(手動(dòng)將其按下,開始持續(xù)加熱煮飯,當(dāng)鍋內(nèi)溫度高于103 ℃時(shí)自動(dòng)斷開,之后不能自動(dòng)閉合);保溫開關(guān)S2(當(dāng)鍋內(nèi)溫度高于80 ℃時(shí)自動(dòng)斷開,溫度低于70 ℃時(shí)自動(dòng)閉合);電飯煲的框架.自備元件有:加熱電阻絲R(阻值為60 Ω,用于加熱煮飯);限流電阻R1和R2(阻值均為1 kΩ);指示燈L1和L2(2.5 V,0.6 W,當(dāng)電流低于30 mA時(shí)可視為熄滅);保險(xiǎn)絲T.

圖4 內(nèi)膽底感溫磁體彈簧電熱板

(1)按照興趣小組設(shè)計(jì)的電路,下列說法正確的是________(多選).

A.按下S1,L1和L2均發(fā)光

B.當(dāng)鍋內(nèi)溫度高于103 ℃時(shí),S1自動(dòng)斷開,L1和L2均發(fā)光

C.保溫過程中,S2自動(dòng)在閉合、斷開狀態(tài)之間交替切換

D.當(dāng)鍋內(nèi)溫度低于70 ℃時(shí),S2自動(dòng)閉合,L1發(fā)光,L2熄滅

(2)簡易電飯煲制作完成后,試用時(shí)L1始終不亮,但加熱和保溫功能均正常,在不增加元件的前提下,斷開電源,使用多用電表判斷發(fā)生故障的元件.下列操作步驟的正確順序是________(填寫各步驟前的字母).

A.將選擇開關(guān)旋轉(zhuǎn)到“×100”位置

B.將兩支表筆直接接觸,調(diào)節(jié)“歐姆調(diào)零旋鈕”,使指針指向歐姆零點(diǎn)

C.調(diào)整“指針定位螺絲”,使指針指到零刻度

D.測量指示燈L1兩端的阻值

E.將選擇開關(guān)置于OFF位置或交流電壓最高擋

操作時(shí),將多用電表兩表筆與L1兩端接觸,若指針如圖5所示,可判斷是________斷路損壞;若指針如圖6所示,可判斷是________斷路損壞.(用電路中的元件符號表示)

圖5 多用電表指示一

圖6 多用電表指示二

解析：(1)A.按下S1,燈泡L2短路,不能發(fā)光,故A錯(cuò)誤;

C.保溫開關(guān)S2(當(dāng)鍋內(nèi)溫度高于80 ℃時(shí)自動(dòng)斷開,溫度低于70 ℃時(shí)自動(dòng)閉合)在保溫過程中,自動(dòng)在閉合、斷開狀態(tài)之間交替切換,故C正確;

D.當(dāng)鍋內(nèi)溫度低于70 ℃時(shí),S2自動(dòng)閉合,電飯煲處于加熱狀態(tài),L1發(fā)光,燈泡L2短路,熄滅,故D正確;

(2)利用歐姆表測電阻時(shí),首先使待測電阻與其他電路斷開,進(jìn)行機(jī)械調(diào)零,然后選取合適的擋位,再進(jìn)行歐姆調(diào)零,測量完畢后,將選擇開關(guān)置于OFF位置或交流電壓最高擋,故正確的順序?yàn)?CABDE.

操作時(shí),將多用電表兩表筆與L1兩端接觸,此時(shí)回路中的用電器為R1、R和L1.若指針如圖5所示,此時(shí)歐姆表的示數(shù)約為1 100 Ω,可判斷是L1斷路損壞;若指針如圖6所示,此時(shí)歐姆表的示數(shù)為零,說明L1沒有損壞,加熱和保溫功能均正常,說明R正常,所以是R1斷路損壞.

評析：本題利用廢棄電飯煲的部分器材自制簡易電飯煲,既有趣味性,又具有一定的探究性.體現(xiàn)了高考與生活實(shí)踐接軌,緊跟時(shí)代步伐的特征,該類題型由于綜合度大,邏輯思維性強(qiáng),涉及的知識點(diǎn)多,是高考物理試題得分率較低的題型之一.考查的必備知識點(diǎn):電路的動(dòng)態(tài)分析;多用電表的原理和使用;閉合電路的歐姆定律.

2 教學(xué)反思

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)重視教材實(shí)驗(yàn)

高考實(shí)驗(yàn)題從考查方式看,?？汲Ｐ?命題形式靈活,考查角度多變,但基本實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)思想和實(shí)驗(yàn)方法,都能從教材實(shí)驗(yàn)中找到原型,因此在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中以掌握教材上的基本實(shí)驗(yàn)為核心,在此基礎(chǔ)上向外延伸,而不能脫離教材實(shí)驗(yàn).高考實(shí)驗(yàn)是通過變化了的實(shí)驗(yàn)情境考核規(guī)定實(shí)驗(yàn)的理解及基本原理、基本方法,因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須立足教材實(shí)驗(yàn),重點(diǎn)從實(shí)驗(yàn)原理、器材、步驟、數(shù)據(jù)處理、誤差分析等方面深入分析每個(gè)實(shí)驗(yàn),提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?

2.2 掌握設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的思想和方法 提高創(chuàng)新能力

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)通常是要求考生根據(jù)給出的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮推鞑?靈活運(yùn)用所學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法、原理、技能,進(jìn)行創(chuàng)造性的思維,設(shè)計(jì)出切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)方案、測量方法、實(shí)驗(yàn)步驟,并處理數(shù)據(jù)、得出結(jié)論.這樣做的目的是可以檢驗(yàn)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理的理解和把握,以及如何變成實(shí)際可行的操作過程,這是對創(chuàng)新能力的考驗(yàn).其實(shí),設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)既有物理規(guī)律可依,也有思維方法可循,思維方法仍舊是教材中實(shí)驗(yàn)常用的:等效替代法;測量微小量可用的累積法;存在多個(gè)變量時(shí)可用控制變量法.一些物理量不能直接測量時(shí),可以用轉(zhuǎn)換法、留跡法;還有平衡法、補(bǔ)償法等.

2.3 實(shí)驗(yàn)過程重視培養(yǎng)物理學(xué)科素養(yǎng)

物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任4個(gè)維度,其中科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任一直以來都是物理教學(xué)最薄弱的環(huán)節(jié),難以落實(shí)到平時(shí)的物理教學(xué).而實(shí)驗(yàn)又是物理教學(xué)的基礎(chǔ),在物理教學(xué)的整個(gè)過程中具有十分重要的作用,所以核心素養(yǎng)下的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求學(xué)生親身經(jīng)歷科學(xué)的探究過程,學(xué)會(huì)在實(shí)驗(yàn)探究中總結(jié)提煉物理概念,培養(yǎng)科學(xué)推理能力,從而實(shí)現(xiàn)在教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng),達(dá)到質(zhì)的提高.

綜上所述,物理實(shí)驗(yàn)屬于一種能力考查題,在物理學(xué)習(xí)過程中通過典型實(shí)驗(yàn)、典型試題的分析領(lǐng)悟?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)的思路和方法,明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?理解實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方案.學(xué)生需要正確的理論分析,將理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合分析實(shí)驗(yàn)原理和過程,物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可通過創(chuàng)設(shè)問題情境,讓學(xué)生思考應(yīng)怎樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),為什么這樣設(shè)計(jì),能否換一種方法.在此基礎(chǔ)上,通過不同的實(shí)驗(yàn)方案,深刻理解實(shí)驗(yàn)原理,培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力,提升學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng).