高考物理实验试题的创意思想对高中物理实验教学的启示
高考物理实验试题的创意思想对高中物理实验教学的启示 近几年，江苏省普通高中学业水平测试说明中，选修物 理的学生需要掌握的学生实验一般有10多个，2015年明确列 出12个。江苏省高考物理实验考查一般也是以这些实验为基 础进行命题的。在每年的高考命题中，实验题部分由于受教 材所列学生实验的限制，可选择空间较小，高考实验题命题 更需要创意，才能让高考实验题既符合课程标准要求，又体 现新、活的高考选拔功能。纵观近几年江苏省高考物理试题，实验题部分无论从情 景呈现还是到能力考查，都充满了创意，年年出新，给人惊 喜。在细细品味充满智慧和创意的高考实验题之余，不难发 现，精彩背后有规律，创意之中显思想。深刻感悟高考命题 的创意思想对高中物理教学能起到十分有效的促进作用。
一、高考实验试题创意思想剖析 物理实验题呈现的基本方式一般是先选择一个实验场 景，再创设一个实验情节，然后从某一角度去描述或提出问 题。实验场景如同舞台布景，实验情节如同表现的故事情节， 而实验器材如同演员角色，这些要素组合叠加就会产生新的 创意。纵观近几年江苏高考实验试题，可以总结出高考实验 题具有以下几种创意特点。
1.旧场景，老角色，新角度 所谓旧场景、老角色，就是以学生熟悉的实验情景和实 验器材为试题背景，以新的角度来呈现问题实质，考查学生对物理实验思想理解情况和实验操作能力状况，这是高考物 理实验命题中常见的命题思想。这类问题给学生的感觉是似 曾相识，面带微笑，但往往是笑里藏刀，与平时所遇的实验 习题相比，这类高考题在原有问题的基础之上或横向拓展， 或纵向挖掘。
例1 （2013年江苏省高考物理卷第10题）为探究小灯泡 的电功率P和电压U的关系，小明测量小灯泡的电压U和电流I， 利用P=UI得到电功率。实验所使用的小灯泡规格为“3.0 V， 1.8 W”，电源为12 V的电池，滑动变阻器的最大阻值为10 Ω。
（1）准备使用的实物电路如图1所示。请将滑动变阻器 接入电路的正确位置（用笔画线代替导线）。
（2）现有10 Ω、20 Ω和50 Ω的定值电阻，电路中的 电阻应选________Ω的定值电阻。
（3）测量结束后，应先断开开关，拆除________两端 的导线，再拆除其他导线，最后整理好器材。
（4）小明处理数据后将P，描点在坐标纸上，并作出了 一条直线，如图2所示。请指出图像中不恰当的地方。
参考答案：（1）如图3所示；
（2）10；
（3）电池；
（4） 图线不应画为直线；
横坐标的标度不恰当。
评析：本题实验场景源于教材中的实验“测绘小灯泡的伏安特性曲线”（新课标人教版高中物理教材选修3-1第2章 第3节中的实验），考题基本场景与教材中的实验有许多共 同之处，包括实验器材选用、分压式供电和电流表外接法等。
在数据处理方法上也与教材中一样，采用图像法。不过，考 题在学生熟悉的场景下作了一些变化，第一，考查的角度作 了新的创意，实验的目的不再是“测绘伏安特性曲线”，而 是“探究电功率和电压的关系”；
第二，考题中的电路较教 材中的电路有改进，多了一个保护电阻，使实验更具可靠性。
显然，通过改变考查角度的创意使得本题内容已不完全是教 材中的实验内容，而是变化、拓展了的实验。采用学生熟悉 的实验场景但改变考查角度的创意思路在近年来的高考中 经常出现，如江苏省高考物理试卷2014年第10题，2015年第 10题，都是典型的改变考查角度的创意，这种思想应在高中 物理教学中予以高度重视。
2.旧场景，变角色，新故事 近年来出现一些高考实验题，同样是学生比较熟悉的实 验情景，但经过命题者精心创意，深度挖掘，演绎为一道考 查目标和能力要求完全不同于原来的新问题，如同在一个学 生熟悉的场景内讲述了一个全新故事。
例2 （2014年江苏省高考物理卷第11题）小明通过实验 验证力的平行四边形定则。
（2）仔细分析实验，小明怀疑实验中的橡皮筋被多次拉伸后弹性发生了变化，影响实验结果，他用弹簧测力计先 后两次将橡皮筋拉伸到相同长度，发现读数不相同。于是进 一步探究了拉伸过程对橡皮筋弹性的影响。
实验装置如下页图5所示，将1张白纸固定在竖直放置的 木板上，橡皮筋的上端固定于O点，下端N挂一重物。用与白 纸平行的水平力缓慢地移动N，在白纸上记录下N的轨迹。重 复上述过程，再次记录下N的轨迹。
2次实验记录的轨迹如下页图6所示。过O点作一条直线 与轨迹交于a、b两点，则实验中橡皮筋分别被拉伸到a和b时 所受拉力的大小关系为________。
（3）根据（2）中的实验，可以得出的实验结果有________ （填写选项前的字母）。
（A）橡皮筋的长度与受到的拉力成正比。
（B）两次受到的拉力相同时，橡皮筋第2次的长度较长。
（C）两次被拉伸到相同长度时，橡皮筋第2次受到的拉 力较大。
（D）两次受到的拉力相同时，拉力越大，橡皮筋两次 的长度之差越大。
（4）根据小明的上述实验探究，请对验证力的平行四 边形定则实验提出两点注意事项。
（2）当N端在水平力作用下，停留在a或b时，设橡皮筋与竖直方向的夹角为θ，根据共点力的平衡条件可得。
（3）由（2）的结论可知，N在a、b两位置，橡皮筋两 次所受的拉力相同，橡皮筋第1次长度小于第2次长度，由此 可得，（A）错误，（B）正确。两次被拉伸到相同长度时， 橡皮筋第2次受到的拉力较小，（C）错误；
根据轨迹越向右 相差越多，说明两次受到的拉力相同时，拉力越大，橡皮筋 两次的长度之差越大，（D）正确。
（4）根据上述实验探究，在做“验证力的平行四边形 定则”实验时，一是橡皮筋拉伸不宜过长，或拉力不宜过大；
二是选用弹性好的橡皮筋。
评析：验证力的平行四边形定则的学生实验，已经不知 道多少次出现在高考试卷上。表面上看本题仍然是考查验证 力的平行四边形定则相关实验知识，但实质上除第（1）问 外，已经将原来的实验验证演绎为一个全新的实验探究。试 题抓住实验中完全可能出现的橡皮筋弹性改变这一真实情 况，并围绕这一点，创意设计了探究实验中橡皮筋弹性改变 对实验结果带来影响的相关问题，考查了学生在较为真实的 实验背景中对力的平衡规律和平行四边行定则的把握和应 用能力，也考查了学生旧场景中出现新问题的灵活应对能力， 并且在最后一问又从实验改进角度提出问题，回归实验考查 的基本要求。本题源于教材，深于教材，最后又回归教材， 较好地体现了新课程的实验探究理念和高考改革方向，是一 道体现创意、有效创新的好题。这种从学生熟悉的实验场景出发深度挖掘实验中的某一方面的创意值得我们学习借鉴。
3.新场景，老角色，新故事 一般高考实验题，都是以学生熟悉的实验场景为基础进 行创意、演绎，但2015年江苏高考物理试卷实验题做了大胆 突破，以学生熟悉的打点计时器为主要测量工具，全新创意， 设计了一个探究电磁阻尼运动的实验，令人拍案叫绝。
例3 （2015年江苏省高考物理卷第11题）某学生探究小 磁铁在铜管中下落时受电磁阻尼作用的运动规律。实验装置 如下页图8所示，打点计时器的电源为50 Hz的交变电流。
（1）下列实验操作中，不正确的有________ （A）将铜管竖直地固定在限位孔的正下方。
（B）纸带穿过限位孔，压在复写纸下面。
（C）用手捏紧磁铁保持静止，然后轻轻地松开让磁铁 下落。
（D）在磁铁下落的同时接通打点计时器的电源。
（2）该学生按正确的步骤进行实验（记为“实验①”）， 将磁铁从管口处释放，打出1条纸带，取开始下落的1段，确 定一合适的点为O点，每隔1个计时点取1个计数点，标为1， 2，…，8。用刻度尺量出各计数点的相邻两计时点到O点的 距离，记录在纸带上，如图9所示。
计算相邻计时点间的平均速度v，粗略地表示各计数点的速度，抄入表1。请将表中的数据补充完整。
（3）分析上表的实验数据可知：在这段纸带记录的时 间内，磁铁运动速度的变化情况是________；
磁铁受到阻尼 作用的变化情况是________。
（4）该学生将装置中的铜管更换为相同尺寸的塑料管， 重复上述实验操作（记为“实验②”），结果表明磁铁下落 的运动规律与自由落体运动规律几乎相同。请问实验②为了 说明什么？对比实验①和②的结果可得到什么结论？ 参考答案：（1）（C）、（D）；
（2）39.0；
（3）逐 渐增大到39.8 cm/s，逐渐增大到等于重力。（4）为了说明 磁铁在塑料管中几乎不受阻尼作用；
磁铁在铜管中受到的阻 尼作用主要是电磁阻尼作用。
评析：打点计时器是高中物理实验中学生非常熟悉的老 角色，许多描述运动规律的实验都离不开打点计时器，因而 打点计时器也成为高考实验的老面孔，但在本题中老面孔上 演了一出全新的剧目。电磁阻尼运动是一个加速度逐渐变小 的变加速运动，并不在教材所列学生实验范围内，对学生而 言，这是一个全新的实验场景，而且，变加速直线运动也不 是学生实验所要求的实验内容，因此，实验情节也相当于一 个全新的故事。但本题创意巧妙，将似乎不可能的事变成了 可能。认真研究本题，我们觉得这样的考查方式新颖但不过 分，有理有据，完全是学生可以接受的实验考查方式，也是能有效考查学生实验能力的好题、妙题，这样的命题方式值 得高中物理教师警觉和重视。
4.新场景，新角色，老故事 选择全新的实验场景，使用全新的实验器材和装置，让 学生在全新环境中解决学生所熟悉的物理知识相关问题，展 示其实验能力，是近年来高考命题的新潮流和新方向。这类 问题对学生而言，面目全新，但实验原理、实验方法以及数 据处理的过程都是学生应该熟悉和掌握的，就如同新角色在 新场景中演绎一个传统经典的故事。
例4 （2013年江苏省高考物理卷第11题）某兴趣小组利 用自由落体运动测定重力加速度，实验装置如图10所示。倾 斜的球槽中放有若干个小铁球，闭合开关S，电磁铁吸住第1 个小球。手动敲击弹性金属片M，M与触头瞬间分开，第1个 小球开始下落，M迅速恢复，电磁铁又吸住第2个小球。当第 1个小球撞击M时，M与触头分开，第2个小球开始下落……这 样，就可测出多个小球下落的总时间。
（1）在实验中，下列做法正确的有________ （A）电路中的电源只能选用交流电源。
（B）实验前应将M调整到电磁铁的正下方。
（C）用直尺测量电磁铁下端到M的竖直距离作为小球下 落的高度。
（D）手动敲击M的同时按下秒表开始计时。（2）实验测得小球下落的高度H=1.980 m，10个小球下 落的总时间T=6.5 s。可求出重力加速度g=________（结果 保留2位有效数字）。
（3）在不增加实验器材的情况下，请提出减小实验误 差的2个办法。
参考答案：（1）（B）、（D）；
（2）9.4；
（3）①增 加小球下落的高度；
②多次重复实验，结果取平均值（其他 答案只要合理也可）。
评析：高中物理实验中，研究自由落体运动是一个经典 的话题，学生对利用打点计时器、频闪照片记录物体作自由 落体运动等实验方法，以及用逐差法处理数据应该非常熟悉。
但在本题中，命题者避开传统的实验器材和方法，设计了一 个全新实验场景来研究自由落体运动，让人耳目一新。尽管 场景很新，但讲述的是一个经典的老故事。对学生而言，解 决本题首先要根据题中说明，读懂实验装置，理解题中“测 出多个小球下落的总时间”这一关键信息，不管场景如何新 颖，器材如何复杂，最重要的是要认识到本题研究的是自由 落体运动这一经典物理过程，测量的是多个小球自由下落的 总时间，至此，学生解决本题应该水到渠成。
二、对高中物理实验教学的几点建议 尽管高考实验试题年年出新，但其基本创意思想不外是实验场景、实验器材、实验情节和呈现的角度几个要素的叠 加组合。因此，教学中我们应该溯本求源，抓住关键。
（1）抓基础，重细节，重视学生的基本实验素养的养 成。平时实验教学中对学生应知会的知识和技能要一着不让， 抓好过关训练，如螺旋测微器的使用、打点计时器的应用和 逐差法数据处理的方法、滑动变阻器的接线方式，电压表、 电流表的读数等等必须一一过关，这是解决实验问题的基础。
（2）转角度，求变化，努力提高学生的实验迁移能力。
实验教学不能满足于学生能完成教材所列的学生实验，要加 强学生实验的变式训练，让学生在实验场景、实验器材、实 验情节的经常变化中体会实验创意的基本思路，掌握实验要 素重组、整合的基本规律，勇于面对新角度、新方法和新问 题，不断提高实验迁移能力。
（3）抓根本，循规律，实现理论教学与实验教学的融 会贯通。不管什么物理实验，其关键都是指向基本物理规律， 我们不能割裂物理理论教学和实验教学的联系，只有通过物 理实验才能形成理论，真正理解了物理规律，才能有效指导 实验。高考物理实验年年考，年年新，只有让学生真正理解 物理规律，掌握研究问题的方法，才能做到以不变应万变。