研究高考實驗試題 提升科學探究能力

程夢輝

摘要：本文總結了高考物理實驗試題的有機整合、適當延伸、演變創新3種重要命題形式及對應求解策略，期望對培養和提升學生的科學探究能力有所幫助。

關鍵詞：高考實驗試題? 科學探究能力? 有機整合

高考物理實驗試題不僅題型靈活，能很好地考查學生的多種實驗技能，而且這類試題往往源于課本而又適當高于課本，能突出考查學生的科學探究能力，為此，廣大教師必須認真研究高考物理實驗試題，引導學生關注近年高考物理實驗試題，持續培養和提高學生的科學探究能力。研究發現，近年高考中突出考查學生科學探究能力的物理實驗試題主要有三種類型，本文將總結這三類實驗試題的命題特點及解答策略，供物理同行參考。

一、有機整合物理實驗

此類實驗試題的基本特點是將教材中的幾個（多為兩個實驗）物理實驗（包括教師演示實驗和學生分組實驗）有機結合起來（如：驗證牛頓第二定律實驗與探究動能定理實驗相結合、電表改裝實驗與測電阻實驗相結合、測電阻率實驗與傳感器的簡單應用實驗相結合等）。

這類試題貌似新穎實為常規。對這類實驗試題的求解，我們應當善于通過對試題的分析，學會化大為小，將一個完整的實驗問題分割成若干個常規的小實驗問題，再按照實驗的基本技能各個擊破、分步解答，以實現問題的順利求解。

教師在物理教學中，應當根據教學實際，適時編制物理實驗組合試題。通過分析求解物理實驗組合試題，學生不僅能有效比較不同實驗之間的相似與區別之處，從而加深理解和掌握物理規律，同時還能不斷培養和提高學生的綜合分析能力。

二、適當延伸物理實驗

此類實驗試題的特點是源于課本而又適當高于課本，在考察教材演示實驗或學生分組實驗的基礎上，再對實驗加以適當延伸（如：在改裝電表后再對改裝后的電表進行校對;在描繪小燈泡I-U曲線的基礎上，又提出探究小燈泡實際功率與兩端電壓之間的關系、探究小燈泡電阻與兩端電壓之間的關系;等等）。對這類實驗試題的求解，我們首先必須明確常規實驗試題的解題思路，對延伸出來的實驗問題，應當根據實驗要求，確定對應的物理知識或實驗方法，進而推導出處理實驗數據的計算公式，并進一步確定實驗方案，以實現問題的逐步解決。本文列舉一例：

例1：某實驗小組做“驗證牛頓運動定律”實驗，實驗裝置如圖甲所示，實驗中均滿足沙桶和沙的總質量遠小于小車質量。在正確安裝實驗裝置后，首先進行了平衡摩擦力操作。

（1）實驗小組在一次實驗中得到一條紙帶如圖乙所示，已知打點計數器所接交流電電源的頻率是50 Hz，則由紙帶可求出小車的加速度大小為_______m/s2。（計算結果取兩位有效數字）

（2）實驗小組多次改變沙與沙桶的總質量，根據多次實驗及數據做出了加速度a與合力F的關系圖像如圖丙所示，則可能的原因是_____________________。

（3）在對第（2）問中出現的問題做了修正后，實驗小組保持沙和沙桶的總質量不變，并多次改變放置在小車上的砝碼質量m，同時測出多組對應的加速度a，以m為橫坐標、1/a為縱坐標，得到如圖丁所示的關系圖像。如果該圖像“斜率”為k、圖中縱軸上的“截距”為b，則小車質量M為_______。

解析：此題源于學生分組實驗并適當延伸（即第3問中確定小車質量M）。下面予以分析：

（1）根據圖乙中紙帶的數據，采用逐差法可求得加速度大為：a=x4+x3-x2-x14T2=0.59 m/s2。

（2）由圖丙看出，圖線再a軸上有截距，說明對小車沒有施加拉力F時就有了加速度，這說明平衡摩擦力過度了。

（3）由牛頓運動定律可得，F=（M+m）a，推得：1a=1F·m+MF

由圖丁所示圖線的“斜率”k及“截距”b，可以得出：M=bk。

三、演變創新物理實驗

物理實驗的演變創新是高考物理試題中的一大亮點。面對讓人耳目一新的實驗試題，首先，我們必須明確實驗目的，是測量性實驗（如：測未知電阻的阻值、測電源的電動勢和內阻等）、還是驗證性實驗（如：驗證牛頓運動定律、驗證動量守恒定律等）或探究性實驗（如：探究小燈泡電流I與電壓U之間的關系）。創新類實驗試題往往有一些條件限制，此時要跳出習慣性思維（如：一看到測電阻大家就會想到伏安法，其實，對應不同的題目條件，就有多種方法測電阻），以實驗目的為中心，結合題目條件聯系所學的物理知識，從而確定實驗原理，并進一步推導出處理實驗數據的關系式等，以實現問題的進一步求解。本文列舉一例：

例2.目前社會上已普遍使用LED燈來照明。某LED燈的產品說明書這樣介紹，“本LED燈的耗能僅為白熾燈的1/10、節能燈的1/4……”該LED燈的工作電壓是“1.5～5.0 V”，最大正向直流電流約25 mA，發光效率η（效率η是指輻射的全部光功率P光與消耗電功率P的比值）與工作電壓U的關系曲線如圖乙所示。某實驗小組設計了如圖甲所示的實驗電路，用于探究該LED燈的電功率P隨電壓U變化的關系，并依據此實驗結果計算出該燈效率最大時的電阻RL及輻射的光功率P光。

實驗小組繪出了如圖丙所示的P-U圖，則該LED燈效率達最大時的電阻RL=Ω，輻射的光功率P光=W。

解析：我們既不能采用R=UI計算電阻RL、也不能用P=UI計算P光。

由圖乙可知，LED燈管效率達到最大時對應的工作電壓為2 V，又根據題圖丙可知工作電壓為2 V時燈管消耗的電功率P=2.0×10-2 W，此時工作電流I=P/U=1.0×10-2 A。由η=P光P×100%，解得P光=P×60%=1.2×10-2 W，此時有（P-P光）=I2RL，解得RL=80 Ω。

近年高考對物理實驗問題的考察難度相對較大，這就要求廣大教師在教學的各個環節高度重視物理實驗，持續培養和提升學生科學探究的能力，使學生在全面掌握實驗基本技能的同時，不斷提升創新思維能力，能靈活應用所學的物理知識求解情景新穎的實驗問題。只有這樣，學生才能在將來輕松面對高考，在高考中取得優異成績。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

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