從兩道力學(xué)實(shí)驗(yàn)題談起

李勝?gòu)?qiáng)

摘 要：高考物理在考查知識(shí)的同時(shí)，注重考查能力，并把能力的考察放在首要位置，力學(xué)實(shí)驗(yàn)題也是如此。本文以近幾年高三模擬考試中出現(xiàn)的兩道較為相似的力學(xué)實(shí)驗(yàn)題為例，淺析物理試題的立意和改編與創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：能力；創(chuàng)新；改編

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2015）4-0061-3

原題1

某同學(xué)為了探究桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能表達(dá)式，設(shè)計(jì)了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)：質(zhì)量為m的均勻長(zhǎng)直桿一端固定在光滑轉(zhuǎn)軸O處，桿由水平位置靜止釋放，用光電門測(cè)出另一端A經(jīng)過某位置時(shí)的瞬時(shí)速度vA，并記下該位置與轉(zhuǎn)軸O的高度差h。

（1）設(shè)桿的寬度為L(zhǎng)（L很小），A端通過光電門的時(shí)間為t，則A端通過光電門的瞬時(shí)速度vA的表達(dá)式為vA= 。

（2）調(diào)節(jié)h的大小并記錄對(duì)應(yīng)的速度vA，數(shù)據(jù)如上表。為了形象直觀地反映vA和h的關(guān)系，請(qǐng)選擇適當(dāng)?shù)目v坐標(biāo)并畫出圖像。（圖2）

（3）當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭取10 m/s2，結(jié)合圖像分析桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能EK= （請(qǐng)用質(zhì)量m、速度vA表示）。

試題分析

本題是2010—2011學(xué)年度江蘇省蘇北四市（徐、淮、連、宿）高三3月聯(lián)考試題中的力學(xué)實(shí)驗(yàn)題，試題探究的是均勻長(zhǎng)直桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能表達(dá)式。轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能表達(dá)式是高中學(xué)生不熟悉的物理公式，高考考試說明也未提及，此題給學(xué)生的第一印象是非常陌生的，但是試題考查的內(nèi)容并不超綱，而且命題以能力測(cè)試為主導(dǎo)，考查學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能的掌握程度和運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)分析、解決問題的能力。

第（1）問考查光電門測(cè)速的原理的理解——平均速度替代瞬時(shí)速度的極限思想的理解，屬于簡(jiǎn)單題。

第（2）問考查實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理能力，表格給出四組數(shù)據(jù)要求“形象直觀地反映vA和h的關(guān)系，請(qǐng)選擇適當(dāng)?shù)目v坐標(biāo)并畫出圖像”，這樣實(shí)際是引導(dǎo)學(xué)生用一次函數(shù)的思想來解決物理量間的關(guān)系，屬于考試說明中“應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理問題的能力”的能力考查，屬于中檔題。

第（3）問考查均勻長(zhǎng)直桿的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能表達(dá)式的推導(dǎo)，屬于考試說明中“實(shí)驗(yàn)與探究能力——能運(yùn)用已學(xué)過的物理理論、實(shí)驗(yàn)方法和所給的實(shí)驗(yàn)儀器去解決問題”的綜合能力考查。要解決這一問就要充分利用第（2）問中的函數(shù)表達(dá)式，再結(jié)合桿的機(jī)械能守恒定律的規(guī)律，最終推導(dǎo)出均勻長(zhǎng)直桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能表達(dá)式，屬于難題。易錯(cuò)點(diǎn)在于均勻長(zhǎng)直桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的重力勢(shì)能表達(dá)式Ep=mgh/2而不是Ep= mgh。

原題2

學(xué)校開展研究性學(xué)習(xí)，某同學(xué)為了探究桿子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能表達(dá)式，設(shè)計(jì)了下圖所示的實(shí)驗(yàn)：質(zhì)量為m的均勻長(zhǎng)直桿一端固定在轉(zhuǎn)軸O處，桿由水平位置靜止釋放，用置于圓弧上某位置的光電門測(cè)出另一端A經(jīng)過該位置時(shí)的瞬時(shí)速度vA，并記下該位置與轉(zhuǎn)軸O的高度差h。

（1）該同學(xué)用20分度的游標(biāo)卡尺測(cè)得長(zhǎng)直桿的橫截面的直徑如圖為 mm。（圖3）

圖3 原題附圖

（2）調(diào)節(jié)光電門在圓弧上的位置，測(cè)得多組數(shù)據(jù)如表格所示。請(qǐng)選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理方法，猜想并寫出vA與h的函數(shù)關(guān)系等式 。

（3）當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭取10 m/s2，不計(jì)一切摩擦，結(jié)合你找出的函數(shù)關(guān)系式，根據(jù)守恒規(guī)律寫出此桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)動(dòng)能的表達(dá)式EK= （請(qǐng)用數(shù)字、質(zhì)量m、速度vA表示）。

（4）為了減小空氣阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，請(qǐng)?zhí)岢鲆粭l可行性措施 。

試題分析

本題是2013—2014學(xué)年度蘇錫常鎮(zhèn)四市高三教學(xué)情況調(diào)研（二）中的力學(xué)實(shí)驗(yàn)題，試題探究的仍是均勻長(zhǎng)直桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能表達(dá)式，與原題1完全一致。

第（1）問考查游標(biāo)卡尺的讀數(shù)，要求學(xué)生理解游標(biāo)卡尺的原理，并正確快速地得出具體的讀數(shù)。第一小問對(duì)學(xué)生的能力要求不高，屬于容易題。

第（2）問考查對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的理解和對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理能力。重點(diǎn)是理解題目中“選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理方法”的暗示，以及“猜想并寫出vA與h的函數(shù)關(guān)系等式”的推導(dǎo)過程。本題表格中的數(shù)據(jù)也大有特色，第1組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是h=0.10 m和 vA=1.73 m/s，第5組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是h=0.30 m和 vA=3.00 m/s，只要學(xué)生能把1.73轉(zhuǎn)化為再觀察這四個(gè)數(shù)據(jù)間的關(guān)系就能迎刃而解，最終得出vA與h的函數(shù)關(guān)系等式第（3）問考查均勻長(zhǎng)直桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能表達(dá)式的推導(dǎo)，題目中也有很多提示信息，比如“g取10 m/s2”，“ 結(jié)合你找出的函數(shù)關(guān)系式”，“ 根據(jù)守恒規(guī)律”等，這樣的語言已經(jīng)引導(dǎo)學(xué)生的思路給出了解題的鑰匙，只要學(xué)生順著出題者的引導(dǎo)思路再結(jié)合具體的物理規(guī)律就能解決問題。關(guān)鍵是長(zhǎng)直桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的重力勢(shì)能的mgh應(yīng)指的是長(zhǎng)直桿的重心位置的高度變化h/2，推導(dǎo)過程EK= mgh/2=mv2。第（3）問對(duì)學(xué)生的能力要求更高，屬于較難題。

第（4）問考查影響實(shí)驗(yàn)的誤差分析及對(duì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)措施，要求學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)過程，能發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，對(duì)解決問題的方式和問題的答案提出假設(shè)，最終改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。第四小問對(duì)學(xué)生的能力要求不高，屬于簡(jiǎn)單題。

整體評(píng)價(jià)

原題1考查的是利用傳統(tǒng)的方法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，高三復(fù)習(xí)對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理常用的是“列表—描點(diǎn)—連線”法，學(xué)生對(duì)于“列表—描點(diǎn)—連線”法比較熟悉，這也屬于基本的實(shí)驗(yàn)技能。此題是對(duì)考試說明中“會(huì)使用實(shí)驗(yàn)儀器，會(huì)觀察、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，會(huì)記錄、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并得出結(jié)論，對(duì)結(jié)論進(jìn)行一定的分析和評(píng)價(jià)”的能力考查，關(guān)鍵是橫軸和縱軸的物理量的判斷和選擇。原題1的命題者的命題思路較為保守，中規(guī)中矩，考查的物理知識(shí)和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰^為常規(guī)，試題的整體難度不大，新穎程度和創(chuàng)新意識(shí)不夠。

原題2是在原題1的基礎(chǔ)上的改編題，命題者拋棄了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程和對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ目疾椋ㄟ^試題的重新編排，試題的起點(diǎn)和臺(tái)階均較高。處理數(shù)據(jù)時(shí)沒有給坐標(biāo)系也未考查學(xué)生的作圖能力，而且表格中的數(shù)據(jù)也比原題1少了一組，僅僅是提示“選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理方法”和“猜想并寫出vA與h的函數(shù)關(guān)系等式”，這樣無形中加大了試題的難度，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理能力的要求大大上了一個(gè)臺(tái)階。但原題2中少了一組數(shù)據(jù)又恰恰有其特殊的用意，想引導(dǎo)學(xué)生把1.73轉(zhuǎn)化為再觀察第一組和第五組數(shù)據(jù)間的關(guān)系，通過考生大膽的“猜想”正確得出vA與h的函數(shù)關(guān)系等式v=30h，考查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的直覺意識(shí)即直映思維。原題2的審題要字字斟酌，不放棄任何一個(gè)有用的提示，比如第（3）問中“當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭取10 m/s2”的利用，“v=30h”此時(shí)可轉(zhuǎn)化成“v=3gh”，這為解決轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)動(dòng)能的表達(dá)式EK做了鋪墊。原題2還考查了原題1未考查的實(shí)驗(yàn)誤差分析和實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案的進(jìn)一步思考，更能引導(dǎo)學(xué)生深入理解實(shí)驗(yàn)的全過程。

相比較而言，原題2的命題者的命題思想更大膽，命題思路更開放，更新穎，這也很貼近當(dāng)下江蘇高考實(shí)驗(yàn)題的命題思路和發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)題不純粹考查學(xué)生的“雙基”，更多的考查學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)分析、解決問題的能力，重視對(duì)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的考查，注重理論聯(lián)系實(shí)際，關(guān)注物理科學(xué)與技術(shù)、社會(huì)的聯(lián)系，關(guān)注物理知識(shí)在現(xiàn)代生產(chǎn)、生活等方面的廣泛應(yīng)用，以利于激發(fā)學(xué)生科學(xué)的興趣，培養(yǎng)實(shí)事求是的態(tài)度，形成正確的價(jià)值觀。

總之，原題2是對(duì)原題1的繼承和創(chuàng)新，是改編題中相當(dāng)成功的典范。

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（欄目編輯 王柏廬）