普通高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模型構(gòu)建的思考

韋金金 謝衍旭

摘要：物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，新課改更突出實(shí)驗(yàn)的作用和地位，而利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器處理紙帶問(wèn)題是近幾年高考題中的熱點(diǎn)，對(duì)紙帶處理問(wèn)題的思維遷移應(yīng)用也體現(xiàn)得淋漓盡致。本文針對(duì)教學(xué)中紙帶問(wèn)題處理進(jìn)行系統(tǒng)歸納總結(jié)，構(gòu)建紙帶處理模型。再結(jié)合歷年相關(guān)試題分析，對(duì)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器中“紙帶”問(wèn)題的處理做出了較為全面和深入的歸納。

關(guān)鍵詞：高中力學(xué)實(shí)驗(yàn);構(gòu)建模型;打點(diǎn)計(jì)時(shí)器;紙帶處理

高中物理有9個(gè)重要力學(xué)實(shí)驗(yàn)，其中就有六個(gè)實(shí)驗(yàn)使用到了打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，實(shí)驗(yàn)一：研究速度隨時(shí)間變化的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)二：研究自由落體運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)三：探究加速度與物體的質(zhì)量、受力的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)四：探究功與速度變化的關(guān)系（探究功與動(dòng)能變化的關(guān)系）。實(shí)驗(yàn)五：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。實(shí)驗(yàn)六：探究碰撞中的不變量。其中前三個(gè)實(shí)驗(yàn)安排在高一第一個(gè)學(xué)期，也是學(xué)生進(jìn)入高中學(xué)習(xí)的第一類重要實(shí)驗(yàn)。用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打的紙帶上可以直接獲取的信息有（1）測(cè)時(shí)間（電源頻率50Hz，每隔0.02s打一個(gè)點(diǎn)），t=0.02×n（n表示有多少個(gè)間隔）（2）測(cè)位移（利用刻度尺測(cè)量距離）。獲取的間接信息可以通過(guò)對(duì)紙帶數(shù)據(jù)判斷物體的運(yùn)動(dòng)情況、求平均速度、瞬時(shí)速度、加速度等。

筆者所在學(xué)校學(xué)生基礎(chǔ)比較差，實(shí)驗(yàn)處理能力薄弱。特別是紙帶處理問(wèn)題，反復(fù)講反復(fù)練，效果都不明顯。經(jīng)過(guò)觀察、和學(xué)生交談、和同仁探討分析，學(xué)生在接觸紙帶時(shí)就對(duì)紙帶的處理方法存在模糊不清。筆者就想，如何構(gòu)建簡(jiǎn)單的處理紙帶模型，讓學(xué)生遇到紙帶問(wèn)題就有路可尋，有法可依?！耙蛔帧辈襟E處理法，即用一個(gè)字來(lái)簡(jiǎn)要概括解題步驟的方法。逐差法求加速度，構(gòu)建三點(diǎn)A、B、C模型，解決紙帶求加速度或者類紙帶求加速度的問(wèn)題。下面分享一下筆者在教學(xué)中構(gòu)建紙帶的處理模型。

一、構(gòu)建紙帶的處理“一字”步驟模型

1.取計(jì)數(shù)點(diǎn)，求相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)的時(shí)間。打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用交流電的頻率為50HZ，則每隔0.02s打一個(gè)點(diǎn)，兩計(jì)數(shù)點(diǎn)的時(shí)間間隔T=0.02×間隔數(shù)。

例：連續(xù)6個(gè)點(diǎn)取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，間隔數(shù)為5格，則T=0.1s

每5個(gè)點(diǎn)取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，間隔數(shù)為5格，則T=0.1s

相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)中間有四個(gè)點(diǎn)未畫(huà)出，間隔數(shù)為5格，則T=0.1s

2.測(cè)用刻度尺測(cè)量?jī)上噜徲?jì)數(shù)點(diǎn)間的距離x1、x2、x3

3.判運(yùn)動(dòng)情況分析：勻速（點(diǎn)距相等）、加速（點(diǎn)距越來(lái)越寬）、減速（點(diǎn)距越來(lái)越窄）

構(gòu)建紙帶的處理“一字”步驟模型，學(xué)生遇到紙帶問(wèn)題，用“一字”步驟指明解題思路，用歸納的公式求解某點(diǎn)瞬時(shí)速度或者紙帶的加速度。思路清晰，方法得當(dāng)。

紙帶處理最難是在計(jì)算加速度，教學(xué)過(guò)程中有勻變速直線運(yùn)動(dòng)的推論公式Δx=aT2，教學(xué)初期中也是著重訓(xùn)練學(xué)生采用推論求加速度。到期末復(fù)習(xí)和高考復(fù)習(xí)時(shí)，更多的是應(yīng)用逐差法求加速度，而教材中給的逐差法公式比較長(zhǎng)，內(nèi)容多，對(duì)基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生來(lái)說(shuō)太難記了。于是改變逐差法的教學(xué)，把公式Δx=aT2變成Δx=at2構(gòu)建三點(diǎn)A、B、C模型。

二、逐差法求加速度，構(gòu)建三點(diǎn)A、B、C模型

例下圖把7個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)變成3個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)A、B、C。應(yīng)用推論 Δx=at2

若點(diǎn)數(shù)增加或者減少，只要取連續(xù)相等的時(shí)間計(jì)數(shù)點(diǎn)A、B、C就可以。

用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器實(shí)驗(yàn)，分析紙帶求某點(diǎn)瞬時(shí)速度和加速度是高考的熱點(diǎn)之一，實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性提醒我們要發(fā)散思維，開(kāi)展類打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和類紙帶的創(chuàng)新性處理教學(xué)。知識(shí)點(diǎn)間的“不同點(diǎn)”能夠考查考生對(duì)知識(shí)理解的準(zhǔn)確度，知識(shí)點(diǎn)間的“聯(lián)系點(diǎn)”可以體現(xiàn)知識(shí)的綜合度，這“兩點(diǎn)”備受高考命題者的青睞。

近幾年的全國(guó)高考卷高考力學(xué)實(shí)驗(yàn)約占分5-6分，那么關(guān)于考查紙帶處理的又有哪些？

物理知識(shí)的遷移應(yīng)用是新高考的熱門(mén)，紙帶處理開(kāi)始轉(zhuǎn)向類紙帶問(wèn)題。常見(jiàn)的有自由落體運(yùn)動(dòng)的類紙帶求重力加速度問(wèn)題、平拋運(yùn)動(dòng)中的類紙帶問(wèn)題、斜面運(yùn)動(dòng)類紙帶問(wèn)題等。

三、高考真題紙帶處理案例分析

例1.（2021高考全國(guó)乙卷/22）考查平拋運(yùn)動(dòng)中的類紙帶問(wèn)題

某同學(xué)利用圖（a）所示裝置研究平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。實(shí)驗(yàn)時(shí)該同學(xué)使用頻閃儀和照相機(jī)對(duì)做平拋運(yùn)動(dòng)的小球進(jìn)行拍攝，頻閃儀每隔0.05s發(fā)出一次閃光，某次拍攝后得到的照片如圖（b）所示（圖中未包括小球剛離開(kāi)軌道的圖像）。圖中的背景是放在豎直平面內(nèi)的帶有方格的紙板，紙板與小球軌跡所在平面平行，其上每個(gè)方格的邊長(zhǎng)為5cm。該同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的小球影像的高度差已經(jīng)在圖（b）中標(biāo)出。完成下列填空：（結(jié)果均保留2位有效數(shù)字）（問(wèn)題略）

即 ，代入數(shù)據(jù)即可求出重力加速度。

例2.（2021全國(guó)卷甲/22題）考查斜面運(yùn)動(dòng)的類紙帶問(wèn)題

為測(cè)量小銅塊與瓷磚表面間的動(dòng)摩擦因數(shù)，一同學(xué)將貼有標(biāo)尺的瓷磚的一端放在水平桌面上，形成一傾角為a的斜面（已知sina=0.34，cosa=0.94），小銅塊可在斜面上加速下滑，如圖所示。該同學(xué)用手機(jī)拍攝小銅塊的下滑過(guò)程，然后解析視頻記錄的圖像，獲得5個(gè)連續(xù)相等時(shí)間間隔（每個(gè)時(shí)間間隔△T=0.20s）內(nèi)小銅塊沿斜面下滑的距離si（i=1，2，3，4，5），如下表所示。

由表中數(shù)據(jù)可得，小銅塊沿斜面下滑的加速度大小為_(kāi)______m/s2，小銅塊與瓷磚表面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為_(kāi)________。（結(jié)果均保留2位有效數(shù)字，重力加速度大小取9.80m/s2）

考點(diǎn)分析和解題思路：本題是斜面運(yùn)動(dòng)的類紙帶問(wèn)題，求加速度構(gòu)建三點(diǎn)式模型A、B、C

即，代入數(shù)據(jù)即可求出加速度。

從歷年高考題分析中可以看到，考察紙帶問(wèn)題偏向類紙帶情境遷移，考生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)時(shí)，要注意：①關(guān)注同一實(shí)驗(yàn)的不同設(shè)計(jì)方法;②關(guān)注同一儀器的不同用途;③注重對(duì)基本實(shí)驗(yàn)的拓展變形。所謂的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)也是萬(wàn)變不離其宗，復(fù)習(xí)過(guò)程中要以基本原理的理解和基本儀器的使用為“根”，以不變應(yīng)萬(wàn)變。[1]

四、結(jié)語(yǔ)

物理知識(shí)的創(chuàng)新“萬(wàn)變不離其宗”，如何讓學(xué)生在知識(shí)應(yīng)用上得心應(yīng)手，這就要求教師在教學(xué)中充分對(duì)核心知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)的歸納，例如構(gòu)建物理模型，能使學(xué)生獲得結(jié)構(gòu)化的、整合的知識(shí)，使學(xué)生對(duì)復(fù)雜的物理問(wèn)題情境進(jìn)行有效分解，形成解決各種問(wèn)題的程序。

構(gòu)建紙帶一般處理方法的模型，構(gòu)建求加速度的三點(diǎn)式模型，給紙帶問(wèn)題以及類紙帶問(wèn)題的教學(xué)提供了有效方法，有效助力新高考。

參考文獻(xiàn)：

[1]賀明霞，張金龍.一條紙帶串起來(lái)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)[J].教學(xué)考試（高考物理），2020（5）.

[2]田長(zhǎng)軍.紙帶類問(wèn)題易錯(cuò)點(diǎn)分析及備考啟示[J].教學(xué)考試（高考物理），2020（1）.