題在書外 理在書中
2008-12-31 00:00:00賀曉霞
物理教學探討 2008年20期
隨著素質教育和課程改革的推進，高考命題越來越注重對學生能力的考查。尤其在實驗題的設計上，越來越靈活。縱觀近幾年全國各地高考試題，頻現一類新題型——探究性實驗題。這類探究性實驗，突破了教材實驗的局限，卻又充分體現了“題在書外，理在書中”的命題取向，不偏不怪，有效地考查了學生知識和方法的遷移與應用的靈活性，不失為考查學生能力的好題。筆者收集了2008年全國各地高考中探究性實驗試題近十道，由于篇幅所限，試以兩例評析之。
例1 （重慶卷第22題）請在答題卡上作答）（17分）（1）某實驗小組擬用如題22圖1所示裝置研究滑塊的運動.實驗器材有滑塊、鉤碼、紙帶、米尺、帶滑輪的木板，以及由漏斗和細線組成的單擺等.實驗中，滑塊在鉤碼作用下拖動紙帶做勻加速直線運動，同時單擺垂直于紙帶運動方向擺動，漏斗漏出的有色液體在紙帶帶下留下的痕跡記錄了漏斗在不同時刻的位置。
①在題22圖2中，從_____紙帶可看出滑塊的加速度和速度方向一致。
②用該方法測量滑塊加速度的誤差主要來源有：_____、_____（寫出2個即可）。
（2）某研究性學習小組設計了題22圖3所示的電路，用來研究稀鹽水溶液的電阻率與濃度的關系。圖中E為直流電源，K為開關，K1為單刀雙擲開關，V為電壓表，A為多量程電流表，R為滑動變阻器，Rx為待測稀鹽水溶液液柱。
①實驗時，閉合K之前將R的滑片P置于____（填“C”或“D”）端；當用電流表外接法測量Rx的阻值時，K1應置于位置____ （填“1”或“2”）。
②在一定條件下，用電流表內、外接法得到Rx的電阻率隨濃度變化的兩條曲線如題22圖4所示（不計由于通電導致的化學變化）。實驗中Rx的通電面積為20cm2，長度為20cm，用內接法測量Rx的阻值是3500Ω，則其電阻率為_____Ω#8226;m，由圖中對應曲線_____（填“1”或“2”）可得此時溶液濃度約為____%（結果保留2位有效數字）。
答案 （1）①B ②擺長測量、漏斗重心變化、液體痕跡偏粗、阻力變化等（2）① D， 1② 35， 1
解析 本題設計了兩個探究實驗，看起來均不是教材上的現成實驗。但只要仔細審題，究其實質，不難看出：
第一個實驗的原型即為“用打點計時器研究勻變速直線運動”，只是把計時工具“打點計時器”換成了“擺鐘”（單擺），利用單擺的等時性等效代替打點計時器的作用。看清了題目的實質，問題也就迎刃而解：三條紙帶中，只有B紙帶顯示在單擺擺動相等的周期內，紙帶運動的位移在增大，說明紙帶在作加速運動，即“滑塊的加速度和速度方向一致”；根據加速度的測量原理，要測量加速度，需要“等時間間隔即單擺周期”與“相應位移”的測量，誤差自然來自這兩方面：第一，單擺周期的影響因素——擺長的測量誤差、漏斗重心變化引起的擺長變化等；第二，對位移測量的影響因素--液體痕跡偏粗、測量工具精度不夠、阻力變化引起的位移變化等。
第二個實驗，從題面看起來是探究“稀鹽水溶液的電阻率與濃度的關系”，實際考查的就是電阻率測量這個實驗，再進一步看，核心是考查“伏安法測電阻”。對于“伏安法測電阻”，大家就很熟悉了：不外要弄清楚兩個基本問題，一是變阻器的分壓或是限流接法的選擇原理，二是安培表的內接或是外接的選擇與誤差分析。本探究實驗選擇了變阻器的分壓接法，閉合K之前，應將R的滑片位置置于D端，這樣可保證電表的安全。用電流表外接法測電阻時，K應置于1位置。根據電阻定律得：R=ρ得：ρ=Rsl=35Ω#8226;m。內接法使得電阻測量值偏大，對應的電阻率也偏大，所以對應曲線為1.由測量得電阻率和圖象可得溶液濃度約為0.011——0.014之間。
點評 本題設計的巧妙之處在于“其源于教材而又高于教材”的實驗設計和新穎的問題切入角度。第一個實驗是把學生分組實驗“測勻變速直線運動的加速度”和演示實驗“單擺振動圖像的描繪”進行了有機結合；第二個實驗題把函數圖像選擇與“安培表內接或外接”誤差分析進行了間接聯系，有效避免了學生的死記硬背，對導向學生注重學習知識的靈活性具有重要的意義。
例2 （上海卷第19題）（10分）如圖所示是探究通電螺線管A內部磁感應強度B及其與電流I關系的實驗裝置。將截面積為S、匝數為N的小試測線圈P置于螺線管A中間，試測線圈平面與螺線管的軸線垂直，可認為穿過該試測線圈的磁場均勻。將試測線圈引線的兩端與沖擊電流計D相連。撥動雙刀雙擲換向開關K，改變通入螺線管的電流方向，而不改變電流大小，在P中產生的感應電流引起D的指針偏轉。
（1）將開關合到位置1，待螺線管A中的電流穩定后，再將K從位置1撥到位置2，測得D的最大偏轉距離為dm，已知沖擊電流計的磁通靈敏度為Dφ， Dφ＝dmNΔ ，式中Δ為單匝試測線圈磁通量的變化量。則試測線圈所在處磁感應強度B＝___；若將K從位置1撥到位置2的過程所用的時間為Δt，則試測線圈P中產生的平均感應電動勢ε＝_____。
（2）調節可變電阻R，多次改變電流并撥動K，得到A中電流I和磁感應強度B的數據，見右表。由此可得，螺線管A內部在感應強度B和電流I的關系為B＝______。
實驗次數I（A）B（×10－3T）
10.50.62
21.01.25
31.51.88
42.02.51
52.53.12
（3）（多選題）為了減小實驗誤差，提高測量的準確性，可采取的措施有
（A）適當增加試測線圈的匝數N
（B）適當增大試測線圈的橫截面積S
（C）適當增大可變電阻R的阻值
（D）適當撥長撥動開關的時間Δt
答案：（1）dm2NDS，dmDΔt
（2）0.00125I（或kI）（3）A，B
解析 本題所設計的實驗在教材上找不到原型，而且使用了令學生感到陌生的一種測量儀器--沖擊電流計，可能會讓學生有畏懼感。其實，要作答本題所設問題，并不需要深入了解沖擊電流計的構造及工作原理，也不需要對題目涉及的“磁通靈敏度”等新概念有準確的理解，只需要根據題目所給信息，知道沖擊電流計最大偏轉距離與測試線圈中感應電流大小相關。那么就會明白，第一小問，很明顯考查的是法拉第電磁感應定律ε＝NΔφ/Δt：因發生磁通量變化的原因是改變電流方向，即通電螺線管的磁場方向發生180°變化，磁通量變化量Δφ=2BS，代入題目所給公式Dφ＝dmNΔ計算得B=dm2NDS，由法拉第電磁感應定律可知電動勢的平均值ε＝dmDΔt。
第二小問，是一個很常規的根據測試數據尋找自變量與因變量的關系的題目，其正比關系比較明顯。比例常數約為0.00125，故B=kI（或0.00125I）
第三小問，是有關實驗誤差分析的。一般而言，當實驗原理和測量工具一定的情況下，盡量增大測量值，可減小實驗的相對誤差。因此為了得到平均電動勢的準確值，時間要盡量小，由B的計算值可看出，dm與N和S成正比，故選擇A、B。
點評 本題的設計體現的是“高起點，低落點”。實驗是新的，使用的儀器也是新的，還有很多相關新信息，但考查的內容是基本的。與“信息題”相似，解決這類題的關鍵是“充分挖掘、篩選題目所給有用信息。并盡快與自己原有知識正確鏈接。”
綜上兩例，大家可以初步體會，“探究性實驗題”作為一類考查能力的新型題目，其內容形式可能有不同，但其命題出發點是相同的，即“立足于考查學生綜合分析和綜合應用的能力，避免死記硬背”。這也正是素質教育的要求，高考改革的方向！因此，“探究性實驗題”必將成為各地高考試題的重要組成部分，并逐步加大比重。對此，早研究，早準備，一定會獲益匪淺。筆者拙見，在此拋磚引玉了！
以下試題供賞析：
1．（廣東卷第15題）（11分）某實驗小組探究一種熱敏電阻的溫度特性。現在器材：直流恒流電源（在正常工作狀態下輸出的電流恒定）、電壓表，待測熱敏電阻、保溫容器、溫度計、開關和導線等。
(1)若用上述器材測量熱敏電阻的阻的隨溫度變化的特性，請你在圖9的實物圖上連線。
（2）實驗的主要步驟：
①正確連接電路，在保溫容器中注入適量冷水，接通電源，調節并記錄電源輸出的電流值；②在保溫容器中添加少量熱水，待溫度穩定后，閉合開關，_______，_______，斷開開關；
③重復第②步操作若干次，測得多組數據。
（3）實驗小組算得該熱敏電阻在不同溫度下的阻值，并據此繪得圖10的R-t關系圖線，請根據圖線寫出該熱敏電阻的R-t關系式：R=____+t(Ω)（保留3位有效數字）
答案：(1）圖略
（2）記錄電壓表電壓值、溫度計數值
（3）R=100+0.395t
2.（廣東卷第16題）（13分）某實驗小組采用圖11所示的裝置探究“動能定理”，圖中小車中可放置砝碼，實驗中，小車碰到制動裝置時，鉤碼尚未到達地面，打點針時器工作頻率為50Hz。
（1）實驗的部分步驟如下：
①在小車中放入砝碼，把紙帶穿過打點計時器，連在小車后端，用細線連接小車和鉤碼；
②將小車停在打點計時器附近，_____，_____，小車拖動紙帶，打點計時器在紙帶上打下一列點；
③改變鉤碼或小車中砝碼的數量，更換紙帶，重復②的操作。
（2）圖12是鉤碼質量為0.03kg，砝碼質量為0.02kg時得到的一條紙帶，在紙帶上選擇起始點0及A、B、C、D和E五個計數點，可獲得各計數點到0的距離5及對應時刻小車的瞬時速度v，請將C點的測量結果填在表1中的相應位置。
（3）在上車的運動過程中，對于鉤碼、砝碼和小車組成的系統，______做正功，______做負功。
（4）實驗小組根據實驗數據繪出了圖13中的圖線（其中Δv2=v2-v20），根據圖線可獲得的結論是__________。要驗證“動能定理”，還需要測量的物理量是摩擦力是_______。
表1 紙帶的測量結果
測量點S/cmr/(m#8226;s-1)
00.000.35
A1.510.40
B3.200.45
C
D7.150.54
E9.410.60
答案 （1）②接通電源、釋放小車斷開開關
（2）5．060．49（3）鉤砝的重力小車受摩擦阻力
（4）小車初末速度的平方差與位移成正比 小車的質量
3．（全國卷第22題）Ⅰ.（6分）如圖所示，兩個質量各為m1和m2的小物塊A和B，分別系在一條跨過定滑輪的軟繩兩端，已知m1＞m2，現要利用此裝置驗證機械能守恒定律。
（1）若選定物塊A從靜止開始下落的過程進行測量，則需要測量的物理量有_____（在答題卡上對應區域填入選項前的編號）
①物塊的質量m1、m2；
②物塊A下落的距離及下落這段距離所用的時間；
③物塊B上升的距離及上升這段距離所用的時間；
④繩子的長度。
（2）為提高實驗結果的準確程度，某小組同學對此實驗提出以下建議：
①繩的質量要輕：
②在“輕質繩”的前提下，繩子越長越好；
③盡量保證物塊只沿豎直方向運動，不要搖晃；
④兩個物塊的質量之差要盡可能小。
以上建議中確實對提高準確程度有作用的是_____。（在答題卡上對應區域填入選項前的編號）
（3）寫出一條上面沒有提到的提高實驗結果準確程度有益的建議：
答案 (1) ①②或①③；（2）①③；（3）例如：“對同一高度進行多次測量取平均值”，“選取受力后相對伸長盡量小的繩子”等等
4.（上海卷第18題）（6分）某同學利用圖（a）所示的電路研究燈泡L1（6V，1.5W）、L2（6V，10W）的發光情況（假設燈泡電阻恒定），圖（b）為實物圖。
（1）他分別將L1、L2接入圖（a）中的虛線框位置，移動滑動變阻器的滑片P，當電壓表示數為6V時，發現燈泡均能正常發光。在圖（b）中用筆線代替導線將電路連線補充完整。
（2）接著他將L1和L2串聯后接入圖（a）中的虛線框位置，移動滑動變阻器的滑片P，當電壓表示數為6V時，發現其中一個燈泡亮而另一個燈泡不亮，出現這種現象的原因是__________。
現有如下器材：電源E（6V，內阻不計），燈泡L1（6V，1.5W）、L2（6V，10W），L2（6V，10W），
單刀雙擲開關S。在圖（c）中設計一個機動車轉向燈的控制電路：當單刀雙擲開關S與1相接時，信號燈L1亮，右轉向燈L2亮而左轉向燈L3不亮；當單刀雙擲開關S與2相接時，信號燈L1亮，左轉向燈L3亮而右轉向燈L2不亮。
答案 （1）如圖b
（2）由于RL2比RL1小得多，燈泡L2分得的電壓很小，雖然有電流渡過，但功率很小，不能發光。
（3）如圖c
