以2020年全國Ⅰ卷23題為例談核心素養(yǎng)中“科學(xué)思維”的培養(yǎng)

四川

在物理學(xué)科核心素養(yǎng)的“科學(xué)思維”中，“提出問題”以及“提出質(zhì)疑”是一種非常重要的能力。因而對考生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題并加以論證解決等科學(xué)思維的考查是高考很重要的內(nèi)容。物理作為實驗科學(xué)，高考中的力學(xué)實驗題對學(xué)生科學(xué)思維的考查體現(xiàn)得淋漓盡致，并且用力學(xué)實驗中(如圖1所示)的裝置可以探究、驗證不同的力學(xué)規(guī)律。如果研究得不夠深入，學(xué)生在分析力學(xué)實驗問題中就會存在不少疑惑。本文以2020年全國Ⅰ卷23題為切入點(diǎn)分析解答用同一裝置探究、驗證不同物理規(guī)律時學(xué)生的幾點(diǎn)疑惑。

(2020·全國Ⅰ卷)某同學(xué)用如圖1所示的實驗裝置驗證動量定理，所用器材包括：氣墊導(dǎo)軌、滑塊(上方安裝有寬度為d的遮光片)、兩個與計算機(jī)相連接的光電門、砝碼盤和砝碼等。實驗步驟如下：

圖1

(1)開動氣泵，調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌，輕推滑塊，當(dāng)滑塊上的遮光片經(jīng)過兩個光電門的遮光時間________時，可認(rèn)為氣墊導(dǎo)軌水平；

(2)用天平測砝碼與砝碼盤的總質(zhì)量m1、滑塊(含遮光片)的質(zhì)量m2；

(3)用細(xì)線跨過輕質(zhì)定滑輪將滑塊與砝碼盤連接，并讓細(xì)線水平拉動滑塊；

(4)令滑塊在砝碼和砝碼盤的拉動下從左邊開始運(yùn)動，和計算機(jī)連接的光電門能測量出遮光片經(jīng)過A、B兩處的光電門的遮光時間Δt1、Δt2及遮光片從A運(yùn)動到B所用的時間t12；

(5)在遮光片隨滑塊從A運(yùn)動到B的過程中，如果將砝碼和砝碼盤所受重力視為滑塊所受拉力，拉力沖量的大小I=________，滑塊動量改變量的大小Δp=________；(用題中給出的物理量及重力加速度g表示)

(6)某次測量得到的一組數(shù)據(jù)：d=1.000 cm，m1=1.50×10-2kg，m2=0.400 kg，Δt1=3.900×10-2s，Δt2=1.270×10-2s，t12=1.50 s，取g=9.80 m/s2。計算可得I=________N·s，Δp=________kg·m·s-1；(結(jié)果均保留三位有效數(shù)字)

本題考查用圖1裝置驗證動量定理，實際上，此裝置還可以用于探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系，驗證動能定理，驗證機(jī)械能守恒等等。

一、探究、驗證不同力學(xué)規(guī)律的實驗原理及方法簡介

圖2中滑塊的質(zhì)量為M，砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量為m，繩子對滑塊的拉力為F。

圖2

對砝碼盤和砝碼有mg-F=ma

對滑塊有F=Ma

(一)驗證動量定理

(二)探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系(驗證牛頓第二定律)

1.當(dāng)滑塊質(zhì)量M一定時，可通過改變砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量(改變拉力F)從而改變加速度a來探究合外力與加速度的關(guān)系。

2.當(dāng)滑塊所受合外力一定(砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量不變)，可改變滑塊的質(zhì)量M從而改變加速度a來探究加速度與滑塊質(zhì)量的關(guān)系。

(三)驗證動能定理

(四)驗證機(jī)械能守恒

二、探究、驗證不同力學(xué)規(guī)律存在的幾點(diǎn)疑惑及釋疑

疑惑一：在探究、驗證哪些力學(xué)規(guī)律，什么情況下需要砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量m遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于滑塊的質(zhì)量M？

(一)在驗證動量定理，探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系，驗證動能定理的實驗時，要根據(jù)實際情況分析。

1.需要m?M。

用圖2裝置驗證動量定理，探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系，驗證動能定理的實驗中，需要用砝碼盤和砝碼的總重力mg代替繩子的拉力(即F=mg)，可以通過以下分析過程得到要使F=mg的條件。

2.不需要m?M。

若圖2中繩子和滑塊通過力的傳感器連接時，這時無論m是否遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于M，都可以直接通過力的傳感器得到繩子的拉力大小。

(二)驗證機(jī)械能守恒時不需要m?M

疑惑二：探究、驗證不同規(guī)律時，描點(diǎn)作出的兩個物理量的關(guān)系圖像是否成線性變化關(guān)系的問題?

(一)當(dāng)滑塊質(zhì)量M一定，a-F的關(guān)系圖像是否成線性關(guān)系？

圖3

圖4

實驗過程中我們在處理數(shù)據(jù)描點(diǎn)作a-F的關(guān)系圖像時，繩子的拉力F的值是使用mg代替的，現(xiàn)可推出圖像的表達(dá)式：

當(dāng)滑塊質(zhì)量M一定，在增大F時，實際增大的是砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量m，m增大有兩個階段：m遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于M和m不再遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于M。

1.砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量m遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于滑塊質(zhì)量M時，a-F的關(guān)系是線性變化關(guān)系

2.砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量m不滿足遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于滑塊質(zhì)量M時，a-F的關(guān)系是非線性變化關(guān)系

3.當(dāng)圖2中繩子和滑塊通過力的傳感器連接時，a-F的關(guān)系圖像成線性變化關(guān)系

(二)驗證動能定理，-W合關(guān)系圖像是否成線性變化關(guān)系

圖5

圖6

(3)當(dāng)圖2中繩子和滑塊通過力的傳感器連接時，圖像成線性變化關(guān)系。

2.保持滑塊的拉力F(即砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量m)不變，調(diào)整B點(diǎn)光電門的位置改變A、B間的距離xAB。