2022年高考物理江蘇卷第11題的評(píng)析、溯源及其拓展
——管窺智能手機(jī)在高考實(shí)驗(yàn)題中的應(yīng)用研究

王金兵

(江蘇省南通市天星湖中學(xué))

1 試題解析

【例1】(2022·江蘇卷·11)小明利用手機(jī)測(cè)量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖1所示,他將一根木條平放在樓梯臺(tái)階邊緣,小球放置在木條上,打開手機(jī)的“聲學(xué)秒表”軟件,用鋼尺水平擊打木條使其轉(zhuǎn)開后,小球下落撞擊地面,手機(jī)接收到鋼尺的擊打聲開始計(jì)時(shí),接收到小球落地的撞擊聲停止計(jì)時(shí),記錄下?lián)舸蚵暸c撞擊聲的時(shí)間間隔t,多次測(cè)量不同臺(tái)階距離地面的高度h及對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔t。

圖1

(1)現(xiàn)有以下材質(zhì)的小球,實(shí)驗(yàn)中應(yīng)當(dāng)選用________。

A.鋼球 B.乒乓球 C.橡膠球

(2)用分度值為1 mm的刻度尺測(cè)量某級(jí)臺(tái)階高度h的示數(shù)如圖2所示,則h=________cm。

圖2

(3)作出2h-t2圖線,如圖3所示,則可得到重力加速度g=________m/s2。

圖3

(4)在圖1中,將手機(jī)放在木條與地面間的中點(diǎn)附近進(jìn)行測(cè)量,若將手機(jī)放在地面A點(diǎn),設(shè)聲速為v,考慮擊打聲的傳播時(shí)間,則小球下落時(shí)間可表示為t′=________(用h、t和v表示)。

(5)有同學(xué)認(rèn)為,小明在實(shí)驗(yàn)中未考慮木條厚度,用圖像法計(jì)算的重力加速度g必然有偏差。請(qǐng)判斷該觀點(diǎn)是否正確,簡(jiǎn)要說明理由。

【解析】(1)小球材料的選擇主要是要考慮空氣阻力等影響,應(yīng)該選用材質(zhì)密度較大的小鋼球,故選A。

(2)刻度尺的分度值為1 mm,估讀到分度值的下一位,由題圖可知h=61.20 cm。

2 試題命題評(píng)析及備考啟示

2.1 試題命題意圖

2.1.1 以真實(shí)的生活情境為信息載體,考查考生的科學(xué)素養(yǎng)和探究能力。

本題以最受大眾歡迎的智能手機(jī)為題目信息載體,具有強(qiáng)烈的親和力和前沿性,激發(fā)考生解題興趣,在緊張嚴(yán)肅的高考情境中送來一絲暖意。使用手機(jī)的“聲學(xué)秒表”軟件,從名稱上一目了然,考生不難理解。本題以科學(xué)探究為主線,給出實(shí)驗(yàn)步驟和圖像,通過圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,從而解決物理問題,考查考生獲取和處理信息的科學(xué)素養(yǎng)和探究能力。

2.1.2 聯(lián)系生活實(shí)際,運(yùn)用高科技手段,考查考生的科學(xué)思維和學(xué)科關(guān)鍵能力。

本題主要考查考生的關(guān)鍵能力有器材讀數(shù)能力、公式變形能力、圖像處理能力,同時(shí)還有較高層次的理解能力和推理論證能力。考查考生科學(xué)思維中的科學(xué)推理和科學(xué)論證等學(xué)科素養(yǎng)。使用這個(gè)軟件,順利解決了在實(shí)驗(yàn)中不能準(zhǔn)確測(cè)量時(shí)間的難題。

2.1.3 彰顯“立德樹人、引導(dǎo)教學(xué)、服務(wù)選材”的高考核心功能,發(fā)揮高考的引領(lǐng)作用。

測(cè)定重力加速度是必做實(shí)驗(yàn),本題用手機(jī)和身邊的物品進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并沒有利用課堂上提供的常規(guī)器材,引導(dǎo)考生在新情境、新器材中解決問題,考查知識(shí)遷移和創(chuàng)新能力,凸顯高考的三大核心功能。

2.2 設(shè)計(jì)思路

本題以手機(jī)為信息載體,一改現(xiàn)有的陳題中利用手機(jī)拍攝照片或視頻來處理實(shí)驗(yàn)的題目情境,將手機(jī)視頻處理改為聲音處理,具有創(chuàng)新性。對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ目疾椴荒芫窒抻谒烙浻脖?要考查出考生的動(dòng)手能力和切合實(shí)際的思維能力,因此設(shè)計(jì)出第(1)小問要求考生選擇恰當(dāng)?shù)男∏?考生需要考慮減小阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響從而選擇鋼球。測(cè)量類實(shí)驗(yàn)器材的讀數(shù)是實(shí)驗(yàn)?zāi)芰疾榈幕疽?因此設(shè)計(jì)出第(2)小問,這個(gè)小題屬于送分題。第(3)小問圖像題是高考實(shí)驗(yàn)的基本能力考點(diǎn),由圖像的縱坐標(biāo)、橫坐標(biāo)要能聯(lián)想出基本公式,從而明白圖像的意義。圖像題一般要求考生把握住圖像的縱坐標(biāo)、橫坐標(biāo)的意義,圖像的斜率、截距、交點(diǎn)、面積、變化趨勢(shì)等問題,而本題考的是常見斜率問題。會(huì)對(duì)基本公式進(jìn)行變形,這也是實(shí)驗(yàn)的基本能力之一。第(4)小問時(shí)間的計(jì)算,知道聲音傳播的時(shí)間和小球下落的時(shí)間,考生要厘清他們的關(guān)系從而求解。要解決第(5)小問必須能夠真正理解斜率的意義,考查的難度有所提升,體現(xiàn)高考題的人才選拔功能。理解厚度只會(huì)影響圖像的截距,并不會(huì)影響斜率,所以對(duì)實(shí)驗(yàn)的測(cè)量沒影響。這道實(shí)驗(yàn)題情境新、考查的能力點(diǎn)不難,有一定的思維深度,體現(xiàn)核心素養(yǎng)的考查。

2.3 備考啟示

2.3.1 加強(qiáng)對(duì)手機(jī)應(yīng)用APP的研究,更要重視其中與物理生活密切相關(guān)的軟件,多反思其與物理題目中高考知識(shí)點(diǎn)的關(guān)聯(lián),在命制模擬題時(shí)有針對(duì)性地訓(xùn)練,讓考生對(duì)手機(jī)APP在高考中的可能運(yùn)用有更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

2.3.2 在日常實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)教學(xué)中,要多研究新課標(biāo),多反思新高考的理念,對(duì)全國(guó)各地近幾年的新高考實(shí)驗(yàn)題,進(jìn)行分析和拓展反思,特別是有關(guān)高科技情境的題目,進(jìn)而探討分析實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效策略。多讓考生動(dòng)手去做實(shí)驗(yàn),多啟發(fā)考生思考實(shí)驗(yàn),創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案,而不是空講實(shí)驗(yàn)、死記常規(guī)實(shí)驗(yàn)。

2.3.3 多加強(qiáng)常規(guī)實(shí)驗(yàn)的操作與創(chuàng)新,訓(xùn)練基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛯W(xué)科關(guān)鍵能力。在經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中探索新情境、設(shè)計(jì)更貼近生活熱點(diǎn)的實(shí)驗(yàn),巧妙創(chuàng)設(shè)問題鏈,引導(dǎo)考生發(fā)散思維與深度思考,強(qiáng)化關(guān)鍵能力的培養(yǎng)。對(duì)實(shí)驗(yàn)問題情境信息的呈現(xiàn)方式力求新穎化、多樣化,訓(xùn)練在新穎奇特的信息呈現(xiàn)方式下進(jìn)行有用信息的科學(xué)解讀和轉(zhuǎn)化,培養(yǎng)考生的信息加工能力。

2.3.4 多研究高考試題對(duì)復(fù)習(xí)的引領(lǐng)和導(dǎo)向作用。從本題管窺發(fā)現(xiàn)2022年江蘇高考物理卷依托高考評(píng)價(jià)體系,聚焦物理學(xué)科主干內(nèi)容,體現(xiàn)操作性、創(chuàng)新性、生活性等特點(diǎn),加強(qiáng)學(xué)科關(guān)鍵能力的考查,突出體現(xiàn)對(duì)物理觀念,科學(xué)思維,科學(xué)探究的考查,在命題導(dǎo)向中彰顯物理學(xué)科核心素養(yǎng),對(duì)今后的復(fù)習(xí)起到正確的引導(dǎo)作用。

3 試題溯源與分析

3.1 試題溯源

【例2】(2021·山東卷·13)某乒乓球愛好者,利用手機(jī)研究乒乓球與球臺(tái)碰撞中能量損失問題的情況。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

①固定好手機(jī),打開錄音功能;

②從一定高度由靜止釋放乒乓球;

③手機(jī)記錄下乒乓球與臺(tái)面碰撞的聲音,其隨時(shí)間(單位：s)的變化圖像,如圖4所示。

圖4

根據(jù)聲音圖像記錄的碰撞次序及相應(yīng)碰撞時(shí)刻,如下表1：

表1

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),回答下列問題：

(1)求出球第3次碰后乒乓球的彈起高度為________m(保留2位有效數(shù)字,當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭=9.80 m/s2)。

(2)設(shè)碰撞前瞬間速度大小與碰后瞬間速度大小的比值為k,則每次碰撞損失的動(dòng)能是碰撞前動(dòng)能的________(用k表示)倍,第3次碰撞過程中k=________(保留2位有效數(shù)字)。

(3)由于存在空氣阻力,第(1)問中彈起高度________(填“高于”或“低于”)實(shí)際彈起高度。

3.2 溯源分析

2021年山東卷第13題與2022江蘇卷第11題高度相似,都是以手機(jī)為信息載體,不拘泥于課本實(shí)驗(yàn)。時(shí)間的獲得均來源于手機(jī)聲音文件,改變現(xiàn)有陳題中用手機(jī)視頻來做數(shù)據(jù)處理的方式,立足生活中的真實(shí)情境來考查物理知識(shí),抓牢考生的好奇心和時(shí)代熱點(diǎn),發(fā)揮育人導(dǎo)向作用。都是研究小球下落過程。充分利用手機(jī),考查在新情境中的解題能力和創(chuàng)新能力。都是考查自由落體運(yùn)動(dòng)、勻變速運(yùn)動(dòng)的規(guī)律靈活運(yùn)用情況,聯(lián)系生活實(shí)際和現(xiàn)代科技,考查科學(xué)探究能力。山東卷采用手機(jī)錄音方式記錄下落過程,然后對(duì)聲音文件進(jìn)行分析,從聲音文件的波形圖上找到各階段準(zhǔn)確時(shí)間,江蘇卷更好地利用智能手機(jī)能夠安裝APP的特點(diǎn),別出心裁地選用“聲學(xué)秒表”軟件。情境上唯一的變化是下落后是否研究反彈過程。山東卷考查了時(shí)間及能量問題,江蘇卷只考了時(shí)間問題,將題目難度下調(diào),一改江蘇高考物理試卷難度很大的局面。江蘇卷充分考查了圖像的斜率問題。兩道題的具體考查對(duì)比如表 2所示。

表2

3.3 溯源啟示

3.3.1 要轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念,明確高考對(duì)關(guān)鍵能力的考查要求。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)基于基本技能,但更要立足運(yùn)用身邊的物品來探究實(shí)驗(yàn),體現(xiàn)創(chuàng)新性的要求,上述兩道試題都是聯(lián)系生活,運(yùn)用科學(xué)技術(shù),注重時(shí)代性。利用手機(jī)、乒乓球等考生身邊熟悉的器材,考查考生的物理學(xué)科核心素養(yǎng),發(fā)揮考題對(duì)日常教學(xué)的導(dǎo)向作用。

3.3.2 要重視歷年高考題中新情境題目的分析,特別是關(guān)乎社會(huì)熱點(diǎn)及高科技產(chǎn)品的運(yùn)用。

日常備考復(fù)習(xí)中,對(duì)涉及的相關(guān)歷年高考題,多分析反思,多揣摩相關(guān)的可能命題點(diǎn),并運(yùn)用到復(fù)習(xí)備考的模擬訓(xùn)練中去,讓考生熟悉新情境,感悟高科技。

3.3.3 要重視命題者對(duì)歷年高考試題尤其是高考新題的溯源工作,挖出潛在的考點(diǎn)。

領(lǐng)會(huì)命題人的意圖,切合高考對(duì)核心素養(yǎng)的考查要求,重視關(guān)鍵能力的培養(yǎng)和科學(xué)思維方法的分析。在學(xué)習(xí)物理的做題過程中出錯(cuò)是難免的,重要的是找到出錯(cuò)的根源,學(xué)會(huì)從追溯到最初的觀察和實(shí)驗(yàn)、追溯到新舊知識(shí)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。另外,在中學(xué)物理教學(xué)過程中,要重視模型、規(guī)律和方法的溯源,從而為知識(shí)的融會(huì)貫通打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。領(lǐng)會(huì)高考卷起到的正本清源、培元固本的積極導(dǎo)向作用。

4 試題拓展

智能手機(jī)運(yùn)用到物理實(shí)驗(yàn)與高考考查中,這是與時(shí)俱進(jìn)的表現(xiàn),現(xiàn)代社會(huì)手機(jī)使用頻率非常高,運(yùn)用范圍非常廣。在2022年各地高考試卷中,除了江蘇卷第11題外,其他地區(qū)的高考卷也有考查,比如2022年北京卷第16題,用手機(jī)作為計(jì)時(shí)工具,2022年全國(guó)乙卷第18題,在手機(jī)上安裝磁傳感器APP來測(cè)量磁場(chǎng)等等,各地模擬試題中關(guān)于手機(jī)的題目更是數(shù)不勝數(shù)。

拓展1：分析彈簧振動(dòng)。將智能手機(jī)作為振子隨著彈簧一起在豎直方向上運(yùn)動(dòng),利用智能手機(jī)加速度傳感器Accelogger軟件記錄振動(dòng)過程中三維空間的加速度,并作出圖像。通過分析加速度隨時(shí)間的變化曲線,再結(jié)合彈簧做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的相關(guān)理論求出在單個(gè)彈簧和多個(gè)彈簧串聯(lián)兩種情況下的振動(dòng)周期、勁度系數(shù)和重力加速度。

拓展2：測(cè)量向心加速度和角速度。基于手機(jī)內(nèi)置加速度傳感器與陀螺儀,使用“SPARKvue” “Sensorkinetics”兩款手機(jī)軟件。在距轉(zhuǎn)軸兩側(cè)相同距離的地方固定兩部手機(jī),手機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑不變。兩部手機(jī)分別安裝SPARKvue軟件和SensorKinetics 軟件來記錄向心加速度和角速度的大小。將記錄的數(shù)值導(dǎo)入Excel中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。本方案突破了僅僅通過理論推導(dǎo)向心加速度表達(dá)式的局限,切實(shí)促進(jìn)考生核心素養(yǎng)能力的提升。

拓展3：研究二維光柵衍射。手機(jī)屏幕的像素點(diǎn)陣可以視為二維光柵,當(dāng)激光入射時(shí),會(huì)產(chǎn)生類似簡(jiǎn)單晶格衍射的圖樣。實(shí)驗(yàn)引入了手機(jī)軟件phyphox進(jìn)行光路的共軸調(diào)節(jié),提高了測(cè)量精度,此處不再贅述。

拓展4：測(cè)速度。

【例3】(2022·河北省期末考試)某品牌手機(jī)配置有速度傳感器,可以測(cè)定手?jǐn)[動(dòng)的速度。某同學(xué)手握手機(jī),手臂伸直,以肩為軸自然下擺,手機(jī)顯示,手臂先后兩次擺到豎直方向時(shí)的速度大小之比為k(k>1)。若手機(jī)的質(zhì)量不可忽略,不計(jì)空氣阻力,則手臂這兩次擺到豎直位置時(shí),手機(jī)受到手豎直方向的作用力大小之比 ( )

A.為kB.為k2

C.大于k2D.小于k2

5 結(jié)語(yǔ)