王 健

(保定市第二中學(xué) 河北 保定 071000)

實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基礎(chǔ),是物理教學(xué)的重要內(nèi)容,是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑和方式.高考物理實(shí)驗(yàn)試題的設(shè)計(jì)充分融入探究式學(xué)習(xí)理念,在引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)踐操作的情境下,凸顯學(xué)生探索創(chuàng)新精神的培養(yǎng),著眼于提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)[1].物理實(shí)驗(yàn)題作為高考的必考題目,既考查了科學(xué)探究過程,同時(shí)也考查了學(xué)生設(shè)計(jì)性思維和創(chuàng)新性思維等科學(xué)思維[2].高考全國(guó)新課標(biāo)卷物理實(shí)驗(yàn)試題本著“來源于教材而不拘泥于教材”的原則,以教材問題和經(jīng)典模型為載體,設(shè)置不同層級(jí)的情境活動(dòng),以必備知識(shí)為支點(diǎn),落實(shí)基礎(chǔ)教育對(duì)高考的現(xiàn)實(shí)要求,從而引導(dǎo)教學(xué).試題注重在考查中深化基礎(chǔ)性,試題情境素材關(guān)聯(lián)呼應(yīng)教材,題干設(shè)問注意與教材中的重點(diǎn)內(nèi)容建立知識(shí)鏈接,引導(dǎo)教學(xué)重視教材、用好教材,促進(jìn)課堂回歸教材、研究教材.本文以2023年高考全國(guó)新課標(biāo)卷物理實(shí)驗(yàn)試題為例,對(duì)考查的物理學(xué)科核心素養(yǎng)以及對(duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的啟示做一分析.

1 高考實(shí)驗(yàn)試題分析

【例1】(2023年高考全國(guó)卷物理第22題)在“觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”實(shí)驗(yàn)中,所用器材如下:電池、電容器、電阻箱、定值電阻、小燈泡、多用電表、電流表、秒表、單刀雙擲開關(guān)以及導(dǎo)線若干.

(1)用多用電表的電壓擋檢測(cè)電池的電壓.檢測(cè)時(shí),紅表筆應(yīng)該與電池的______(填“正極”或“負(fù)極”)接觸.

(2)某同學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)電路如圖1(a)所示.先將電阻箱的阻值調(diào)為R1,將單刀雙擲開關(guān)S與“1”端相接,記錄電流隨時(shí)間的變化.電容器充電完成后,開關(guān)S再與“2”端相接,相接后小燈泡亮度變化情況可能是______.(填正確答案標(biāo)號(hào))

圖1 例1題圖

A.迅速變亮,然后亮度趨于穩(wěn)定

B.亮度逐漸增大,然后趨于穩(wěn)定

C.迅速變亮,然后亮度逐漸減小至熄滅

(3)將電阻箱的阻值調(diào)為R2(R2>R1),再次將開關(guān)S與“1”端相接,再次記錄電流隨時(shí)間的變化情況.兩次得到的電流I隨時(shí)間t變化如圖1(b)中曲線所示,其中實(shí)線是電阻箱阻值為______(填“R1”或“R2”)時(shí)的結(jié)果,曲線與坐標(biāo)軸所圍面積等于該次充電完成后電容器上的______(填“電壓”或“電荷量”).

解析：(1)多用電表紅表筆流入電流,黑表筆流出電流,故電流表紅表筆應(yīng)該與電池的正極接觸.

(2)電容器充電完成后,開始時(shí)兩極板電荷量較多,電勢(shì)差較大,當(dāng)閉合“2”接入小燈泡,回路立即形成電流,燈泡迅速變亮;隨著時(shí)間的積累,兩極板電荷量變少,電勢(shì)差變小,流過燈泡的電流減小,直至兩極板電荷量為零不帶電,則無電流流過小燈泡即熄滅,故選C.

(3)開始充電時(shí)電容器兩極板不帶電,兩極板電勢(shì)差為零,設(shè)電源內(nèi)阻為r,則開始充電時(shí)有E=I(R+r);

由圖像可知開始充電時(shí)實(shí)線的電流較小,故電路中的電阻較大,因此電阻箱阻值為R2;

圖像的物理意義為充電過程中電流隨時(shí)間的變化圖線,故曲線與坐標(biāo)軸所圍面積等于該次充電完成后電容器上的電荷量.

評(píng)析：觀察電容器的充、放電現(xiàn)象,要求學(xué)生能夠正確使用多用電表,分析電阻大小對(duì)電容器充電電流隨時(shí)間變化曲線的影響及曲線下面積的物理意義.

考查的必備知識(shí):多用電表的使用,對(duì)充、放電過程的正確認(rèn)識(shí),圖像分析.

關(guān)鍵能力：實(shí)驗(yàn)操作、分析現(xiàn)象、分析圖像.

核心素養(yǎng)：培養(yǎng)學(xué)生會(huì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、獲取證據(jù)、有安全意識(shí),重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)觀察能力和科學(xué)推理能力.

試題溯源：本題源于普通高中教科書(人民教育出版社)物理必修第三冊(cè)第39頁拓展學(xué)習(xí)“用傳感器觀察電容器的放電過程”.

【例2】(2023年高考全國(guó)卷物理第23題)一學(xué)生小組做“用單擺測(cè)量重力加速度的大小”實(shí)驗(yàn).

(1)用實(shí)驗(yàn)室提供的螺旋測(cè)微器測(cè)量擺球直徑.首先,調(diào)節(jié)螺旋測(cè)微器,擰動(dòng)微調(diào)旋鈕使測(cè)微螺桿和測(cè)砧相觸時(shí),發(fā)現(xiàn)固定刻度的橫線與可動(dòng)刻度上的零刻度線未對(duì)齊,如圖2(a)所示,該示數(shù)為______mm;螺旋測(cè)微器在夾有擺球時(shí)示數(shù)如圖2(b)所示,該示數(shù)為______ mm,則擺球的直徑為______mm.

圖2 例2題圖

(2)單擺實(shí)驗(yàn)的裝置示意圖如圖2(c)所示,其中角度盤需要固定在桿上的確定點(diǎn)O處,擺線在角度盤上所指的示數(shù)為擺角的大小.若將角度盤固定在O點(diǎn)上方,則擺線在角度盤上所指的示數(shù)為5°時(shí),實(shí)際擺角______5°(填“大于”或“小于”).

(3)某次實(shí)驗(yàn)所用單擺的擺線長(zhǎng)度為81.50 cm,則擺長(zhǎng)為______cm.實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到從擺球第1次經(jīng)過最低點(diǎn)到第61次經(jīng)過最低點(diǎn)的時(shí)間間隔為54.60 s,則此單擺周期為______s,該小組測(cè)得的重力加速度大小為______ m/s2.(結(jié)果均保留3位有效數(shù)字,π2取9.870)

解析:(1)測(cè)量前測(cè)微螺桿與測(cè)砧相觸時(shí),圖2(a)的示數(shù)為

d0=0 mm+0.7×0.01 mm=0.007 mm

螺旋測(cè)微器讀數(shù)是固定刻度讀數(shù)(0.5 mm的整數(shù)倍)加可動(dòng)刻度(0.5 mm以下的小數(shù))讀數(shù),圖中讀數(shù)為

d1=20 mm+3.4×0.01 mm=20.034 mm

則擺球的直徑為

d=d1-d0=20.027 mm

(2)角度盤的大小一定,即在規(guī)定的位置安裝角度盤,測(cè)量的擺角準(zhǔn)確,但將角度盤固定在規(guī)定位置上方,即角度盤到懸掛點(diǎn)的距離變短,同樣的角度,擺線在刻度盤上掃過的弧長(zhǎng)變短,故擺線在角度盤上所指的示數(shù)為5°時(shí),實(shí)際擺角大于5°.

(3)單擺的擺線長(zhǎng)度為81.50 cm,則擺長(zhǎng)為

結(jié)果保留3位有效數(shù)字,得擺長(zhǎng)為82.5 cm;一次全振動(dòng)單擺經(jīng)過最低點(diǎn)兩次,故此單擺的周期為

評(píng)析:本題將螺旋測(cè)微器與用單擺測(cè)量重力加速度大小融合在一起,考查獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、得出結(jié)論的基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?

考查的必備知識(shí):基本儀器螺旋測(cè)微器的讀數(shù)、研究用單擺測(cè)量重力加速度大小.

關(guān)鍵能力：基本儀器的讀數(shù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理.

核心素養(yǎng)：定性分析與定量計(jì)算相結(jié)合進(jìn)行科學(xué)推理,獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),基于數(shù)據(jù)得出結(jié)論進(jìn)行科學(xué)探究.

試題溯源:本題源于普通高中教科書(人民教育出版社)物理選擇性必修第一冊(cè)第5節(jié)“實(shí)驗(yàn):用單擺測(cè)量重力加速度”.

2 教學(xué)啟示

(1)研讀課程標(biāo)準(zhǔn),強(qiáng)化學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》要求:學(xué)校應(yīng)充分利用已有的實(shí)驗(yàn)器材,努力開發(fā)適合本校情況的實(shí)驗(yàn)課程資源,盡可能讓學(xué)生自己動(dòng)手多做實(shí)驗(yàn),提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)[3].

例1依據(jù)《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》必修3中3.2.1會(huì)使用多用電表以及3.1.6觀察電容器的充、放電現(xiàn)象[3].有利于學(xué)生聯(lián)系運(yùn)動(dòng)學(xué)中的速度-時(shí)間圖像中面積的意義,在電學(xué)中再現(xiàn)微元法的使用,增強(qiáng)學(xué)生利用圖像處理問題的能力,實(shí)現(xiàn)知識(shí)的整合,提高科學(xué)論證與數(shù)理結(jié)合的能力.

例2依據(jù)《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》選擇性必修1中1.2.2會(huì)用單擺測(cè)量重力加速度的大小.能對(duì)實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行規(guī)范操作,獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)誤差是不可避免的,具有盡量減小實(shí)驗(yàn)誤差的意識(shí).能通過不同方式分析數(shù)據(jù),獲得結(jié)論,并嘗試作出解釋[3].

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不能僅重結(jié)論,要通過再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、操作過程來滲透物理思想,啟發(fā)學(xué)生思路,培養(yǎng)概括、分析、推理能力.因此,物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中要保證基礎(chǔ)必備知識(shí)的牢固與完備,必須有堅(jiān)實(shí)的概念性知識(shí)和程序性知識(shí)作保障,才能通過精心設(shè)計(jì)問題鏈重點(diǎn)突破如何總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律,解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題時(shí)如何明確思維方向等策略性知識(shí)[4].

(2)加強(qiáng)教材的深度研究,充分挖掘教材資源

高考試題情境基本可以在教材中找到,源于教材又高于教材.特別是應(yīng)該高度關(guān)注教材中每一個(gè)環(huán)節(jié),包括教材“思考與討論”“科學(xué)方法”“拓展學(xué)習(xí)”“練習(xí)與應(yīng)用”“復(fù)習(xí)與提高A組、B組”等,回歸學(xué)科知識(shí)本源.因此,不要去追求難題、偏題,而應(yīng)重視學(xué)科能力的培養(yǎng),即學(xué)生的信息加工、邏輯推理、整合關(guān)聯(lián)、遷移應(yīng)用和應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理問題等關(guān)鍵能力.因此在課堂教學(xué)過程中要注重知識(shí)的生成過程,引導(dǎo)學(xué)生理解重要的物理概念和規(guī)律,深入思考和分析客觀事物的本質(zhì)屬性及內(nèi)在聯(lián)系;培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)、體會(huì)科學(xué)的研究方法,全面發(fā)展學(xué)生的“科學(xué)思維”素養(yǎng).

總之,2023年的高考物理實(shí)驗(yàn)試題平實(shí)穩(wěn)重、細(xì)膩深入,要求學(xué)生能根據(jù)要求靈活運(yùn)用已學(xué)過的物理結(jié)論、實(shí)驗(yàn)方法處理相關(guān)的實(shí)驗(yàn)問題.這就要求教師在平時(shí)的教學(xué)穩(wěn)扎穩(wěn)打地把每一個(gè)教學(xué)細(xì)節(jié)處理好、復(fù)習(xí)備考抓住核心主干練熟講透,不斷加強(qiáng)對(duì)教材的深入研究.教材是學(xué)生學(xué)習(xí)物理的基礎(chǔ),也是高考試題取材的主要來源,在教學(xué)和備考中要重視對(duì)教材的使用,通過生活中的問題情境,引導(dǎo)學(xué)生參與到概念、規(guī)律的形成和推導(dǎo)過程中來,形成系統(tǒng)的物理觀念.