管窥高考物理实验题命题改革的方向

方永根

摘要：本文通过对2008年全国高考理科综合能力测试（全国卷Ⅰ）的两个物理实验题的分析，揭示了高考物理实验题改革的方向，即遵循《考试大纲》，考查的内容、要求和方法源于教材又超出教材，着重考查考生面对实验问题时“能灵活地运用已学过的物理理论、实验方法和实验仪器去处理问题”的实验能力。

关键词：高考物理实验题；方向；能力

中图分类号：G633.7 文献标识码：A文章编号：1003-6148(2009)5(S)-0050-3

2008年全国高考理科综合能力测试（全国卷Ⅰ）的两个物理实验题是近年高考物理实验题中难得一见的好题，试题情景新，但考查的内容、要求和方法源于《考试大纲》要求的教材实验，要求考生面对新的实验问题时“能灵活地运用已学过的物理理论、实验方法和实验仪器去处理问题”,体现了高考物理实验题命题改革的方向，对中学物理实验教学有较好的指导作用。下面分别对其进行分析和点评。

Ⅰ.（6分）如图1所示，两个质量各为m1和m2的小物块A和B，分别系在一条跨过定滑轮的软绳两端，已知m1＞m2，现要利用此装置验证机械能守恒定律。

（1）若选定物块A从静止开始下落的过程进行测量，则需要测量的物理量有______。（在答题卡上对应区域填入选项前的编号）

① 物块的质量m1、m2。

② 物块A下落的距离及下落这段距离所用的时间；

③ 物块B上升的距离及上升这段距离所用的时间；

④ 绳子的长度。

（2）为提高实验结果的准确程度，某小组同学对此实验提出以下建议：

① 绳的质量要轻；

② 在“轻质绳”的前提下，绳子越长越好；

③ 尽量保证物块只沿竖直方向运动，不要摇晃；

④ 两个物块的质量之差要尽可能小。

以上建议中确实对提高准确程度有作用的是________。（在答题卡上对应区域填入选项前的编号）

（3）写出一条上面没有提到的提高实验结果准确程度有益的建议：________________________________________。

考点和命题意图剖析 本题考查考生对“验证机械能守恒定律”实验原理和过程的理解及其迁移运用能力。

教材实验分析 验证机械能守恒，就是在重物下落过程中选择两个物理状态，通过测量一系列物理量来验证“重物从初状态到末状态的过程中重力势能的减少等于动能的增加”。初状态是重物在高h处时，末状态是重物下落h时，从初状态到末状态的过程中重物重力势能的减少为mgh，动能的增加为12mv2。可见涉及到的物理量有m、g、h、v四个，由于是同一个物体，不需要测m，g取当地的数值，所以需要直接测量的是h，间接测量的是v，测量v的根据是“时间t内的平均速度等于该段时间中点t2时刻的瞬时速度”。在实验过程中要提高实验结果的准确程度，就是要保证上述物理量的测量准确。

考题解析 首先确定两个状态，初状态是小物块A、B都静止时，末状态是小物块A下落或小物块B上升一定高度时，从初状态到末状态的过程中重力势能的减少为（m1－m2）gh，动能的增加为12(m1+m2)v2。g取当地的数值，不需要测量；由于是两个不同物体，并且重力势能的减少的表达式中是（m1－m2），动能的增加的表达式中是（m1＋m2），所以需要测量m1、m2；小物块A下落的距离h可以直接测量，速度不能直接测量，又如何测量呢？由v=at和h=12at2有v=2ht，所以通过测量h、t可以间接测量速度v。由于物块A下落的距离和所需时间与物块B上升的距离和所需时间相等，物块A和B的速度大小始终相等，所以第（1）问中的②、③选一个即可，答案为①②或①③。

第（2）和（3）问都是关于提高实验结果的准确程度，分析的出发点是看操作方法是否保证上述物理量测量准确。如果绳有一定的质量，绳就有重力势能和动能的变化，而关系式中并不包括绳的重力势能和动能变化，所以绳应为轻绳；绳的长度对测量距离h的准确程度没有影响；如果物块不是沿竖直方向运动，有晃动，那么用v=2ht得到的速度就小于真实速度，并且物块A和B的速度大小不相等；如果两个物块的质量之差太小，（m1－m2）和速度都太小，重力势能的减少值和动能的增加值都太小，不便于验证，同样两个物块的质量之差太大也不好。所以第（2）问的答案为①③。

第（3）问的答案具有开放性，有利于提升学生的创新性思维，是今年高考物理试题的闪光点。

点评 本题源于教材又高于教材，不同之处是教材中研究对象是一个，本题研究对象有两个，但实验的思路是相同的，即通过测量得到重力势能的减少值和动能的增加值，并比较二者是否相等。其高于教材之处即要求考生在理解教材实验为什么不需要测重物质量的基础上，分析得出本实验需要测小物块A、B的质量；在知道需要测速度的基础上，结合实验具体过程，根据匀变速运动规律，寻找间接测量速度的方法。这种源于教材的变形题，对中学物理的实验教学有非常好的指导作用。

Ⅱ.（12分）一直流电压表，量程为1V，内阻为1000Ω。现将一阻值为5000~7000Ω之间的固定电阻R1与此电压表串联，以扩大电压表的量程。为求得扩大后量程的准确值，再给定一直流电源（电动势E为6~7V，内阻可忽略不计），一阻值R2=2000Ω的固定电阻，两个单刀开关S1、S2及若干导线。

（1）为达到上述目的，将答题卡上对应的图连成一个完整的实验电路图。

（2）连线完成以后，当S1与S2均闭合时，电压表的示数为0.90V；当S1闭合，S2断开时，电压表的示数为0.70V。由此可以计算出改装后电压表的量程为__________V，电源电动势为__________V。

考点和命题意图剖析 综合考查两个实验考点，即“把电流表改装为电压表”和“测定电源的电动势和内阻”，要求考生根据给定的实验条件，设计实验完成实验任务。实验条件的给出具有隐蔽性，考查考生用已学过的物理理论、实验方法和实验仪器去分析问题和解决问题的能力。

教材实验分析 由“把电流表改装为电压表”可以引申出“改装电表”系列实验，共同之处是要先根据分流或者分压原理计算需要并联或者串联的电阻的阻值。“测定电源的电动势和内阻”也可以引申出系列实验。本题给定的实验条件和实验电路图与教材有所不同，共同之处是根据闭合电路欧姆定律列方程求解。

考题解析 分析设计性实验问题的四个步骤是：首先，清楚实验任务是什么；其次，明白给定的实验条件有哪些；然后，回忆已学过的哪些物理理论、实验方法和实验仪器可以完成这样的实验任务；最后，根据这些条件、要求，利用学过的实验方法，设计实验，完成任务。

本题的任务是“求得扩大后量程的准确值”。给定的实验条件有：量程和内阻已知的电压表、阻值在5000～7000Ω之间的定值电阻R1、与开关S2配合使用的定值电阻R2（类似一个电阻箱，只是只能取0、2000Ω两个值）、内阻可忽略的电源E、开关S1和若干导线。根据在“把电流表改装为电压表”中学过的物理理论，“扩大后量程的准确值”U璵=r璯+R1r璯，r璯和U0是已知的，所以“求得扩大后量程的准确值”实际上就是要求测量定值电阻R1的准确值，即实验任务转换为：用给定的实验条件测R1的准确值，同时测量电源电动势E。这时就要求考生想到如何迁移运用在“测定电源的电动势和内阻”实验中学到的方法。

将R1视为电源的内阻，实验器材实际上是：一只内阻r璯已知的电压表、一个只有两个取值的类似电阻箱。由于电压表只能测自身两端的电压，即r璯两端的电压，考生会想到两种方法，一是R2与电压表的内阻r璯并联，通过开关S2改变R2的取值，得到两组电压表示数和R2的取值，即（U1,R21）和（U2,R22），但由于闭合开关S2后电压表读数为零，所以这种方法不恰当；二是R2与电压表的内阻r璯串联，通过开关S2改变R2的取值，得到两组数据，即（U1,R21）和（U2,R22），R21=0，R22=2000Ω，根据闭合电路欧姆定律列方程求解，这种方法就是正解。

第（1）问，在连接实验电路图时，关键是明确待测电阻R1、电压表和定值电阻R2是串联，开关S2与定值电阻R2并联，以取得0和2000Ω两个有效电阻值。实验电路图如图3。

第（2）问，根据闭合电路欧姆定律列出的两个方程分别是

E=U1r璯(r璯+R1+R21)和

E=U2r璯(r璯+R1+R22)，

解得E=6.3V，R1=6000Ω，

由U璵=r璯+R1r璯U0

得U璵=7V。

点评 本题要求运用学过的两个实验的原理和方法，设计实验完成实验任务，要求考生按分析设计性实验问题的四个步骤进行分析。本题考查了两个实验考点，都不同于教材实验，侧重于对这两个实验的实验原理和实验方法的迁移运用能力的考查。本题是把小量程的电压表改装成大量程的电压表，不同于“把电流表改装为电压表”，但原量程U0、扩大后量程U璵、内阻r璯和并联的电阻R1之间关系的确定方法是相似的。本题的特别之处是要求将R1视为电源的内阻，用一只电压表和一个类似电阻箱测定电源的电动势和内阻，不同于教材上用一只电压表、一只电流表和滑动变阻器测定电源的电动势和内阻，但实验原理都是闭合电路欧姆定律。

附：答案

Ⅰ.（1）①②或①③；

（2）①③；

（3）例如，“对同一高度多次进行测量取平均值”；“选取受力后相对伸长尽量小的绳”等等。

Ⅱ.（1）参考答案图如图3。

（2）7；6.3。

(栏目编辑陈 洁)