高考力學(xué)實(shí)驗(yàn)題探源及啟示

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高考力學(xué)實(shí)驗(yàn)題探源及啟示

任才生

(江蘇省宜興市丁蜀高級(jí)中學(xué)，江蘇宜興214221)

名師簡(jiǎn)介：任才生，江蘇省物理特級(jí)教師，江蘇省基礎(chǔ)教育課程改革先進(jìn)個(gè)人，長(zhǎng)期擔(dān)任高三物理教學(xué)工作，曾主持省教育科學(xué)規(guī)劃課題《高中課堂主體互動(dòng)式訓(xùn)練的策略研究》等，在核心期刊上發(fā)表多篇論文.

通覽2015年全國(guó)高考14份試卷的力學(xué)實(shí)驗(yàn)題部分，發(fā)現(xiàn)該部分試題依然秉持著“依綱扣本、穩(wěn)中有新、橫向拓展、縱向挖掘、考查能力”的特點(diǎn)，熟悉的實(shí)驗(yàn)題“面孔”能調(diào)節(jié)學(xué)生緊張的應(yīng)考情緒，有利于學(xué)生正確解決問(wèn)題.縱橫拓展，既體現(xiàn)了對(duì)學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)的考查，又注重了對(duì)能力的考查.另一方面，細(xì)品這些試題，不難發(fā)現(xiàn)，有一部分力學(xué)實(shí)驗(yàn)題就是來(lái)自我們的身邊，它們或是課本圖片的延伸，或是典型習(xí)題的改造，或是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的再認(rèn)識(shí).探究這些實(shí)驗(yàn)題的命題源頭，對(duì)我們高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和高三實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)，尤其是充分發(fā)掘和有效運(yùn)用教學(xué)資源有非?，F(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義.

1源于教材圖片

圖1

(2) 將最長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間0.4s代入上式中可得x=80cm；

(3) 由于直尺下落時(shí)做自由落體運(yùn)動(dòng)，是一個(gè)勻加速運(yùn)動(dòng)，則等時(shí)間內(nèi)位移不等.

探源及啟示：本題源自于人教版必修1的“自由落體”一節(jié)中的“做一做”欄目.試題在原有的“測(cè)反應(yīng)時(shí)間”的基礎(chǔ)上，糅合了“臨界問(wèn)題”和“勻變速運(yùn)動(dòng)中等時(shí)間內(nèi)的位移關(guān)系”等問(wèn)題，是對(duì)原有問(wèn)題和操作的進(jìn)一步拓展和延伸.同時(shí)該題對(duì)中學(xué)的物理教學(xué)也具有較好的引導(dǎo)作用，引導(dǎo)教師和學(xué)生要重視體驗(yàn)，在體驗(yàn)中，感受物理其實(shí)就在我們身邊，從而喚起學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)的熱情；在體驗(yàn)中，形成思維和情感的碰撞[1]，進(jìn)而感悟知識(shí)與方法，通過(guò)類比、遷移而逐步形成良性的認(rèn)知.教材是我們教學(xué)中最主要也是最重要的教學(xué)資源，我們應(yīng)當(dāng)認(rèn)真研讀，充分發(fā)掘，合理運(yùn)用及拓展.

2源于課本基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

例2(2015年高考山東卷)：某同學(xué)通過(guò)下述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證力的平行四邊形定則.實(shí)驗(yàn)步驟：① 將彈簧秤固定在貼有白紙的豎直木板上，使其軸線沿豎直方向.② 如圖2甲所示，將環(huán)形橡皮筋一端掛在彈簧秤的秤鉤上，另一端用圓珠筆尖豎直向下拉，直到彈簧秤示數(shù)為某一設(shè)定值時(shí)，將橡皮筋兩端的位置記為O1、O2，記錄彈簧秤的示數(shù)F，測(cè)量并記錄O1、O2間的距離(即橡皮筋的長(zhǎng)度l).每次將彈簧秤示數(shù)改變0.50N，測(cè)出所對(duì)應(yīng)的l，部分?jǐn)?shù)據(jù)如下表所示.③ 找出②中F=2.50N時(shí)橡皮筋兩端的位置，重新記為O、O′，橡皮筋的拉力記為FOO′.④ 在秤鉤上涂抹少許潤(rùn)滑油，將橡皮筋搭在秤鉤上，如圖2乙所示.用兩圓珠筆尖成適當(dāng)角度同時(shí)拉橡皮筋的兩端，使秤鉤的下端達(dá)到O點(diǎn)，將兩筆尖的位置標(biāo)記為A、B，橡皮筋OA段的拉力記為FOA，OB段的拉力記為FOB.

圖2

F(N)00.501.001.502.002.50l(cm)l010.9712.0213.0013.9815.05

完成下列作圖和填空：(1) 利用上表中數(shù)據(jù)在給出的坐標(biāo)紙上(見(jiàn)答題卡)畫(huà)出F-l圖線，根據(jù)圖線求得l0=_______cm.(2) 測(cè)得OA=6.00cm，OB=7.60cm，則FOA的大小為_(kāi)______N.(3) 根據(jù)給出的標(biāo)度，在答題卡上作出FOA和FOB的合力F′的圖示.(4) 通過(guò)比較F′與________的大小和方向，即可得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

解析：(1) 作出F-l圖像(如圖3)，可得圖線的橫截距l(xiāng)0=10.00cm；

圖3

(2) 由所作圖線可得橡皮筋的勁度系數(shù)為k=50N/m，當(dāng)OA=6.00cm和OB=7.60cm時(shí)，考慮橡皮筋原長(zhǎng)為10.00cm，則橡皮筋實(shí)際伸長(zhǎng)量為3.6cm，則F=1.8N；

目前，高校在資產(chǎn)管理、財(cái)務(wù)管理、人事管理、科研管理、教務(wù)管理以及日常辦公等領(lǐng)域都在逐漸推進(jìn)校園信息化進(jìn)程。但是由于高校的直線職能式組織結(jié)構(gòu)，信息能夠迅速自上而下從管理層傳遞到教職員工，而教職工的基層民意卻很難反映到管理層，導(dǎo)致信息溝通存在障礙。加之各部門(mén)內(nèi)部的工作管理系統(tǒng)不能完全做到對(duì)接或?qū)崟r(shí)共享，橫向信息溝通渠道也存在障礙。

(3) 由于兩支圓珠筆同時(shí)拉橡皮筋的兩端，且秤鉤上涂抹少許潤(rùn)滑油，故可認(rèn)為橡皮筋兩端拉力相等，選擇合適標(biāo)度作圖(如圖4)；

圖4

(4) 通過(guò)比較F′和FO O′的大小和方向，可得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

探源及啟示：以新穎器材完成學(xué)生熟悉的實(shí)驗(yàn)、以常見(jiàn)裝置或儀器設(shè)置情景，橫向拓展，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)該裝置的實(shí)驗(yàn)功能，是目前高考卷在實(shí)驗(yàn)題部分的兩大命題趨勢(shì).例2就是前者的代表.本題涉及的“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”是力學(xué)中的一個(gè)常規(guī)實(shí)驗(yàn)，在各類模擬卷和教輔資料中較為常見(jiàn)，但這些資料針對(duì)本實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)的試題往往局限于書(shū)本實(shí)驗(yàn)的范疇內(nèi)，少有突破.2015年山東高考物理卷的命制專家匠心獨(dú)具，在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，穿插了新思路，利用學(xué)生手中的圓珠筆替代了多個(gè)彈簧，器材有了變化，實(shí)驗(yàn)步驟有了變化，但不變的是實(shí)驗(yàn)的原理.實(shí)驗(yàn)原理是實(shí)驗(yàn)的靈魂,也是實(shí)驗(yàn)的“綱”,實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)處理和誤差分析既是重要的實(shí)驗(yàn)技能,又蘊(yùn)含理論問(wèn)題[2].本題這樣的設(shè)計(jì)，既要求考生對(duì)原有實(shí)驗(yàn)的原理、步驟、操作等有足夠的理解，又考查了學(xué)生審題能力、提煉歸納要點(diǎn)、類比和遷移等能力.同時(shí)，本題在一定程度上也能引導(dǎo)中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)走出“重復(fù)、低效做實(shí)驗(yàn)題”的現(xiàn)狀，轉(zhuǎn)向“重視實(shí)驗(yàn)分析、理解和應(yīng)用能力”等方向發(fā)展.

3源于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

例3(2015年高考福建卷)：如圖5所示，是某同學(xué)做“探究彈力和彈簧伸長(zhǎng)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn).

圖5

(1) 圖5甲是不掛鉤碼時(shí)彈簧下端指針?biāo)傅臉?biāo)尺刻度，其示數(shù)為7.73cm，圖5乙是在彈簧下端懸掛鉤碼后指針?biāo)傅臉?biāo)尺刻度，此時(shí)彈簧的伸長(zhǎng)量Δl為_(kāi)_______cm;

(2)本實(shí)驗(yàn)通過(guò)在彈簧下端懸掛鉤碼的方法來(lái)改變彈簧的彈力，關(guān)于此操作，下列選項(xiàng)中規(guī)范的做法是________；(填選項(xiàng)前的字母)

A. 逐一增掛鉤碼，記下每增加一只鉤碼后指針?biāo)傅臉?biāo)尺刻度和對(duì)應(yīng)的鉤碼總重.

B. 隨意增減鉤碼，記下增減鉤碼后指針?biāo)傅臉?biāo)尺刻度和對(duì)應(yīng)的鉤碼總重.

(3) 圖5丙是該同學(xué)描繪的彈簧的伸長(zhǎng)量Δl與彈力F的關(guān)系圖線，圖線的AB段明顯偏離直線OA，造成這種現(xiàn)象的主要原因是________.

解析：(1) 根據(jù)甲、乙兩圖可知彈簧伸長(zhǎng)量為6.93cm；

(2) 隨意增減鉤碼，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)變化大，不利于作圖，同時(shí)也可能超出彈簧的彈性形變范圍；

(3) 造成“圖線的AB段明顯偏離直線OA”的主要原因是鉤碼重力太大，已超出彈簧的彈性形變范圍.

探源及啟示：今年各地高考中涉及“探究彈力和彈簧伸長(zhǎng)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)的省份有福建省和四川省.兩題相比較，福建卷上的這道實(shí)驗(yàn)題(即例3)更具有將實(shí)驗(yàn)進(jìn)行“到底”的味道.本題不僅考查了該類試題中常見(jiàn)的讀數(shù)、規(guī)范操作等問(wèn)題，還涉及了“彈簧超出彈性形變范圍的情況”，是對(duì)本實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步深度挖掘.該現(xiàn)象在學(xué)生實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作中常有出現(xiàn)，體現(xiàn)了命題者尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)、重視學(xué)生實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題等，更體現(xiàn)了命題者針對(duì)目前中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀所作出的努力，即意圖引導(dǎo)中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)走出“紙上談兵”的現(xiàn)狀，“真正走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，做真實(shí)驗(yàn)”的目的.類似的，今年浙江卷的力學(xué)實(shí)驗(yàn)題，再次出現(xiàn)了“給出儀器圖片讓學(xué)生選擇”的試題，其目的也是希望引導(dǎo)學(xué)生走入實(shí)驗(yàn)室.上面一例與本題明顯提醒我們：在高中物理教學(xué)中，應(yīng)重視教材設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生真正走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，有實(shí)驗(yàn)的真經(jīng)歷、真體驗(yàn)，積累實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，千萬(wàn)不要在黑板上、白紙上“寫(xiě)”實(shí)驗(yàn).

4源于典型習(xí)題模型

例4(2015高考新課標(biāo)Ⅰ卷)：如圖6所示，某物理小組的同學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)粗測(cè)玩具小車通過(guò)凹形橋最低點(diǎn)的速度的實(shí)驗(yàn)，所用器材有：玩具小車、壓力式托盤(pán)秤、凹形橋模擬器(圓弧部分的半徑為R=0.20m).完成下列填空：(1) 將凹形橋模擬器靜置于托盤(pán)秤上，如圖(a)所示，托盤(pán)秤的示數(shù)為1.00kg；

圖6

(2) 將玩具小車放置在凹形橋模擬器最低點(diǎn)時(shí)，托盤(pán)秤示數(shù)如圖(b)所示，該示數(shù)為_(kāi)_______kg.

(3) 將小車從凹形橋模擬器某一位置釋放，小車經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)后滑向另一側(cè)，此過(guò)程中托盤(pán)秤的最大示數(shù)為m,多次從同一位置釋放小車，記錄各次的m值如下表所示.

序號(hào)12345m(kg)1.801.751.851.751.90

(4)根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可求出小車經(jīng)過(guò)凹形橋最低點(diǎn)時(shí)對(duì)橋的壓力為是________N,玩具小車通過(guò)最低點(diǎn)時(shí)的速度大小為_(kāi)_______m/s,重力加速度大小取9.80m/s2，計(jì)算結(jié)果保留2位有效數(shù)字.

探源及啟示：本題源自于圓周運(yùn)動(dòng)中的傳統(tǒng)模型——凹凸橋問(wèn)題，同時(shí)還融合了“儀器讀數(shù)”和“實(shí)驗(yàn)誤差的分析與處理”等實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的常見(jiàn)問(wèn)題和處理方法.該試題的命制，意圖引導(dǎo)中學(xué)教學(xué)跳出題海、摒棄偏難怪，回歸“基本模型”和“基本方法”；試題的恰當(dāng)變形，意圖引導(dǎo)中學(xué)教學(xué)更應(yīng)注重學(xué)生能力的培養(yǎng).

參考文獻(xiàn)：

[1] 沈金林.體驗(yàn)學(xué)習(xí)在認(rèn)知建構(gòu)中的作用及其實(shí)施策略[J].物理教師，2007，(10)：6-8.

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