基于核心素養(yǎng)下的高考物理實驗題的研究

王 健

(保定市第二中學 河北 保定 071000)

實驗是物理學的基礎,是物理教學的重要內容,是培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)的重要途徑和方式.高考物理實驗試題的設計充分融入探究式學習理念,在引導學生對實驗進行實踐操作的情境下,凸顯學生探索創(chuàng)新精神的培養(yǎng),著眼于提升物理學科核心素養(yǎng)[1].物理實驗題作為高考的必考題目,既考查了科學探究過程,同時也考查了學生設計性思維和創(chuàng)新性思維等科學思維[2].高考全國新課標卷物理實驗試題本著“來源于教材而不拘泥于教材”的原則,以教材問題和經典模型為載體,設置不同層級的情境活動,以必備知識為支點,落實基礎教育對高考的現實要求,從而引導教學.試題注重在考查中深化基礎性,試題情境素材關聯呼應教材,題干設問注意與教材中的重點內容建立知識鏈接,引導教學重視教材、用好教材,促進課堂回歸教材、研究教材.本文以2023年高考全國新課標卷物理實驗試題為例,對考查的物理學科核心素養(yǎng)以及對物理實驗教學的啟示做一分析.

1 高考實驗試題分析

【例1】(2023年高考全國卷物理第22題)在“觀察電容器的充、放電現象”實驗中,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、單刀雙擲開關以及導線若干.

(1)用多用電表的電壓擋檢測電池的電壓.檢測時,紅表筆應該與電池的______(填“正極”或“負極”)接觸.

(2)某同學設計的實驗電路如圖1(a)所示.先將電阻箱的阻值調為R1,將單刀雙擲開關S與“1”端相接,記錄電流隨時間的變化.電容器充電完成后,開關S再與“2”端相接,相接后小燈泡亮度變化情況可能是______.(填正確答案標號)

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)將電阻箱的阻值調為R2(R2>R1),再次將開關S與“1”端相接,再次記錄電流隨時間的變化情況.兩次得到的電流I隨時間t變化如圖1(b)中曲線所示,其中實線是電阻箱阻值為______(填“R1”或“R2”)時的結果,曲線與坐標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,故電流表紅表筆應該與電池的正極接觸.

(2)電容器充電完成后,開始時兩極板電荷量較多,電勢差較大,當閉合“2”接入小燈泡,回路立即形成電流,燈泡迅速變亮;隨著時間的積累,兩極板電荷量變少,電勢差變小,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)開始充電時電容器兩極板不帶電,兩極板電勢差為零,設電源內阻為r,則開始充電時有E=I(R+r);

由圖像可知開始充電時實線的電流較小,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間的變化圖線,故曲線與坐標軸所圍面積等于該次充電完成后電容器上的電荷量.

評析：觀察電容器的充、放電現象,要求學生能夠正確使用多用電表,分析電阻大小對電容器充電電流隨時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:多用電表的使用,對充、放電過程的正確認識,圖像分析.

關鍵能力：實驗操作、分析現象、分析圖像.

核心素養(yǎng)：培養(yǎng)學生會觀察實驗現象、分析實驗現象、獲取證據、有安全意識,重點培養(yǎng)學生實驗觀察能力和科學推理能力.

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

【例2】(2023年高考全國卷物理第23題)一學生小組做“用單擺測量重力加速度的大小”實驗.

(1)用實驗室提供的螺旋測微器測量擺球直徑.首先,調節(jié)螺旋測微器,擰動微調旋鈕使測微螺桿和測砧相觸時,發(fā)現固定刻度的橫線與可動刻度上的零刻度線未對齊,如圖2(a)所示,該示數為______mm;螺旋測微器在夾有擺球時示數如圖2(b)所示,該示數為______ mm,則擺球的直徑為______mm.

圖2 例2題圖

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

(3)某次實驗所用單擺的擺線長度為81.50 cm,則擺長為______cm.實驗中觀測到從擺球第1次經過最低點到第61次經過最低點的時間間隔為54.60 s,則此單擺周期為______s,該小組測得的重力加速度大小為______ m/s2.(結果均保留3位有效數字,π2取9.870)

解析:(1)測量前測微螺桿與測砧相觸時,圖2(a)的示數為

d0=0 mm+0.7×0.01 mm=0.007 mm

螺旋測微器讀數是固定刻度讀數(0.5 mm的整數倍)加可動刻度(0.5 mm以下的小數)讀數,圖中讀數為

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,測量的擺角準確,但將角度盤固定在規(guī)定位置上方,即角度盤到懸掛點的距離變短,同樣的角度,擺線在刻度盤上掃過的弧長變短,故擺線在角度盤上所指的示數為5°時,實際擺角大于5°.

(3)單擺的擺線長度為81.50 cm,則擺長為

結果保留3位有效數字,得擺長為82.5 cm;一次全振動單擺經過最低點兩次,故此單擺的周期為

評析:本題將螺旋測微器與用單擺測量重力加速度大小融合在一起,考查獲取實驗數據、分析處理實驗數據、得出結論的基本實驗能力.

考查的必備知識:基本儀器螺旋測微器的讀數、研究用單擺測量重力加速度大小.

關鍵能力：基本儀器的讀數、實驗數據的處理.

核心素養(yǎng)：定性分析與定量計算相結合進行科學推理,獲取實驗數據,基于數據得出結論進行科學探究.

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第5節(jié)“實驗:用單擺測量重力加速度”.

2 教學啟示

(1)研讀課程標準,強化學科基礎知識

《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》要求:學校應充分利用已有的實驗器材,努力開發(fā)適合本校情況的實驗課程資源,盡可能讓學生自己動手多做實驗,提升學生的物理學科核心素養(yǎng)[3].

例1依據《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》必修3中3.2.1會使用多用電表以及3.1.6觀察電容器的充、放電現象[3].有利于學生聯系運動學中的速度-時間圖像中面積的意義,在電學中再現微元法的使用,增強學生利用圖像處理問題的能力,實現知識的整合,提高科學論證與數理結合的能力.

例2依據《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》選擇性必修1中1.2.2會用單擺測量重力加速度的大小.能對實驗器材進行規(guī)范操作,獲得實驗數據.認識實驗誤差是不可避免的,具有盡量減小實驗誤差的意識.能通過不同方式分析數據,獲得結論,并嘗試作出解釋[3].

實驗教學是物理教學的重要組成部分,在實驗教學中不能僅重結論,要通過再現實驗設計、操作過程來滲透物理思想,啟發(fā)學生思路,培養(yǎng)概括、分析、推理能力.因此,物理實驗教學中要保證基礎必備知識的牢固與完備,必須有堅實的概念性知識和程序性知識作保障,才能通過精心設計問題鏈重點突破如何總結實驗規(guī)律,解決實驗中出現的問題時如何明確思維方向等策略性知識[4].

(2)加強教材的深度研究,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.特別是應該高度關注教材中每一個環(huán)節(jié),包括教材“思考與討論”“科學方法”“拓展學習”“練習與應用”“復習與提高A組、B組”等,回歸學科知識本源.因此,不要去追求難題、偏題,而應重視學科能力的培養(yǎng),即學生的信息加工、邏輯推理、整合關聯、遷移應用和應用數學處理物理問題等關鍵能力.因此在課堂教學過程中要注重知識的生成過程,引導學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屬性及內在聯系;培養(yǎng)學生學習、體會科學的研究方法,全面發(fā)展學生的“科學思維”素養(yǎng).

總之,2023年的高考物理實驗試題平實穩(wěn)重、細膩深入,要求學生能根據要求靈活運用已學過的物理結論、實驗方法處理相關的實驗問題.這就要求教師在平時的教學穩(wěn)扎穩(wěn)打地把每一個教學細節(jié)處理好、復習備考抓住核心主干練熟講透,不斷加強對教材的深入研究.教材是學生學習物理的基礎,也是高考試題取材的主要來源,在教學和備考中要重視對教材的使用,通過生活中的問題情境,引導學生參與到概念、規(guī)律的形成和推導過程中來,形成系統(tǒng)的物理觀念.