巧用科學探究破解中考物理難點

2020-09-12 08:25:46賀德斌

福建基礎教育研究 2020年8期

賀德斌

（晉江市教師進修學校，福建晉江 362200）

物理核心素養導向下的教學是當下物理教師正在探索的重要課題。基于物理核心素養的中考物理試題更加重視理論聯系實際、注重科學探究、發展科學思維。其中基于真實情景的物理知識應用能力、物理建模能力、信息分析處理能力的考查是中考物理新難點。福建德旺基礎教育研究院陳祖標先生倡導的物理新思維教學實驗認為：科學探究不僅是學生“科學思維”發展的關鍵支撐和主要路徑，同時也是學生形成正確“物理觀念”，養成科學態度和科學精神的實踐基礎和必要條件。［1］筆者在物理新思維教學實驗中，嘗試巧用科學探究來破解中考物理難點進行了大量的教學實踐。現總結三大教學策略并以相應案例說明。

一、培養觀察分析能力，破解相似情境干擾

生活中有很多看起來很相似的情境，但仔細分析卻發現背后所應用的物理規律很不相同。這樣的情境題就成了中考的熱點題型，可以很好地考查學生從現象到本質的分析能力和物理知識的應用能力。

（一）考向例析：2019 年福建省中考試卷第25 題

如圖1，礦泉水瓶蓋側面刻有凹凸不平的條紋，便于旋開瓶蓋；帶有橡膠塞的口服液所配置的吸管，其表面也刻有棱狀條紋，便于吸上口服液。聯系所學的物理知識，分別說明上述兩個實例中條紋的作用。

圖1

本題第一個情景：礦泉水瓶蓋側面刻有凹凸不平的條紋，便于旋開瓶蓋。這是同學們較為熟悉的摩擦力的典型應用。礦泉水瓶蓋側面的“條紋”，可以增大接觸面的粗糙程度，增大摩擦。而第二個情景：帶有橡膠塞的口服液所配置的吸管，其表面也刻有棱狀條紋，便于吸上口服液。沒有生活經驗，不善于觀察思考的同學就容易出錯。同樣是“條紋”，而口服液吸管表面“條紋”為了讓空氣進入瓶內，使瓶內氣體與大氣相通，在大氣壓強的作用下使人吸入口服液。

如何破解這類問題呢？我們的解決方法是設計對應的科學實驗和探究活動，培養同學們觀察思考能力、從現象到本質的分析能力和物理知識的應用能力。

（二）科學實驗：奇妙的電風扇

實驗器材：兩個同樣的小電動機風扇、電源、LED燈、導線。

實驗步驟：

1.教師演示實驗：分別給兩個同樣的小電動機風扇通電。

現象觀察：觀察到的現象是小電動機風扇都能旋轉，吹風。

問題思考：

（1）請同學思考：小風扇通電后旋轉，這一過程的能量如何轉化？

（2）小風扇的電機是電動機還是發電機呢？

設計意圖：培養學生的觀察分析能力，學會從能量轉化的角度來區分發電機和電動機。

2.教師演示實驗：將其中一個原來接電源的一端改接上LED 燈。如圖2 裝置，給左邊的風扇通電。

圖2

現象觀察：觀察到給左邊的風扇通電，使風扇轉動，讓左邊的風扇產生的風力使右邊風扇的扇葉轉動，結果發現LED 燈居然亮了。

問題思考：

（1）給左邊的風扇通電，使風扇轉動。這一過程的能量如何轉化？左邊的風扇的電機是電動機還是發電機呢？

（2）右邊風扇的扇葉轉動，點亮了LED 燈。這一過程的能量如何轉化？右邊的風扇的電機是電動機還是發電機呢？

設計意圖：用趣味實驗引起學生的興趣，巧設問題，引導學生觀察分析。

（三）探究活動：“花紋”探秘

如圖3 甲、乙兩圖分別是盲道和鞋底的圖片，它們上面都有凹凸不平的“花紋”，這些“花紋”的作用一樣嗎？

圖3

周末探究活動1：請同學們在周末去安踏的專賣店調查鞋底的花紋有哪些種類？作用有何不同？

周末探究活動2：請同學們在周末去圖書館或者公園，去觀察體驗盲道“花紋”的作用。并上網查詢盲道的相關知識。

同學們發現走向社會，走進生活的學習遠比課本知識要豐富多彩。下面是兩個學生成果匯報的案例。

學生探究活動1 成果匯報案例：

鞋底花紋是在壓力不變時，增大接觸面的粗糙程度，從而增大摩擦。

調查發現鞋底的花紋千奇百怪，大致可分為五類：橫條紋、直條紋、斜條紋、V 型條紋、圓圈型條紋。

橫條紋：多用于羽毛球鞋底。更有利于打球時前后移動。

直條紋、斜條紋：多用于休閑鞋等運動量不大的鞋。

V 型條紋：多用于籃球鞋。有利于加速、變向、急停等。

圓圈型條紋：多用于籃球鞋底，前腳掌內測為圓心。使專向更加靈敏省力。

學生探究活動2 成果匯報案例：

盲道上的花紋是在壓力一定時，通過減小受力面積，增大對盲人腳底的壓強。

調查發現盲道花紋有兩種形式：一種是指引視殘者通過腳感繼續向前直行的盲道，表面呈長條形稱為行進盲道。另一種是告知視殘者盲道要拐彎或者盲道的終點處，表明呈圓點形，稱為提示盲道。

通過蒙著眼睛，體驗靠盲道行進，感受到盲道與普通地面對腳產生的壓強不同，但行進相當困難。更感受到眼睛對于我們生活的重要，同時對盲人生活的不易有了切身的感受。

二、培養物理建模能力，破解抽象建模困局

物理建模既是一種物理思維，也是一種物理方法，更是學習物理的一種重要手段。［2］物理建模能力很重要，該能力的高低影響著學生理解問題、分析解決問題，在很大程度上決定著學生物理學習的效果。物理建模能力的考查就成為中考試題的重點。

（一）考向例析：福建省考試說明的例題47

超高壓水刀是一種新技術產品，一般由水泵、射流發生裝置、工作機構等組成。它將普通水經過多級增壓后，通過一個極細的噴嘴噴出一道高速“水箭”，可以對堅硬物體實施切割，如圖4 所示.某超高壓水刀噴嘴橫截面積S=5×10-8m2，噴水速度v=800m/s，高速“水箭”對該切割面的壓強p=300MPa。已知水泵電機功率P=20kW，水的密度ρ=1.0×103kg/m3。求：

圖4

（1）水刀正常工作1min 消耗的電能；

（2）高速“水箭”對切割面的壓力；

（3）每秒鐘從噴嘴噴出的水的質量；

（4）水刀的效率。

本例中的“水箭”對應著圓柱體數學模型。建構柱體模型就能破解本題的兩個難點：水箭體積和水刀功率。

每秒鐘噴出水的體積轉化為計算圓柱體體積：

V=SL=Svt=5×10-8m2×800m/s×1s=4×10-5m3

m=ρV=1.0×103kg/m3×4×10-5m3=0.04kg

水刀的功率為：

P=Wt=FLt=Fv=15N×800m/s=12000W

如何破解這類問題呢？我們的解決方法是設計對應的科學實驗和探究活動培養同學物理建模能力。

科學實驗：用注射器測大氣壓

實驗器材：注射器、彈簧測力計、細線、刻度尺。

實驗任務：利用以上器材，設計實驗方案測量大氣壓。

同學們做分組討論，其中一組率先提出了他們組的實驗方案：

圖5

圖6

A.把注射器的活塞推至注射器針筒的底端，然后用橡皮帽封住注射器小孔；

B.如圖5 所示，用細線拴住注射器活塞頸部，使線的一端與彈簧測力計的掛鉤相連，然后水平向右慢慢拉動針筒，當活塞勻速滑動時，記下彈簧測力計的示數為F；

C.讀出注射器針筒上有刻度部分的容積V；

D.用刻度尺測出注射器針筒上有刻度部分的長度L。

把注射器的內部空間看做一個圓柱體，則柱體的底面積就等于注射器針筒上有刻度部分的容積除以注射器針筒上有刻度部分的長度。

受力面積：S=VL.

勻速滑動時，大氣壓力等于拉力，故大氣壓P=

所以大氣壓p的表達式為p=FLV

設計意圖：這個實驗的難點就在于如何用刻度尺測受力面積，設計的巧妙之處就在于借助了圓柱體模型（如圖6）中的數學關系S=VL。

（二）探究活動：探秘太陽能

太陽能是人類可以使用的很好的清潔能源，可是它既不方便存儲，也不方便運輸。而電能既方便存儲，也方便傳輸。太陽能電池板就能將太陽能轉化為電能，方便人類使用。

周末探究活動1：查閱資料了解太陽輻射的總功率、太陽到地球的距離、太陽光傳播到達地面的能量損耗情況等，估算1 平方米的地面上1 秒內所接收的太陽能為多少焦耳？

周末探究活動2：若太陽能電池的能量轉化效率為15%，那么100m2的房頂上裝上這種太陽能電池，則這些太陽能電池板的輸出功率為多少瓦？

學生探究活動1 成果匯報案例：

查閱資料了解到：太陽輻射的總功率P0=4×1026W,太陽到地球的距離r=1.5×1011m，太陽光傳播到達地面的過程中由于云層的反射和大氣的吸收作用，大約有60%的能量損耗。

然后，我們想象：把太陽看成一個燈，燈總功率P0=4×1026W,，燈光向四周照射，照射半徑為r=1.5×1011m，這就形成了一個以燈為球心，以r為半徑的球面模型（如圖7），燈光均勻地分布到球面。

1 秒內太陽輻射的總能量為：

W總=Pt=4×1026W×1s=4×1026J

以r=1.5×1011m 為半徑散射后，大約有60%的能量損耗，到達整個球面的太陽能為：

圖7

W余=W總η1=4×1026J×40%=1.6×1026J

球面面積為：

S=4πr2=4×3.14×（1.5×1011m）2=2.826×1023m2

1 平方米的地面上1 秒內所接收的太陽能為：

周末探究活動2 成果匯報案例：

若太陽能電池的能量轉化效率為15%，那么100m2的房頂上裝上這種太陽能電池，則這些太陽能電池板的輸出功率為：

三、培養圖表處理能力，破解函數圖像難題

在物理學中，常采用函數圖像，將某些物理量之間的關系表示出來，因此圖像實際上反映了物理變化過程的特點以及物理量之間的變化關系。［3］因此，圖像題是重點考察學生觀察、獲取信息、分析處理數據能力以及綜合應用知識能力的一種好題型。

（一）考向例析：2020 年福建省中考試卷第33 題

如圖8 甲電路中，電源電壓保持不變，R0、R1均為定值電阻，R2為滑動變阻器。閉合開關S，改變R2的阻值，兩電壓表示數與電流表示數變化關系如圖乙，當滑片P在b端時電流表示數為0.3A。

（1）求R2的最大阻值。

（2）求滑片置于變阻器的中點位置，R2消耗的電功率為0.8W，求電源電壓和R0的阻值。

（3）若滑動變阻器滑片每移動1cm，阻值改變1Ω，設滑片從a端向b端滑動的距離為xcm,寫出R2消耗的電功率P隨x變化的關系式，并由此關系式求出R2消耗的電功率的最大值。

圖8

本題考查學生對圖像關鍵點的理解。重點在于判斷電壓表與函數圖像的對應關系，通過觀察分析電路圖可知，這是一個三個電阻的串聯電路，電壓表V2測R2的電壓，電壓表V1測R2和R2的總電壓，因此得出電壓表V1的示數會大于電壓表V2的示數。即函數圖像Ⅰ對應電壓表V1與電流表A 的變化關系圖，函數圖像Ⅱ對應電壓表V2與電流表A 的變化關系圖。當滑片P 在b端時，電阻R2最大，電路的電流最小，此時電流表示數為0.3A。R2的電壓為3.0V，R2和R2的總電壓為5.4V，即R1的電壓為2.4V。

然后考查學生運用數學工具解決物理問題的能力。第二小問考一元二次方程組，第三小問考二次函數求最值。

如何破解這類問題呢？我們的解決方法是設計對應的科學實驗和探究活動培養同學的圖像信息處理能力。