高考（北京卷）物理关于能力考查的思考与实践之三--对实验能力的思考与实践

高考（北京卷）物理关于能力考查的思考与实践之三--对实验
能力的思考与实践
杨君;任涛
【期刊名称】《高中数理化》
【年(卷),期】2015(000)007
【总页数】5页(P27-31)
【作者】杨君;任涛
【作者单位】北京教育考试院;北京教育考试院
【正文语种】中文
《普通高等学校招生全国统一考试(北京卷)考试说明》(以下简称《(北京卷)考试说明》)结合笔试高考的特点,就实验方面能力的要求分别对在基础层次的实验能力和较高层次的探究能力进行了要求．这方面能力的构成含有4个要素.
1) 了解基本仪器的主要性能和使用方法,根据需要能合理选择和正确使用基本仪器．
2) 理解实验原理和方法,能控制实验条件,排除实验故障,正确进行观察、测量、记录实验现象和实验数据．
3) 分析和处理实验数据,对实验结果进行描述和解释,对误差进行初步分析和讨论,评价实验结论．
4) 依据已有资源,设计简单实验,组合实验器材,拟定实验步骤,探究所要解决的问题．上述有关实验方面4个要素的叙述顺序,对实验能力的要求是不断深化的．它为命
题者提供了考查实验的目标和命题的依据,也为评价试题提供了参考标准．
自2004年北京市自主命题以来,有关物理实验方面试题的编制、组题、测量和评价基本上是按照上述4个要素进行的．
从测量结果来看，首先,分数的高低的确能比较客观地反映考生在实验方面的能力水平．其次,这种命题方式可以让不同层次的考生在知识和能力上充分展示自己的水平．
下面以2007年和2013年北京理综试卷第21题为例，对此类试题的立意、能力考查维度并结合考后数据进行解析．
例1 (2007年北京卷) (1) 图1是电子射线管示意图．接通电源后,电子射线由阴极沿x轴方向射出,在荧光屏上会看到一条亮线．要使荧光屏上的亮线向下(z轴负方向)偏转,在下列措施中可采用的是________．(填选项代号)
A 加一磁场,磁场方向沿z轴负方向;
B 加一磁场,磁场方向沿y轴正方向;
C 加一电场,电场方向沿z轴负方向;
D 加一电场,电场方向沿y轴正方向
(2) 某同学用图2所示的实验装置研究小车在斜面上的运动．实验步骤如下:
A 安装好实验器材．
B 接通电源以后,让拖着纸带的小车沿平板斜面向下运动,重复几次．选出一条点迹比较清晰的纸带,舍去开始阶段密集的点迹,从便于测量的点开始,每2个打点间隔取一个计数点,如图3中0，1，2…6点所示．
C 测量1，2，3...6计数点到0计数点的距离,分别记作s1，s2，s3 (6)
D 通过测量和计算,该同学判断出小车沿平板做匀加速直线运动．
E 分别计算出s1，s2，s3…s6与对应时间的比值
F 以为纵坐标、t为横坐标,标出与对应时间t的坐标点,画出-t图线．
结合上述实验步骤,请你完成下列任务:
① 实验中,除打点计时器(含纸带、复写纸)、小车、平板、铁架台、导线及开关外,在下面的仪器和器材中,必须使用的有______和______．(填选项代号)
A 电压合适的50 Hz交流电源;
B 电压可调的直流电源;
C 刻度尺;
D 秒表;
E 天平;
F 重锤
② 将最小刻度为1 mm的刻度尺的0刻线与0计数点对齐,0，1，2，5计数点所在位置如图4所示,则s2=________cm,s5=________cm．
③ 该同学在图5中已标出1，3，4，6计数点对应的坐标点,请你在该图中标出与
2、5两个计数点对应的坐标点,并且画出图线．
④ 根据图线判断,在打0计数点时,小车速度v0=________m·s-1;它在斜面上运动的加速度a=________m·s-2．
答案(1)B;
(2) ①A,C; ② (2.97～2.99),(13.19～13.21); ③ 如图6; ④0.18,4.8.
分析这道题分2个实验考查了考生多方面的实验能力．本题强调了理解实验原理和方法的重要性,要求考生会选择、使用仪器,在实验中会观察、分析实验现象,会记录、处理实验数据,并得出准确结论，能灵活地运用已学过的理论、方法和仪器去处理相关的实验问题．
第(1)小题源于教材,是教师在讲解洛伦兹力时应做的演示实验——电子射线管．这一小题涉及的物理知识有带电粒子在静电场的作用下做加速直线运动,运动的带电粒子在静电场的作用下发生偏转,磁场对运动电荷的作用——洛伦兹力,运动电荷在垂直于磁场的平面内做圆周运动,运动的合成与分解等．这一小题还考查了考生对
电子射线管的认识和了解,并对他们的空间想象能力进行了考查．
演示实验是中学物理实验教学的重要组成部分,是中学物理教学过程的重要环节和手段．在高中物理教学中,讲到磁场对运动电荷的作用或者讲到电场对电荷作用时,总是要做第(1)小题所述的电子射线管演示实验．题目明确指出“接通电源后,电子射线由阴极沿x轴方向射出……要使亮线向下(z轴负方向)偏转”,因为静电场作用在电子上的电场力方向与电场方向相反,欲满足题目要求外加电场方向只能是z轴正方向,由此可以判定选项C、D都是错误的．又因为磁场对运动电荷的作用力——洛伦兹力,总与磁场方向和运动电荷速度方向垂直,故外加磁场方向不能在Oxz平面内,选项A是错误的．用左手定则判定选项B是正确的．这一小题应该算是容易且基本的题,但是在本次考试中有约31%的考生没有答对．其原因可能是没有弄清电子射线管的构造和工作原理，也可能考生是没有分清左、右手定则，还可能是空间想象能力不够…… 总之,从这道小题暴露出我们在平时教学中对演示实验的重视程度还有些不足,选择此题的目的在于促进中学物理实验教学的改进．
第(2)小题是以学生做过的实验“练习使用打点计时器”“研究匀变速直线运动”“测定匀变速直线运动的加速度”“验证机械能守恒”等实验为背景设计成的一道力学实验题．实验中涉及的相关知识,在《考试说明》中大部分都属于Ⅱ类要求．题目考查了考生在力学实验中选择实验所需仪器和器材的能力,考查了在长度测量中刻度尺的读数,题目还考查了学生加工图象、获取信息的能力以及处理实验数据的能力．
在探究规律和进行测量中经常用到图象的方法,为了准确掌握物理量之间的变化规律,经常采用的方法是将规律变化的曲线通过变换坐标改为直线．第(2)小题的关键也在于此．根据匀变速直线运动的位移公式:at2,位移s和时间t是二次函数,在直角坐标系中是一条曲线,若将位移公式两边都除以t,则可得at,这样变量)与t成一次函数．在以变量)为纵轴,以t为横轴的直角坐标系中该图线是一条直线,该直线在纵
轴上的截距就是初速度v0,图线的斜率是物体运动加速度的一半a)．具有这样的分析问题解决问题的能力,解此题不会遇到困难．
在第(2)小题中, ① 因为要利用打点计时器来研究在斜面上小车的运动,所以除了打
点计时器(含纸带、复写纸)、小车、平板、铁架台、导线及开关外,还应选用使打点计时器能工作的交流电源和测量计数点间距离的刻度尺．因为电磁打点计时器需要的电压是6 V左右,而电火花式打点计时器需用220 V交流电源,所以选项A叙述为:“电压合适的50 Hz交流电源”．② 因为用最小刻度为1 mm的刻度尺分别
测量2、5计数点到0计数点间的距离,因此最后结果应估读到0.1 mm．考虑到打点针打点时因为纸带运行会出现点迹拖尾现象,那么测量时应以点迹开始位置为采
样点,测量结果应为s2=2.98 cm、s5=13.20 cm．③ 因为s2=2.98 cm与时间
t2=0.08 s相对应,两者相除得到=37.25 cm·s-1．将t2和描在坐标纸上,就得到2
计数点的坐标点．同理s5=13.20 cm与t5=0.20 s相对应,可得=66.00 cm·s-1,又得到5计数点的坐标点．根据与时间t是线性关系,将坐标纸上的6个坐标点用直
线连接起来,此直线尽量通过更多的点并让其余的点均匀分布在直线的2侧．这条
直线就是此问的解．④-t直线与纵轴的截距即为初速度-t直线的斜率等于2.4m·s-2,恰是小车运动加速度的一半,那么小车运动的加速度为4.8 m·s-2．
纵观全题的设计: (1) 考查了电学中的演示实验．(2) 考查了一道比较新颖的力学实验．试题较全面地由浅入深地考查了属于实验能力的“1)了解基本仪器的主要性能和使用方法,根据需要能合理选择和正确使用基本仪器．2)理解实验原理和方法,能
控制实验条件……测量、记录实验现象和实验数据．3)分析和处理实验数据,对实验结果进行描述和解释等”，以及属于探究能力的“4)依据已有资源,设计简单实验,
组合实验器材,拟定实验步骤,探究所要解决的问题”等4个要素．
例2 (2013年北京卷) 某同学通过实验测定一个阻值约为5 Ω的电阻Rx的阻值．(1) 现有电源(4 V,内阻可不计)、滑动变阻器(0～50 Ω,额定电流2 A)、开关和导线
若干以及下列电表:
A 电流表(0～3 A,内阻约0.025 Ω);
B 电流表(0～0.6 A,内阻约0.125 Ω);
C 电压表(0～3 V,内阻约3 kΩ);
D 电压表(0～15 V,内阻约15 kΩ)
为减小测量误差,在实验中,电流表应选用______,电压表应选用______(填器材前的字母);实验电路应采用图7中的______(填“甲”或“乙”)．
(2) 图8是测量Rx的实验器材实物图,图中已连接了部分导线．请根据在(1)问中所选的电路图,补充完成图8中实物间的连线．
(3) 接通开关,改变滑动变阻器滑片P的位置,并记录对应的电流表示数I、电压表示数U．某次电表示数如图9所示,可得该电阻的测量值=________Ω(保留2位有效数字)．
(4) 若在(1)问中选用甲电路,产生误差的主要原因是________;若在(1)问中选用乙电路,产生误差的主要原因是________．(填选项前的字母)
A 电流表测量值小于流经Rx的电流值;
B 电流表测量值大于流经Rx的电流值;
C 电压表测量值小于Rx两端的电压值;
D 电压表测量值大于Rx两端的电压值
(5) 在不损坏电表的前提下,将滑动变阻器滑片P从一端滑向另一端,随滑片P移动距离x的增加,被测电阻Rx两端的电压U也随之增加,下列反映U-x关系的示意图中正确的是________．
答案(1)B,C,甲;
(2)如图10；
(3)5.2；
(4)B,D；
(5)A.
分析本题是《考试说明》中要求的学生实验．试题以学生熟悉的“伏安法测电阻”实验为背景,以考查电表的选择和使用、电路的选择和实物连线、滑动变阻器的使
用等实验基本技能为切入点,比较全面地考查了实验原理、实验操作、实验分析等
实验环节．
第(1)问考查电表及电路的选择．题目给出了被测电阻的大致阻值、电源和滑动变
阻器的基本参数,要求考生根据实验需求选择电流表、电压表和测量电路．解答时
需要考生对“伏安法测电阻”的实验原理、电表的使用及电表内阻对实验的影响等有深入的理解．
第(2)问考查实物连线．题中已连接了部分导线,要求考生根据第(1)问中选择的电路补充完成实物连线,目的在于考查考生的实验操作能力．如果考生在平时的考生实
验中认真做过实验,真正自己连接过实验线路,应该就能顺利做答．创设学生进行实
验的条件,引导学生认真对待实验操作,应是中学物理教学的重要任务之一．
此问中考生答卷的典型错误有:线路连接与前一问选择的电路不符,选择甲图却按乙
图连线,或选乙图却按甲图连线;部分考生在连线图中多连线或错连线．
第(3)问考查电表读数和数据使用．正确从指针指示位置读取数据,并利用相关直接
测量数据进行有关计算,是中学物理实验的基本要求．这一问考生的主要错误是没
有注意到结果要求保留2位有效数字,将结果写成“5.20”;部分考生计算错误,将结果写成“52”或“0.52”;也有部分考生因量程选择错误导致读数错误和计算错误．第(4)问考查电表内阻对实验的影响及对误差的初步分析．要求考生结合电路正确
理解实际电表的内阻对电路中电流、电压的影响．
第(5)问考查滑动变阻器在限流电路中对电压的调控作用．要求考生对滑动变阻器
滑片的移动与电路中电阻变化的关系、电阻变化与被测电阻电压变化的关系有比较
深刻的理解．
根据题目叙述可以确定,当x0=0时,被测电阻Rx两端的电压U应该最小,即此时滑动变阻器的全部电阻(R0=50 Ω)都接入了电路,此时被测电阻Rx两端的电压
E≈0.36 V;当时(l为滑片能够滑行的总距离),滑动变阻器接入电路的电阻R1=25 Ω,对应被测电阻Rx两端的电压E≈0.67 V;当x2=l时,滑动变阻器接入电路的电阻
R2=0,对应被测电阻Rx两端的电压E≈4 V．根据(x0,U0)、(x1,U1)和(x2,U2)这3个坐标点,就能判断U随x变化的大致规律应该是先慢后快．所以选项A正确．在实验的基础上,对实验过程中某些环节进行适当分析,尤其是对一些重要的实验现象、实验操作和实验结果进行分析,在北京市高考的物理试题中经常出现,目的是引导中学物理教学要重视学生深入体验实验研究的全过程．
纵观该题,这是一个以规定的学生实验为背景的试题,题目所涉及的知识内容、问题情景以及思维难度都不大,只要考生掌握相关的基础理论知识,理解实验原理和方法,认真、规范地做过这个实验,正确解答并不困难．试题体现了物理学科的特色,对中学物理实验教学与实验复习具有较好的导向作用．
大家知道,用笔试的方式来考查考生的实验能力是十分困难的．因为十分重要的实验观察能力、动手操作能力等是无法通过笔试的方式进行考查和展示的．北京教育考试院组织各方面的专家、教师、学生进行测量和调研．经过多年理论上的探索,并在命题方法、考试测量、评价结果等实践活动中不断总结,将可以对学生实验水平进行考查的要求分成4个要素,分别置于《(北京卷)考试说明》基础层次的“实验能力”和较高层次的“探究能力”中．
构成实验方面能力的4个要素由低到高顺序排列,在高考命题中很容易体现这4个要素,编制试题可操作性较强．经每次考试后的调查、评论等反馈的信息说明,这种命题形式和考查方法学生比较适应,教师也给予足够的认可和支持．考试后对北京市全样本分数统计结果表明,实验题的通过率与理科综合成绩相关性很好,说明考生
的成绩能够真实地反映自己的实验水平．
广大教师认为，实验方面能力的4个要素为平时教学工作指明了方向, 有利于改进中学物理实验教学与实验复习,有利于引导中学物理教学走出题海,回归到落实新课标和教材规定的知识内容与能力要求上来，对改进教学，提高实验教学水平有很好的促进作用．
我们认为在今后的实践中,有关实验方面的能力要求还应不断完善和提高,为开创中学教育改革的新局面做出应有的贡献．
(本文为北京市教育科学规划课题《考试试卷质量评价标准研究》之“学科能力标准研究”(课题编号:AHA14168)研究项目成果．)。