王新穎

(保定市第二中學 河北 保定 071000)

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

本文對2022年高考河北物理實驗試題進行分析,總結(jié)了實驗試題對教師日常教學的指導意義.

1 高考試題分析

1.1 力學實驗題

圖1 實驗裝置圖

(1)在彈性限度內(nèi)將鉤碼緩慢下拉至某一位置,測得此時彈簧的長度為L.接通打點計時器電源,從靜止釋放鉤碼,彈簧收縮,得到了一條點跡清晰的紙帶.鉤碼加速上升階段的部分紙帶如圖2所示,紙帶上相鄰兩點之間的時間間隔均為T(在誤差允許范圍內(nèi),認為釋放鉤碼的同時打出A點).從打出A點到打出F點時間內(nèi),彈簧的彈性勢能減少量為________,鉤碼的動能增加量為________,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)利用計算機軟件對實驗數(shù)據(jù)進行處理,得到彈簧彈性勢能減少量、鉤碼的機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點時彈簧的彈性勢能為

因此彈性勢能的減小量為

根據(jù)運動學公式可知,在勻變速直線運動中,中間時刻的瞬時速度等于該過程的平均速度,則

則動能的增加量為

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,理論上應為拋物線.鉤碼機械能的增加量,即鉤碼動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)生這個問題的主要原因是鉤碼和紙帶運動的速度逐漸增大,導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、彈簧、鉤碼、打點計時器、刻度尺等實驗器材驗證系統(tǒng)機械能守恒.考查的知識點有系統(tǒng)機械能守恒定律和彈簧彈性勢能的表達式;本題本著“來源于教材而不拘泥于教材”的原則,把教材實驗進行了整合和創(chuàng)新,需要學生具備實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)分析、知識遷移的關(guān)鍵能力.

1.2 電學實驗題

【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)計電路如圖4所示.選用的器材有:限溫開關(guān)S1(手動將其按下,開始持續(xù)加熱煮飯,當鍋內(nèi)溫度高于103 ℃時自動斷開,之后不能自動閉合);保溫開關(guān)S2(當鍋內(nèi)溫度高于80 ℃時自動斷開,溫度低于70 ℃時自動閉合);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,當電流低于30 mA時可視為熄滅);保險絲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.當鍋內(nèi)溫度高于103 ℃時,S1自動斷開,L1和L2均發(fā)光

C.保溫過程中,S2自動在閉合、斷開狀態(tài)之間交替切換

D.當鍋內(nèi)溫度低于70 ℃時,S2自動閉合,L1發(fā)光,L2熄滅

(2)簡易電飯煲制作完成后,試用時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

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,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錯誤;

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

D.當鍋內(nèi)溫度低于70 ℃時,S2自動閉合,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,首先使待測電阻與其他電路斷開,進行機械調(diào)零,然后選取合適的擋位,再進行歐姆調(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,故正確的順序為:CABDE.

操作時,將多用電表兩表筆與L1兩端接觸,此時回路中的用電器為R1、R和L1.若指針如圖5所示,此時歐姆表的示數(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)了高考與生活實踐接軌,緊跟時代步伐的特征,該類題型由于綜合度大,邏輯思維性強,涉及的知識點多,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:電路的動態(tài)分析;多用電表的原理和使用;閉合電路的歐姆定律.

2 教學反思

2.1 實驗教學重視教材實驗

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

2.2 掌握設(shè)計實驗的思想和方法 提高創(chuàng)新能力

設(shè)計性實驗通常是要求考生根據(jù)給出的實驗目的和器材,靈活運用所學的實驗方法、原理、技能,進行創(chuàng)造性的思維,設(shè)計出切實可行的實驗方案、測量方法、實驗步驟,并處理數(shù)據(jù)、得出結(jié)論.這樣做的目的是可以檢驗學生對實驗原理的理解和把握,以及如何變成實際可行的操作過程,這是對創(chuàng)新能力的考驗.其實,設(shè)計實驗既有物理規(guī)律可依,也有思維方法可循,思維方法仍舊是教材中實驗常用的:等效替代法;測量微小量可用的累積法;存在多個變量時可用控制變量法.一些物理量不能直接測量時,可以用轉(zhuǎn)換法、留跡法;還有平衡法、補償法等.

2.3 實驗過程重視培養(yǎng)物理學科素養(yǎng)

物理學科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任4個維度,其中科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任一直以來都是物理教學最薄弱的環(huán)節(jié),難以落實到平時的物理教學.而實驗又是物理教學的基礎(chǔ),在物理教學的整個過程中具有十分重要的作用,所以核心素養(yǎng)下的物理實驗教學要求學生親身經(jīng)歷科學的探究過程,學會在實驗探究中總結(jié)提煉物理概念,培養(yǎng)科學推理能力,從而實現(xiàn)在教學過程中培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng),達到質(zhì)的提高.

綜上所述,物理實驗屬于一種能力考查題,在物理學習過程中通過典型實驗、典型試題的分析領(lǐng)悟?qū)嶒炘O(shè)計的思路和方法,明確實驗目的,理解實驗原理和實驗方案.學生需要正確的理論分析,將理論和實驗相結(jié)合分析實驗原理和過程,物理實驗教學中可通過創(chuàng)設(shè)問題情境,讓學生思考應怎樣設(shè)計實驗,為什么這樣設(shè)計,能否換一種方法.在此基礎(chǔ)上,通過不同的實驗方案,深刻理解實驗原理,培養(yǎng)學生實驗設(shè)計能力,提升學生的物理學科素養(yǎng).