2023年高考物理以實驗為背景的非實驗題分析與啟示

許 文

(華中科技大學附屬中學)

2023年高考全國卷與各新高考省份試題的題型和往年一樣,均為三個穩定的題型,即選擇題、實驗題與計算題。實驗題一般分為兩個小題,分別考查高中物理力學與電學中主要實驗的創新與拓展。但除實驗題型考查實驗內容之外,在2023年高考物理試題中的選擇題型與計算題型中,均出現了以實驗為背景的試題,這使問題的分析與求解更具有可操作的實驗探究性,同時也更進一步凸顯物理實驗在發展學生核心素養方面的重要地位和作用。試題引導高中開足開好實驗課,鼓勵學生開展各種科學探究活動,提高實驗技能和創新能力。本文通過對2023年高考物理幾道以實驗為背景的非實驗題型的分析,探索新課程理念下高考物理實驗復習備考策略。

一、試題分析

1.(2023全國乙卷第17題)一學生小組在探究電磁感應現象時,進行了如下比較實驗。用圖1(a)所示的纏繞方式,將漆包線分別繞在幾何尺寸相同的有機玻璃管和金屬鋁管上,漆包線的兩端與電流傳感器接通,兩管皆豎直放置。將一很小的強磁體分別從管的上端由靜止釋放,在管內下落至管的下端。實驗中電流傳感器測得的兩管上流過漆包線的電流I隨時間t的變化分別如圖1(b)和(c)所示。分析可知

(a)

( )

A.圖1(c)是用玻璃管獲得的圖像

B.在鋁管中下落,小磁體做勻變速運動

C.在玻璃管中下落,小磁體受到的電磁阻力始終保持不變

D.用鋁管時測得的電流第一個峰到最后一個峰的時間間隔比用玻璃管時的短

【命題立意】本題通過在幾何尺寸相同的有機玻璃管和金屬鋁管上自繞相同線圈,對比探究電磁感應現象。要求學生根據有機玻璃管和金屬鋁管對線圈中產生電磁感應現象的不同影響,從逆向思維角度考查學生的分析判斷能力、推理論證能力。通過本題的分析與求解,讓學生體會物理學習要注意動手實驗,對實驗現象的觀察、分析與比較,提升學生對物理實驗探究的興趣,發展學生的證據意識。

【解析】強磁體在鋁管中運動,鋁管中會形成渦流,強磁體在玻璃管中運動,玻璃管中不會形成渦流。強磁體在鋁管中加速后很快達到平衡狀態,做勻速直線運動,而玻璃管中的磁體則一直做加速運動,故由圖像可知圖1(c)的脈沖電流峰值不斷增大,說明強磁體的速度在增大,與玻璃管中磁體的運動情況相符,選項A正確;在鋁管中下落,脈沖電流的峰值一樣,磁通量的變化率相同,故小磁體做勻速運動,選項B錯誤;在玻璃管中下落,玻璃管為絕緣體,線圈的脈沖電流峰值增大,電流不斷在變化,故小磁體受到的電磁阻力在不斷變化,選項C錯誤;強磁體分別從管的上端由靜止釋放,磁體在鋁管線圈間做勻速運動,在玻璃管線圈間做加速運動,故用鋁管時測得的電流第一個峰到最后一個峰的時間間隔比用玻璃管時的長,選項D錯誤。

2.(2023全國甲卷第21題)(多選)一有機玻璃管豎直放在水平地面上,管上有漆包線繞成的線圈,線圈兩端與電流傳感器相連,線圈在玻璃管上部的5匝均勻分布,下部的3匝也均勻分布。下部相鄰兩匝間距離大于上部相鄰兩匝間距離,如圖2(a)所示?，F讓一個很小的強磁體在玻璃管內沿軸線從上端口由靜止下落,電流傳感器測得線圈是電流I隨時間t的變化如圖2(b)所示。則

(a)

( )

A.小磁體在玻璃管內下降速度越來越快

B.下落過程中,小磁體的N極、S極上下顛倒了8次

C.下落過程中,小磁體受到的電磁阻力始終保持不變

D.與上部相比,小磁體通過線圈下部的過程中,磁通量變化率的最大值更大

【命題立意】本題從經典的電磁阻尼現象演示實驗出發,從多個設問角度考查學生對電磁感應原理的深入理解和掌握。題中給出了實驗過程及實驗現象(或實驗數據),要求學生對實驗現象進行解釋,考查了科學探究中的“解釋”要素?！敖忉尅彪x不開科學思維維度等核心素養要素的參與。意在通過設置新穎的問題情境,增強試題的靈活性,考查學生閱讀理解、推理分析、遷移應用等關鍵能力和科學建模、實踐探究、科學論證等學科核心素養;引導學生領悟小實驗中所蘊含的大道理,形成認真嚴謹的科學態度。

【解后反思】以上兩題分別從不同角度考查了對電磁感應現象的探究。第1題從渦流的形成、電磁阻尼的角度對實驗現象對比設問;第2題從楞次定律、法拉第電磁感應定律的角度考查對電磁感應過程的理解與現象的分析。這兩題的實驗情景均來自當前人教版教材選擇性必修第二冊P29小實驗“做一做”(圖3)和P37練習與應用第3題(圖4)。試題將教材內容改編后呈現出來,兩題均將圖3中的單匝線圈變成了多匝線圈,將電壓表變成了電流傳感器,把記錄電壓表的示數以及發生的現象通過I-t圖像體現出來。試題與教材上小實驗的習題相比,雖然存在以上變化,但其考查的物理本質卻是相同的。

圖3

圖4

從知識考查的角度看,試題均定性考查了法拉第電磁感應定律、電磁阻尼、感應電流產生的條件等物理概念的認識與理解;從核心素養考查的角度看,試題主要考查了物理學科核心素養中物理觀念中的相互作用觀和運動觀、科學思維中的科學推理和科學論證以及科學探究中的分析與論證等要素;從考查能力的角度看,試題主要考查了學生的理解能力、模型建構能力、推理論證能力、創新能力和實驗能力。第2題命題人立足考生視角,很好地命制了干擾選項,把能夠分析物理過程本質的考生和“形式判斷”考生區分開來,如只從“形式判斷”的考生很可能根據圖2(b)感應電流方向周期性變化,誤認為磁體在管內有顛倒現象,從而錯選B。

3.(2023湖南卷第9題)(多選)某同學自制了一個手搖交流發電機,如圖5所示,大輪與小輪通過皮帶傳動(皮帶不打滑),半徑之比為4∶1,小輪與線圈固定在同一轉軸上。線圈是由漆包線繞制而成的邊長為L的正方形,共n匝,總阻值為R。磁體間磁場可視為磁感應強度大小為B的勻強磁場,大輪以角速度ω勻速轉動,帶動小輪及線圈繞轉軸轉動,轉軸與磁場方向垂直。線圈通過導線、滑環和電刷連接一個阻值恒為R的燈泡,假設發電時燈泡能發光且工作在額定電壓以內。下列說法正確的是

( )

A.線圈轉動的角速度為4ω

D.若僅將小輪半徑變為原來的兩倍,則燈泡變得更亮

【命題立意】本題以手搖交流發電機裝置為情境,考查學生對皮帶傳動裝置的理解與應用,理解正弦交流電的產生與描述,要求學生正確認識交流電的有效值,并能用有效值分析解決實際問題。通過以手搖交流發電機裝置實驗為背景,拉近學生與生活的距離,培養學生的物質觀念、運動觀念、相互作用觀念、能量觀念等物理觀念與科學探究、科學思維、科學論證等物理核心素養。

【解后反思】本題中手搖交流發電機是人教版選擇性必修第二冊P48的演示實驗,在演示實驗中,手搖交流發電機與不同顏色的兩二極管及電流計組成實驗電路,通過二極管的發光情況觀察線圈轉動過程中交流電的流向。試題將兩二極管與電流表換成一個小燈泡,通過小燈泡的亮度變化判斷燈泡兩端交流電壓有效值的變化。試題以此演示實驗裝置為背景,突出了課堂演示實驗在物理教學中的重大作用,體現了知識的應用價值,考查學生對物理學基礎知識的理解和基本技能的掌握與運用,在理解基本概念與基本規律的過程中感悟和體驗物理學的基本方法以及知識的形成過程,樹立起對科學、社會、人類正確的情感態度與價值觀。這種構題方式能更好地深化教材,做到理論聯系實際,培養創新意識和實踐能力。

圖6

(1)求油滴a與b的質量之比;

(2)判斷油滴a與b所帶電荷的正負,并求a、b所帶電荷量絕對值之比。

【命題立意】本題以密立根油滴實驗為情境,與科學實踐緊密結合,考查學生的受力分析、電場力、力的平衡條件的理解與運用能力。意在通過設置新穎的問題情境,增強試題的靈活性,考查學生閱讀理解、推理分析、遷移應用及應用數學分析處理物理問題等關鍵能力和科學建模、實踐探究、科學論證等學科核心素養;引導學生領悟經典物理實驗中所蘊含的物理思想,形成認真嚴謹的科學態度,倡導理論聯系實際,體現學以致用。

【解后反思】密立根油滴實驗被評為物理學史上十大經典實驗之一,高中物理各種版本的教材中都有對該實驗的介紹(如圖7)。本題以密立根油滴實驗為背景,將真實的實驗現象轉換為問題情境,讓學生對不同對象和不同過程進行對比分析與判斷,從中初步感受人類利用運動性質巧妙探究粒子帶電微粒電性與電荷量的研究方法。不僅讓學生了解密立根所用的基本實驗方法,更要借鑒與學習密立根采用宏觀的力學模式揭示微觀粒子的量子本性的物理構思、精湛的實驗設計和嚴肅的科學作風,從而更好地提高我們的實驗素質和能力。2022年廣東卷物理壓軸題也以密立根油滴實驗為情境命制,兩試題的物理情境和思維內核完全相同,均給定了油滴受到空氣阻力的大小的影響因素。只是影響因素略有不同。從命題角度來說,這里揭示了一種改編試題的方法,即對所給的關鍵條件進行適當合理的改變。從高考備考角度來說,高考真題才是經典中的經典,研做高考真題,以高考題為橋梁注重教材研讀,注重知識網絡建構和深度學習,這才是備考的上策。

圖7

二、教學啟示

物理學是一門以實驗為基礎的學科,實驗在物理學的研究與發展中有著不可替代的作用。新高考理念下的物理試題,除了保留傳統的實驗題型外,還在選擇題與計算題中植入了一定量的以實驗為背景的試題,在最近幾年的高考試題中均有體現。高考物理試題的這一新變化,明確告訴我們要加強物理實驗的教學與研究,對高考物理實驗的研究,不僅僅是針對教材中安排的學生分組實驗,對一些演示實驗、課外探究拓展性實驗,也要引起重視。我們要做到以下幾點:

1.對教材中的分組實驗、演示實驗或教材閱讀欄目中的介紹性、拓展性實驗,要充分地利用實驗室現有條件或身邊的一切可以利用的物品,或自制實驗器材,盡量讓學生親自動手實驗,給學生展示完整的實驗探究過程;對實驗中形成的結論分析,要求學生將理論與實驗相結合,培養學生的證據意識。

2.充分運用信息技術開展物理實驗教學研究。在當前的各種版本的新教材中,出現了大量的運用信息技術開展物理實驗的課程內容或素材資源。智能手機就是一個很好的信息技術工具,為一些探究性物理實驗的開展提供了技術支撐。在當前的學習環境下,引導學生充分利用好智能手機這一信息工具,開展實驗探究與體驗,能體現出“雙減”政策下的要求,提高學生的學習興趣,減少“機械刷題”現象,讓學生在實驗中掌握基本實驗原理、內化實驗方法,能舉一反三,主動地進行探究和深層次學習,吸引學生回歸教材、回歸課堂、回歸物理本真。

3.注重短視頻平臺中的一些科普小實驗,這些小實驗有可能作為高考題的原型。因條件限制,對不能動手展開的物理實驗,如原子核反應、人造衛星的發射與變軌、回旋加速器等反映當前最新科技成果的相關實驗,可讓學生觀看相關視頻素材,使學生形成一定的感性認識,再引導學生用所學的物理知識分析這些實驗中的思想方法,讓學生看圖說話,使教材中的這類實驗插圖成為原型啟發。關注科技的發展與應用,了解物理學在科技發展中的應用情況,嘗試用有關的物理知識和技能解釋科技成果及一些自然現象與生活中的問題,切實感受到物理知識的應用價值,獲得對物理思想方法的理解和感悟。