把握力學(xué)實(shí)驗(yàn)考查熱點(diǎn) 提升學(xué)生探究素養(yǎng)

夏廣平

(南京市金陵中學(xué),江蘇 南京 210005)

在普通高中學(xué)業(yè)水平測(cè)試(選修科目)的《考試說(shuō)明》中,明確提出“實(shí)驗(yàn)與探究能力”的要求,除了要求學(xué)生 “能夠獨(dú)立完成‘實(shí)驗(yàn)、探究’的內(nèi)容,明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?理解實(shí)驗(yàn)的原理和方法”,還要求“能在實(shí)驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題,對(duì)解決問(wèn)題的方式和問(wèn)題的答案提出假設(shè);能制定實(shí)驗(yàn)方案,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè).能運(yùn)用已學(xué)過(guò)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(wèn)題,包括簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)”.

《考試說(shuō)明》中的要求,恰對(duì)應(yīng)著學(xué)生核心素養(yǎng)的“科學(xué)探究”素養(yǎng).《課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版)》中指出,學(xué)生要具備“提出物理問(wèn)題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋,以及對(duì)科學(xué)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力.” 本文以高考中的力學(xué)實(shí)驗(yàn)為例,分析考核中的“熱點(diǎn)”問(wèn)題,談?wù)勅绾卧诹W(xué)實(shí)驗(yàn)題的分析與解決中提升學(xué)生的探究素養(yǎng).

1 近年高考力學(xué)實(shí)驗(yàn)題命題特點(diǎn)分析

表1為2018年全國(guó)各高考物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)考核內(nèi)容,表2為全國(guó)卷近3年高考物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)考核內(nèi)容,表3為江蘇卷近10年高考物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)考核內(nèi)容.從這3張表格中可以分析發(fā)現(xiàn)高考力學(xué)實(shí)驗(yàn)的命題特點(diǎn).

表1 2018年全國(guó)各高考物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)考核內(nèi)容

續(xù)表

表2 全國(guó)卷近3年高考物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)考核內(nèi)容

表3 江蘇卷近10年高考物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)考核內(nèi)容

縱觀近幾年高考中的力學(xué)實(shí)驗(yàn)試題,可以發(fā)現(xiàn):力學(xué)實(shí)驗(yàn)題的范圍比較集中,總體是對(duì)基本實(shí)驗(yàn)的考核,或是對(duì)基本實(shí)驗(yàn)的改變與創(chuàng)新,包括實(shí)驗(yàn)原理的改變,測(cè)量方法的改變、數(shù)據(jù)處理方法的改變等.考核情境基本是在學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,利用已學(xué)過(guò)的知識(shí),對(duì)實(shí)驗(yàn)器材或?qū)嶒?yàn)方法加以重組,改進(jìn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段與測(cè)量技術(shù),設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案解決新問(wèn)題,突出用學(xué)習(xí)過(guò)的實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)器材來(lái)解決新問(wèn)題.

分析各年、各地試卷,有一些熱點(diǎn)情境與熱點(diǎn)問(wèn)題出現(xiàn)頻率相當(dāng)之高．本文例舉其中3個(gè)進(jìn)行討論:測(cè)重力加速度問(wèn)題、測(cè)動(dòng)摩擦因數(shù)問(wèn)題、平衡摩擦力問(wèn)題與質(zhì)量關(guān)系問(wèn)題．

2 例談高考力學(xué)實(shí)驗(yàn)典型熱點(diǎn)問(wèn)題

2.1 測(cè)重力加速度問(wèn)題

圖1

例1.(利用連接體運(yùn)動(dòng)規(guī)律測(cè)重力加速度)(2018年江蘇卷)某學(xué)生利用如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)測(cè)量重力加速度g.細(xì)繩跨過(guò)固定在鐵架臺(tái)上的輕質(zhì)滑輪,兩端各懸掛一只質(zhì)量為M的重錘.實(shí)驗(yàn)操作如下.

① 用米尺量出重錘1底端距地面的高度H;

② 在重錘1上加上質(zhì)量為m的小鉤碼;

③ 左手將重錘2壓在地面上,保持系統(tǒng)靜止.釋放重錘2,同時(shí)右手開啟秒表,在重錘1落地時(shí)停止計(jì)時(shí),記錄下落時(shí)間;

④ 重復(fù)測(cè)量3次下落時(shí)間,取其平均值作為測(cè)量值t.

請(qǐng)回答下列問(wèn)題.

(1) 步驟④ 可以減小對(duì)下落時(shí)間t測(cè)量的________(填“偶然”或“系統(tǒng)”)誤差.

(2) 滑輪的摩擦阻力會(huì)引起實(shí)驗(yàn)誤差.現(xiàn)提供一些橡皮泥用于減小該誤差,可以怎么做?

(3)使用橡皮泥改進(jìn)實(shí)驗(yàn)后,重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量,并測(cè)出所用橡皮泥的質(zhì)量為m0.用實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量量和已知量表示g,得g=________.

圖2

例2.(利用自由落體運(yùn)動(dòng)測(cè)重力加速度)(2017年新疆建設(shè)兵團(tuán)二中模擬)某興趣小組的學(xué)生準(zhǔn)備用如圖2所示的實(shí)驗(yàn)器材測(cè)定小球下落時(shí)的重力加速度,實(shí)驗(yàn)器材有:底座、帶有標(biāo)尺的豎直桿、光電門1和2組成的光電計(jì)時(shí)器(其中光電門1更靠近小球釋放點(diǎn)),小球釋放器(可使小球無(wú)初速度釋放)、網(wǎng)兜.實(shí)驗(yàn)時(shí)可用兩光電門測(cè)量小球從光電門1運(yùn)動(dòng)至光電門2的時(shí)間t,并從豎直桿上讀出兩光電門間的距離h.實(shí)驗(yàn)步驟如下.

(1) 使用游標(biāo)卡尺測(cè)量出小球的直徑D.

(2) 改變光電門1的位置,保持光電門2的位置不變,小球經(jīng)過(guò)光電門2的時(shí)間為Δt,則小球經(jīng)過(guò)光電門2的速度為v=________,不考慮空氣阻力,小球的加速度為重力加速度g,則h、t、g、v4個(gè)物理量之間的關(guān)系為h=________.

小結(jié):從2018年考題看,同一年有江蘇、海南兩地試卷考核了重力加速度的測(cè)量;從江蘇省考題看,近10年考核了兩次.測(cè)量重力加速度的方法很多,除上述兩例的方法外,還有用彈簧秤和已知質(zhì)量的鉤碼測(cè)量、用斜面上物體運(yùn)動(dòng)測(cè)量、用單擺或圓錐擺測(cè)量、用滴水法或閃光相片測(cè)量等,因此考題情境比較豐富．這些測(cè)量重力加速度的方法,有的較粗略,有的較精確,有的可以實(shí)際操作,有的其實(shí)是不易操作但原理上是合理的“理想實(shí)驗(yàn)”,這些方法多數(shù)是力學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用,對(duì)這些問(wèn)題的分析有利于加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解,培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散性思維.

2.2 測(cè)動(dòng)摩擦因數(shù)問(wèn)題

例3.(利用平衡條件測(cè)定動(dòng)摩擦因數(shù))(2018年全國(guó)卷Ⅱ)某學(xué)生用圖3 (a)所示的裝置測(cè)量木塊與木板之間的動(dòng)摩擦因數(shù).跨過(guò)光滑定滑輪的細(xì)線兩端分別與木塊和彈簧秤相連,滑輪和木塊間的細(xì)線保持水平,在木塊上方放置砝碼.緩慢向左拉動(dòng)水平放置的木板,當(dāng)木塊和砝碼相對(duì)桌面靜止且木板仍在繼續(xù)滑動(dòng)時(shí),彈簧秤的示數(shù)即為木塊受到的滑動(dòng)摩擦力的大小.某次實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)在表4中給出,其中f4的值可從圖(b)中彈簧秤的示數(shù)讀出.回答下列問(wèn)題.

圖3

表1

(1)f4=________N;

(2) 在圖(c)的坐標(biāo)紙上補(bǔ)齊未畫出的數(shù)據(jù)點(diǎn)并繪出f-m圖線;

(3)f與m、木塊質(zhì)量M、木板與木塊之間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ及重力加速度大小g之間的關(guān)系式為f=________,f-m圖線(直線)的斜率的表達(dá)式為k=________;

(4) 取g=9.80 m/s2,由繪出的f-m圖線求得μ=________.(保留2位有效數(shù)字)

解析: (1) 2.75.(2) 如圖4所示.(3) 由實(shí)驗(yàn)原理可得f=μ(M+m)g, 因此f-m圖線的斜率為k=μg. (4) 0.40.

圖4

例4.(利用動(dòng)能定理測(cè)定動(dòng)摩擦因數(shù))(2017年焦作模擬)某物理興趣實(shí)驗(yàn)小組的學(xué)生在測(cè)量一鐵塊與一長(zhǎng)木板之間的動(dòng)摩擦因數(shù)時(shí),該小組的同學(xué)首先將待測(cè)定的長(zhǎng)木板水平固定,將另一長(zhǎng)木板傾斜固定,兩長(zhǎng)木板間用一小段光滑的軌道銜接,如圖5(甲)所示.請(qǐng)回答下列問(wèn)題.

圖5

(1) 將鐵塊由距離水平面h高度處由靜止釋放,經(jīng)測(cè)量在粗糙的長(zhǎng)木板上滑行的距離為x時(shí)速度減為0,如果保持斜面的傾角不變,改變鐵塊釋放的高度,并測(cè)出多組數(shù)據(jù),忽略鐵塊與傾斜的長(zhǎng)木板之間的摩擦力.現(xiàn)以h為橫坐標(biāo)、x為縱坐標(biāo),則由以上數(shù)據(jù)畫出的圖像的特點(diǎn)應(yīng)為______.

(2) 在實(shí)際中鐵塊與傾斜的長(zhǎng)木板之間的摩擦力是不可忽略的,為了測(cè)定鐵塊與兩長(zhǎng)木板間的動(dòng)摩擦因數(shù),該小組的學(xué)生逐漸地減小斜面的傾角,每次仍將鐵塊由靜止釋放,但每次鐵塊釋放位置距水平面的高度記為h,將釋放點(diǎn)與兩長(zhǎng)木板的銜接點(diǎn)的水平間距記為L(zhǎng).將經(jīng)過(guò)多次測(cè)量的數(shù)據(jù)描繪在x-h的坐標(biāo)系中,得到的圖線如圖5(乙)所示,則鐵塊與傾斜的長(zhǎng)木板之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ1=________,鐵塊與水平的長(zhǎng)木板之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ2=________.(結(jié)果用圖中以及題干中的字母表示)

(2) 對(duì)鐵塊運(yùn)動(dòng)的全程,運(yùn)用動(dòng)能定理有

mgh-μ1mgcosθx1-μ2mgx=0(θ為傾斜木板的傾角)

由幾何關(guān)系得到L=x1cosθ,得到

小結(jié):近幾年測(cè)量動(dòng)摩擦因數(shù)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)逐漸增多,已成為高考中新的熱點(diǎn)之一．除上述兩例外,還有應(yīng)用動(dòng)力學(xué)方法測(cè)量、用功能關(guān)系測(cè)量等．這類探究實(shí)驗(yàn)注重對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法的考查與應(yīng)用,內(nèi)容不拘泥于教材和考綱,重點(diǎn)考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究和創(chuàng)新思維能力.學(xué)生在分析“測(cè)量動(dòng)摩擦因數(shù)”實(shí)驗(yàn)中,應(yīng)首先明確實(shí)驗(yàn)所應(yīng)用的原理,靈活運(yùn)用所學(xué)力學(xué)知識(shí)認(rèn)真分析各物理量之間的聯(lián)系,尤其是牛頓運(yùn)動(dòng)定律和功能關(guān)系,在這類問(wèn)題的分析解決中理解實(shí)驗(yàn)的思路,提升解決實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的能力.

2.3 平衡摩擦力問(wèn)題與質(zhì)量關(guān)系問(wèn)題

高考力學(xué)實(shí)驗(yàn)大量出現(xiàn)“小車(滑塊等)+砝碼(砂、沙、重物、水等)”模型,考核內(nèi)容涉及到研究勻變速運(yùn)動(dòng)、驗(yàn)證牛頓第二定律、驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律、探究動(dòng)能定理、驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律等多個(gè)實(shí)驗(yàn).其中考查中最常見的兩個(gè)問(wèn)題,也是比較困擾學(xué)生的問(wèn)題就是:用水平運(yùn)動(dòng)的小車和砝碼的裝置實(shí)驗(yàn)要不要平衡摩擦力?要不要滿足砝碼(砂、沙、重物、水)的質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車(滑塊)M?

圖6

例5.某學(xué)生利用如圖6裝置研究小車的勻變速直線運(yùn)動(dòng),實(shí)驗(yàn)中必須的措施是______.

(A) 細(xì)線必須與長(zhǎng)木板平行.

(B) 先接通電源再釋放小車.

(C) 小車的質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼的質(zhì)量.

(D) 平衡小車與長(zhǎng)木板間的摩擦力.

解析:答案:(A)、(B).本題中只要保證小車做勻變速運(yùn)動(dòng)即可,無(wú)須保證小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼的質(zhì)量,選項(xiàng)(C)錯(cuò)誤;同理,小車與長(zhǎng)木板間可以有不變的摩擦力,無(wú)須平衡摩擦力,選項(xiàng)(D)錯(cuò)誤.

例6.(鎮(zhèn)江市2011屆高三一模擬)某學(xué)生利用如圖7所示的裝置來(lái)驗(yàn)證由小車與鉤碼組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒

圖7

(1) 現(xiàn)提供如下器材:

(A) 小車. (B) 鉤碼. (C) 一端帶滑輪的長(zhǎng)木板. (D) 細(xì)繩. (E) 電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器. (F) 紙帶. (G) 毫米刻度尺. (H) 游標(biāo)卡尺. (I) 低壓交流電源. (J) 220 V交流電源.

實(shí)驗(yàn)中不需要的器材是____________(填寫器材前的字母),還需要的器材是____________.

(2) 為盡可能消除摩擦力對(duì)本實(shí)驗(yàn)的影響,使驗(yàn)證結(jié)果盡可能準(zhǔn)確,則小車質(zhì)量M和鉤碼質(zhì)量m的關(guān)系應(yīng)該滿足____________.

(3) 小明和小軍同學(xué)在做該實(shí)驗(yàn)時(shí),小明認(rèn)為只要采用平衡摩擦力的方法將摩擦力平衡掉就可以了,無(wú)須滿足(2)問(wèn)中小車質(zhì)量M和鉤碼質(zhì)量m的關(guān)系,而小軍卻否認(rèn)小明的看法,你認(rèn)為小明的看法________(選填“正確”或“不正確”),理由是________________.

解析: (1) H I；天平. (2)M?m. (3) 不正確；因?yàn)槠胶饽Σ亮?摩擦力還做負(fù)功,系統(tǒng)機(jī)械能不守恒.

小結(jié):從以上各例可見,要不要平衡摩擦力與要不要滿足m?M,需要引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注以下4個(gè)方面.

(1) 關(guān)注實(shí)驗(yàn)?zāi)康?如測(cè)量什么?驗(yàn)證什么?如研究小車勻變速運(yùn)動(dòng)規(guī)律就不需要平衡摩擦力,也不需要滿足m?M,但研究牛頓第二定律時(shí)將砝碼重力近似為繩子拉力,則需要滿足m?M; (2) 關(guān)注實(shí)驗(yàn)原理.找出物理量之間的關(guān)系,才能得到正確結(jié)論;(3) 關(guān)注實(shí)驗(yàn)器材.如用什么測(cè)量力?用氣墊導(dǎo)軌還是普通平面?研究牛頓第二定律時(shí),用力的傳感器測(cè)力,則不需要滿足m?M; (4) 關(guān)注數(shù)據(jù)處理.如有沒(méi)有近似?有沒(méi)有忽略?摩擦力對(duì)本實(shí)驗(yàn)有沒(méi)有影響?如例6,平衡摩擦力后,摩擦力還做負(fù)功,系統(tǒng)機(jī)械能不守恒,所以僅靠平衡摩擦力不能達(dá)到驗(yàn)證機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)的條件．

3 結(jié)語(yǔ)

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué),實(shí)驗(yàn)是探索“萬(wàn)物之理”的基本手段和不可替代的方法之一.正因如此,實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)習(xí)和物理考試中都有舉足輕重的地位.概括起來(lái),“實(shí)驗(yàn)與探究能力”主要考核學(xué)生以下四個(gè)方面的能力:基本原理和實(shí)驗(yàn)方法、儀器使用和數(shù)據(jù)分析、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和制定方案、問(wèn)題解決和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).這四方面能力培養(yǎng),恰是提高“科學(xué)探究”素養(yǎng)的關(guān)鍵所在.

高考試題的立意, 以“立德樹人、服務(wù)選拔、導(dǎo)向教學(xué)”為主旨,關(guān)注學(xué)生物理核心素養(yǎng),所以教師也要從物理核心素養(yǎng)的視角去分析高考實(shí)驗(yàn)題.近幾年來(lái)高考試題中出現(xiàn)的物理實(shí)驗(yàn)題,一方面注重基本儀器的掌握與基本實(shí)驗(yàn)的理解,一方面注重知識(shí)的靈活應(yīng)用,儀器的選擇、實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)都對(duì)知識(shí)的綜合性與靈活性有較高的要求,對(duì)能力層次的考查有所提高.這也意味著學(xué)生除了認(rèn)真掌握每一個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理、器材、步驟,構(gòu)建起一定的實(shí)驗(yàn)整體知識(shí)體系外,還要有意識(shí)的、積極的提取、積累一些有價(jià)值的方法,從不同的角度進(jìn)行思路的拓展,對(duì)基本方法和技能進(jìn)行強(qiáng)化,加強(qiáng)前后聯(lián)系,著力領(lǐng)悟?qū)嶒?yàn)的設(shè)計(jì)思想、所運(yùn)用的科學(xué)方法、規(guī)范的操作程序,并從實(shí)際出發(fā)做合理的創(chuàng)新和創(chuàng)新改進(jìn),培養(yǎng)較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)分析能力與解決問(wèn)題的能力,全面提升科學(xué)探究的素養(yǎng).