突出素養導向 考查關鍵能力
——對2021年蘇州市中考物理第30題的賞析及拓展

洪進步 任少鐸

（1.廈門市翔安區教師進修學校，福建 廈門 361101；2.廈門市海滄區東孚中學，福建 廈門 361000）

物理學科的核心素養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.物理學科關鍵能力是學習者在面對與學科相關的生活實踐或學習探索問題情境時，高質量地認識問題、分析問題、解決問題所必須具備的能力.教育部考試中心認為物理科關鍵能力包括理解能力、推理論證能力、模型建構能力、實驗探究能力、創新能力等5種關鍵能力.［1］2021年蘇州市中考試卷的壓軸題第28題，以邁克爾遜測光速實驗為背景，立意新穎，構思巧妙，合理建構物理模型，突出物理學科核心素養，重點考查學生理解能力和推理論證能力等物理學科關鍵能力，可謂是物理學科思維物化的典范之一.

1 原題呈現

例題.光速的測定在物理學中有多種方法.邁克耳遜曾用類似于下述方法在地球上較精確測定了光速.將激光發射器和接收裝置按圖1所示位置固定.裝置a是4個側面均鍍有高反光涂層的正方體，可繞固定的中心軸轉動（圖1所示為俯視圖）.當正方體轉動到圖示位置靜止時，激光束恰能以45°角照射到某側面中心P點處，反射到相距幾十公里外的一個山頂上，經此處的光反射器（內部結構未畫出，不計光在其中的傳播時間）反射后，平行于原光線射到正方體另一側面中心Q點處，最終被接收裝置接收到.

圖1 蘇州中考題插圖

（1）若光速為3×105km/s，正方體到光反射器之間的距離為30 km，則光從P點射出到射回Q點所用的時間為________s；

（2）正方體快速轉動一周，光反射器能接收到________次激光的照射；

（3）當正方體的轉速為n圈/秒時，接收裝置可接收到激光，正方體與對面山頂光反射器間距離用d（單位：m）表示，則測得的光速可能為________m/s（填寫選項符號）

（A）8nd. （B）12nd.

（C）16nd. （D）20nd.

參考答案：（1）2×10-4；（2）4；（3）（A）.

2 試題背景

光速是一個重要的物理常量，歷史上不少科學家都進行過光速測量實驗.伽利略首先意識到光傳播需要時間（光有速度），并且用實驗進行了測量，但由于條件所限，誤差極大；羅默用天文法測得的光速為c=214000 km/s；斐索用“旋轉齒輪”進行了光速測量實驗（測得的光速為c=315300 km/s）；傅科改進了菲索的方法，用“旋轉鏡法”測出了更接近實際的值（測得光速為c=298000 km/s）.邁克爾遜在斐索和傅科等人的基礎上，設計了“旋轉八角棱鏡法”測量光速，實驗裝置如圖2所示.如果棱鏡靜止不動，強光源S發出的光經過圖2箭頭所示的路徑后會進入望遠鏡R從而被觀察到；如果正八角棱鏡逆時針轉動（讀者的角度），那么被鏡面1反射的光，再次回到八角棱鏡時，鏡面3已經不在原來的位置了，此時光被正八角棱鏡反射后就不能進入望遠鏡R中了.適當調節正八角棱鏡的轉速，使被鏡面1反射的光，被再次反射回八角棱鏡時，正八角棱鏡恰好轉過一面，即鏡面2剛好轉到鏡面3原來的位置，那么光就會被鏡面2反射并剛好進入R中.根據光傳播的路程和棱鏡轉過1/8轉所用的時間，就可以算出空氣中的光速.邁克爾遜測出的光速為c=299796 km/s，這是當時最精確的光速值.［2］

圖2 邁克爾遜實驗示意圖

邁克爾遜精準的光速數據，為狹義相對論的建立打下了實驗基礎.由于在光學精密測量和光譜學上的研究，邁克爾遜獲得了1907年的諾貝爾物理學獎，也是美國第一個獲的諾貝爾獎的科學家.從1879年到1926年的幾十年里，邁克爾遜不斷地改進光速測量實驗，孜孜不倦，精益求精，不斷刷新著有自己創造的記錄.最后，在一次精心設計的光學測定過程中，邁克爾遜因腦溢血不幸去世.可以說，邁克爾遜將畢生都獻給了光速的測量.［2］

3 試題賞析

本題是2021年蘇州中考物理試卷的壓軸題，難點在第（3）問.試題主要考查光速的計算，解題的關鍵是能夠理解為什么正方體轉動時，接收裝置也可以接收到激光.同時還要求學生能夠用所給的條件推導得出光速的可能值.具體來看，本題有以下特點值得借鑒.

3.1 立足物理學史，滲透建模意識

本題立足物理學史中著名的邁克爾遜測量光速實驗，并將原實驗進行了一定的簡化，以降低難度.在呈現給學生時，試題突出主要因素（光從正方體到反射器的距離），忽略次要因素（光在反射器中傳播的距離），將整個光速測量過程建構成一個理想的物理模型.通過突出建構模型，簡化了物理過程，使物理情景形象化，有助于在學生大腦中滲透建構物理模型的意識，掌握抓住主要矛盾的科學方法，提高實驗探究等綜合能力.

3.2 基于實驗過程，突出物理觀念

試題基于測量光速的實驗過程，考查學生對運動學知識的理解情況.本題突出“物理觀念”中“運動觀念”的幾個基本概念：路程（光往返的路程）；時間（光往返的時間、棱鏡轉過一定角度的時間）；速度（光傳播的速度、棱鏡轉動的速度）.試題要求學生從運動與相互作用觀念等視角來思考問題，能否推理得出光往返的時間剛好等于棱鏡轉過一定角度的時間是正確解答本題的關鍵.

3.3 緊扣動態分析，彰顯科學推理

試題第（2）問考查動態分析，即正方體轉動一周，光反射器能接收到多少次激光的照射.由于旋轉是一個動態過程，需要分析正方體處于不同位置時光的具體路徑，并推理正方體轉動一周的過程中光可以到達接收器幾次.通過分析，正方體繞軸轉動時，當入射光與正方體的反射面［圖3（a）中的1面］之間的夾角為45°時，激光剛好可以被水平向左反射，繼而進入反射器（未畫出）并被平行射回正方體（光傳播的時間忽略不計），被正方體的另一反射面［圖3（a）中的2面］反射后剛好進入接收器.當入射光與正方體的反射面之間的角度非45°時，激光便不能被水平向左反射，也就不能進入反射器，自然無法再進入接收器.經過科學推理，入射光與正方體之間的夾角為45°角的時刻，剛好有4個（如圖3所示），所以第（2）問答案為4.

圖3 旋轉動態過程分析

通過動態過程，要求學生能夠基于實際過程綜合運用幾何知識分析問題，靈活運用邏輯思維進行推導，并最終解決問題，彰顯科學推理，突出核心素養.

4 創設開放問題，考查關鍵能力

圖4

試題最后一問，要計算出光速，必須對測量原理有深刻的理解，這就要求學生具備一定的抽象思維和高階思維能力；通過設置開放性問題，進一步考查學生的推理論證能力、實驗探究能力等關鍵能力.

4 試題拓展

4.1 關于棱鏡的選擇

本題為了降低難度，特意把八棱鏡換成了正方體.事實上，初中階段數學已經學習了平面幾何知識和正多邊形知識，學生能夠算出正多邊形的各個內角大小，也能夠進行一定的平面幾何推導.筆者認為，可拓展設計如下問題.

拓展問題1.在不改變其他器材及其位置的情況下，用如圖5所示幾種正多角棱鏡（橫截面均為正多邊形）替代題中的正方體，當棱鏡靜止時，接收器能夠接收到激光的是

圖5 拓展選項圖

（A）正五角棱鏡. （B）正六角棱鏡.

（C）正七角棱鏡. （D）正八角棱鏡

由于不改變其他裝置及其位置，要讓接收器能夠接收到激光，根據平面幾何知識可以得出，兩個反射面必須垂直，滿足這個條件的只有（D）選項（正八角棱鏡）.對于此問，如果沒用幾何知識合力推理，則很有可能會選擇（B）選項（正六角棱鏡）.因此，用本問能夠較好地診斷學生是否具備一定的科學推理能素養.

4.2 關于選項的拓展

原題的第（3）小問，或許為了降低難度，正確選項只設置了一個.根據第3問的描述，光速計算的理論值為c=8nd/x（x=1、2、3……），只有（A）選項符合題意.為了進一步考查學生的思維能力，可以將第（3）變為多選題，并將選項改為如下內容：

（A）2nd. （B）4nd.

（C）8nd. （D）16nd

如此，答案就不只有一個了，而是（B）、（C）均可.對于此問，如果認為光往返的時間棱鏡只旋轉了90°，則答案不全對；只有分析到棱鏡有可能轉過90°的整數倍的角度，才能夠完全答對.修改后的問題能夠更好的考查學生的推理論證能力、實驗探究能力等關鍵能力.

4.3 關于過程的考查

由于題目第（3）小問理論上可以計算出無數個光速值，那么如何明確光速究竟是多少呢？對此本題并未深究.事實上，之所以能夠計算出多個光速值，就是因為光經過一個來回的時間棱鏡只要轉動90°的整數倍就接收器就可以接收到光.因此只要從0開始逐漸增大棱鏡的轉速，那么接收器第一次接收到激光的時候，棱鏡必然只轉動了90°，此時光速的計算值就是唯一的了，歷史上邁克爾遜也是如此進行實驗的.筆者認為，為了進一步彰顯科學推理和考查思維能力，應當拓展設計如下問題.

拓展問題2.正方體與對面山頂光反射器間距離用d（單位：m）表示，實驗中應當如何操作才能準確的測定出光速的具體數值呢？

答案：從靜止開始慢慢加快棱鏡的轉速，直到接收裝置再次接收到激光時，記下此時的轉速為n圈/秒，則光速為8nd.

通過本問，不僅展現了完整的邁克爾遜測量光速實驗思路，還可以考查學生的思維能力，并有助于發展學生的科學探究素養，培養學生的創新精神，提高邏輯思維、實驗探究等綜合能力.

5 試題啟示

當前中學物理教學仍然存在重知識輕能力的現象，不少教師仍采取填鴨式教學，無視學習興趣的激發，不顧學生的認識發展規律，機械地把學生的思維活動帶進預定的軌道，忽視學生高階思維的發展.這種教學自然無法適應如今靈活多變的中考.對于蘇州中考第28題而言，若單純的考查平面幾何知識，學生或許很容易作答，但考查在物理情境中運用幾何知識解決實際問題，學生就不適應了，可見學生學生從“解題”向“解決問題”轉變還不夠徹底.

學習不僅是知識技能的相加，還必須使學習者具備應對未來的能力.因此，我們在教學過程中，應注重實際問題的解決，將物理與科學技術進步、生產生活實際緊密聯系起來，通過設置真實的問題情境，要求學生能夠在復雜的、新穎的試題情境下，抓住核心要素構建物理模型，綜合運用所學知識和技能解決問題，實現從“解題”向“解決問題”的轉變，發展學生的物理學科核心素養，以便今后更加適應社會的發展.