基于物理核心素養培養談“探究動能定理實驗”的考查
——解讀《2017年江蘇省普通高中考試說明》

解永平

(江蘇省句容高級中學,江蘇 句容 212400)

?

·高考命題研究·

基于物理核心素養培養談“探究動能定理實驗”的考查
——解讀《2017年江蘇省普通高中考試說明》

解永平

(江蘇省句容高級中學,江蘇 句容 212400)

《2017年江蘇省普通高中考試說明》中新增加的實驗為“探究動能定理”,本實驗將是2017年江蘇高考物理學科的必考考點．物理實驗教學中應注重基礎,教會學生基本實驗器材的測量和使用,掌握基本的實驗方法,培養學生的物理核心素養,提高學生的科學探究能力．

探究動能定理;物理核心素養;科學探究;速度測量;功的測量

《2017年江蘇省普通高中考試說明》已于近日公布,對比2016年的考試說明,物理學科中變化最大的是實驗考查中的必考內容,由2016年的8個實驗增加為9個實驗,增加的實驗為“探究動能定理”．根據以往命題“有變動必體現”的規律,在2017年江蘇省高考物理試題中考查“實驗:探究動能定理”的可能性很大,又因為力學實驗只有一個考題,因此我們可以將本實驗列為2017年江蘇高考物理學科的必考考點．

近幾年高考實驗題考查內容主要有以下特點： (1) 實驗題情景多樣,取材廣泛,不局限于教材提供的實驗方案; (2) 注重基本實驗儀器的使用與讀數,實驗題情景很新穎,但都使用的常規實驗器材,例如刻度尺、游標卡尺、螺旋測微器、打點計時器、電流表、電壓表等等; (3) 注重對實驗操作過程和對實驗數據處理的考查,要求學生具有較強的動手操作能力和分析概括能力．教學過程中使學生掌握基本的實驗方法,并在此基礎上強調實驗創新,即用學生實驗中學過的方法去設計實驗完成其它物理量的測量,突出對學生實驗探究能力的考查．

針對以上兩方面的特點,在2017年高三復習過程中,“探究動能定理”可以作為復習的重點,應如何做好本實驗的復習?做到有的放矢,以不變應萬變．具體做法是注重基礎,培養學生的物理核心素養,提高學生的科學探究能力．物理核心素養是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力, 是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特性的品質, 是學生科學素養的關鍵成分,這也是我們通過實驗解決物理問題的一般過程．創新探究性實驗試題一定是源于教材,但高于教材,在本實驗復習時可從物理學科教學的角度出發,教會學生基本實驗器材的測量和使用,掌握基本的實驗方法,而后由學生思考設計實驗方案,以提高學生的物理核心素養和實驗素養,做到以不變應萬變．

1 實驗目的

通過實驗探究外力對物體做功與物體速度變化的關系;通過分析實驗數據,總結出外力對物體做功與物體速度變化的關系,進而得出外力對物體做功與物體動能增量之間的關系．

實驗的步驟主要是通過實驗測量出力對物體做的功和物體在此過程中動能增量,再通過數據分析和處理得出兩者間的數學關系．因此從原理出發本實驗需要測量的物理量有:力對物體做的功和物體動能的增量,實際操作過程中這兩個物理量都不是直接測量,力對物體做的功可以利用功能關系和功的定義式W=Fx測量,物體動能增量是通過對物體質量和速度的測量得出．因此復習本實驗時不要局限于教材的實驗方案,可從功和物體速度這兩個物理量的測量入手,使學生掌握基本實驗器材的使用和基礎實驗方法．

2 速度的測量

2.1 速度測量的基本原理

2.2 速度的測量方法

(1) 方法1:利用打點計時器測運動物體的速度.

圖1

(2) 方法2:利用頻閃照片測運動物體的速度.

圖2

(3) 方法3:利用光電門測運動物體的速度.

(4) 方法4:利用平拋運動測運動物體的速度.

圖3

3 力對物體做功的測量

3.1 利用功能關系等效替代法測量力對物體做的功

(1) 方法1:利用完全一樣的橡皮筋對物體做功.

圖4

按如圖4所示將實驗儀器安裝好,同時平衡摩擦力．先用一條橡皮筋做實驗,將橡皮筋拉伸到某一位置釋放,小車被彈出后在長木板上做勻速直線運動,設此時橡皮筋對小車做的功為W．依次用2條、3條、4條……同一規格的橡皮筋做實驗,且每次拉伸的長度相同,則橡皮筋對小車做的功分別為2W、3W、4W……,并測出小車每次勻速運動的速度v,將數據記入表格．

(2) 方法2:利用完全一樣的彈簧對物體做功.

圖5

在“探究動能定理”的實驗中,某實驗探究小組的實驗裝置如圖5所示．木塊從A點靜止釋放后,在1根彈簧作用下彈出,沿足夠長木板運動到B1點停下,O點為彈簧原長時所處的位置,測得OB1的距離為L1,并記錄此過程中彈簧對木塊做的功為W．用完全相同的彈簧2根、3根……并列在一起進行第2次、第3次……實驗,每次實驗木塊均從A點釋放,則彈簧對木塊做的功分別為2W、3W、4W……

3.2 利用功的定義式W=Fx測量力對物體做的功

(1) 方法1:位移不變,改變合力.

圖6

圖7

案例2:如圖7所示,水平桌面上擺放一左端帶滑輪的長木板,木板上有一小車,小車的左端與一細線相連,細線的另一端通過滑輪與砝碼盤相連．將長木板的左端用墊塊墊高,使小車在長木板上做勻速直線運動,即此時小車受到的合外力為0．取下細線后再釋放小車,小車在長木板上做勻加速直線運動,此時小車受到的合外力等于之前砝碼盤和盤中砝碼的總重力．控制兩光電門之間的距離不變,通過改變砝碼盤和盤中砝碼的總重力來改變合外力的大小,進而改變小車通過光電門1和光電門2這段距離合外力做的功W．具體操作上可以使砝碼盤和盤中砝碼的總重力為G、2G、3G……對應得到合力的功分別為W、2W、3W……

(2) 方法2:外力不變,改變位移.

不同的實驗,實驗目的不同,但實驗方法和采用的實驗器材可以相同．圖8為“探究加速度和力、質量的關系”的實驗裝置,圖9為“驗證機械能守恒定律”的實驗裝置．學生對這兩套實驗器材并不陌生,我們可引導學生思考,這兩個實驗中的小車和重物都是做勻加速直線運動,即運動過程中所受到的合外力是恒定的,合外力不變時,合外力對物體做的功與物體的位移成正比,只需測出物體的位移就可知合外力對物體做的功．我們也可利用這兩套實驗器材來完成“探究動能定理”的實驗,對打出的紙帶進行研究,測出物體運動的距離和對應點的瞬時速度,獲取多組數據,對多組數據的分析可得出合外力對物體做功與物體動能變化的比例關系．

圖8 圖9

4 實驗方案的設計

4.1 實驗方案的設計原則:提高學生的物理核心素養,培養學生科學探究能力

親身的實驗經歷能讓學生體驗科學探究的過程,了解科學研究的方法,有助于提高學生的物理核心素養．物理核心素養主要由“物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任”4個方面的要素構成．實驗考查的主要內容是科學探究,科學探究是指提出物理問題,形成猜想和假設,獲取和處理信息,基于證據得出結論并做出解釋,以及對實驗探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力．科學探究主要包括問題、證據、解釋、交流、評價等要素．

解決創新探究實驗試題的基礎是熟練掌握考試說明要求的物理實驗,重點是基本實驗器材的使用方法和實驗中體現的物理思想,例如平衡摩擦力的方法、用重力代替拉力的方法、控制變量的方法、累積法測量微小量的方法、圖像探究物理量關系的方法、微小量放大測量的方法、平均值減小誤差的方法等等．解決創新探究實驗試題的關鍵是能將學過的實驗知識和方法在不同的情境下遷移應用,提高學生運用所學知識解決新問題的能力．

4.2 本實驗可能的實驗方案

探究動能定理的實驗中需要測量的物理量為外力做功和物體的速度,基于高中物理實驗中對這兩物理量測量器材和方法的掌握,本實驗使用基本實驗器材組合后,可能的實驗方案有: (1) 光電門和氣墊導軌; (2) 光電門和長木板、小車; (3) 打點計時器和長木板、小車; (4) 橡皮筋和打點計時器、長木板、小車; (5) 彈簧和打點計時器、長木板、小車; (6) 自由落體運動和頻閃照片; (7) 橡皮筋和平拋運動等幾種情況．

1 徐衛華.高中物理教學中提升實驗素養的實踐與反思[J].物理教師,2016(9):22.

2017-01-21)