從“重力加速度的測量”看高考命題的引導(dǎo)教學(xué)功能①

陳 燕 王加元

(江蘇省江陰市成化高級中學(xué),江蘇 無錫 214423)

1 引言

“用單擺測量重力加速度的大小”是選擇性必修第一冊第二章《機(jī)械振動》的內(nèi)容。高中生首次學(xué)習(xí)重力加速度,是在必修第一冊第二章《勻變速直線運(yùn)動的研究》中第4節(jié)“自由落體運(yùn)動”,教材提出用打點(diǎn)計(jì)時器研究自由落體運(yùn)動,測量重物下落的加速度,這是對這一章第一節(jié)“實(shí)驗(yàn)：探究小車的速度隨時間變化的規(guī)律”的鞏固。在教學(xué)中還可以用豎直放置的光電門或用頻閃照相的方法測量重力加速度,得到更精確的加速度值。而在“做一做”欄目介紹了使用手機(jī)測自由落體加速度的方法,這是利用智能手機(jī)內(nèi)置的加速度傳感器來實(shí)現(xiàn)的,需要學(xué)生在手機(jī)上安裝能顯示加速度的應(yīng)用程序,如Phyphox App,使學(xué)生的探究活動以智能電子設(shè)備為載體,利用生活中的器材測量重力加速度。

《中國高考評價體系》強(qiáng)調(diào)高考命題必須堅(jiān)持引導(dǎo)教學(xué),筆者選取近幾年高考物理題中有關(guān)測量重力加速度實(shí)驗(yàn)的試題,通過對比、剖析其引導(dǎo)教學(xué)的功能,達(dá)到理順教、考關(guān)系,實(shí)現(xiàn)“以考促教、以考促學(xué)”的目的。

2 測量重力加速度的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

2.1 滴漏

滴漏是古代用水滴來計(jì)時的裝置,我國最早記載見于《周禮》,元、清時期有較完整的漏刻流傳于世,計(jì)時的準(zhǔn)確度取決于水流的均勻程度。2018年海南省高考物理卷第11題中利用分液漏斗進(jìn)行滴水計(jì)時,由于斗體較大,短時間內(nèi)滴水速度幾乎不受壺中液面高度變化的影響。

例1(2018年海南)：學(xué)生課外實(shí)驗(yàn)小組使用如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置測量重力加速度大小。實(shí)驗(yàn)時,他們先測量分液漏斗下端到水桶底部的距離s;然后使漏斗中的水一滴一滴地下落,調(diào)整閥門使水滴落到桶底發(fā)出聲音的同時,下一滴水剛好從漏斗的下端滴落;用秒表測量第1個水滴從漏斗的下端滴落至第n個水滴落到桶底所用的時間t。

圖1

(1) 重力加速度大小可表示為g=(用s、n、t表示)。

(2) 如果某次實(shí)驗(yàn)中,s=0.90 m,n=30,t=13.0 s,則測得的重力加速度大小g=m/s2(保留2位有效數(shù)字)。

(3) 寫出一條能提高測量結(jié)果準(zhǔn)確程度的建議。

(3) 由上述表達(dá)式可知,適當(dāng)增大n可以提高時間T測量的準(zhǔn)確度,多次測量取平均值可以提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。

該題首先要求學(xué)生理解分液漏斗滴水是均勻的,能將水滴的下落運(yùn)動建構(gòu)為自由落體運(yùn)動,且能用自由落體運(yùn)動規(guī)律解決問題,考查了學(xué)生的科學(xué)思維能力。最后開放式的設(shè)問,旨在引導(dǎo)一線教師注重真實(shí)的實(shí)驗(yàn)探究。

2.2 傳感器

傳感器在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛,光電門傳感器常應(yīng)用于計(jì)數(shù)、計(jì)時、測速等方面,2022年遼寧物理卷第12題考查了光電傳感器的基本應(yīng)用。

例2(2022年遼寧)：某同學(xué)利用如圖2所示的裝置測量重力加速度,其中光柵板上交替排列著等寬度的遮光帶和透光帶(寬度用d)表示。實(shí)驗(yàn)時將光柵板置于光電傳感器上方某高度,令其自由下落穿過光電傳感器。光電傳感器所連接的計(jì)算機(jī)可連續(xù)記錄遮光帶、透光帶通過光電傳感器的時間間隔Δt。

(1) 除圖中所用的實(shí)驗(yàn)器材外,該實(shí)驗(yàn)還需要(選填“天平”或“刻度尺”)。

(2) 該同學(xué)測得遮光帶(透光帶)的寬度為4.50 cm,記錄時間間隔的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可得編號為3的遮光帶通過光電傳感器的平均速度大小為v3=m/s(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)。

(3) 某相鄰遮光帶和透光帶先后通過光電傳感器的時間間隔為Δt1、Δt2,則重力加速度g=(用d、Δt1、Δt2表示)。

(4) 該同學(xué)發(fā)現(xiàn)所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果小于當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?請寫出一條可能的原因：。

解析：(1)該實(shí)驗(yàn)不需要天平,需要用刻度尺測量遮光帶(透光帶)的寬度,故選刻度尺。

(4) 光柵板受到空氣阻力的作用。

本題需要學(xué)生熟知用光電門傳感器測速的原理,知道光柵板的下落是自由落體運(yùn)動,特別是第(3)問需要學(xué)生正確運(yùn)用該運(yùn)動的某段時間內(nèi)中間時刻的瞬時速度與該段時間內(nèi)的平均速度相等的結(jié)論,畫出運(yùn)動的過程示意圖,才能準(zhǔn)確求出時間間隔,充分體現(xiàn)了高考對科學(xué)思維能力的考查要求。

改革時期是華語解禁與復(fù)蘇的時期。印尼2009年第24號法律頒布以后，印尼語、地方語和外語有了更明確的定位。目前印尼華語的法律地位是外語，政府維護(hù)華人以華語為家庭用語的權(quán)利，但在教育體系中必須作為外語進(jìn)行教學(xué)。因此，華校只能以三語學(xué)校的形式辦學(xué)，華語只是學(xué)校的辦學(xué)特色之一。與舊秩序末期一樣，印尼語作為教學(xué)用語的規(guī)定限制了華語在學(xué)校的使用。華語只是一門課程，華語的使用范圍也僅限于該課程。

2.3 智能手機(jī)

智能手機(jī)的拍照、攝像功能在輔助物理教學(xué)方面應(yīng)用廣泛,智能手機(jī)都內(nèi)置了多種傳感器,結(jié)合手機(jī)軟件可實(shí)現(xiàn)多個物理量的測量,為開展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的方法和途徑。2020年江蘇卷第11題和山東卷第13題應(yīng)用了手機(jī)的攝像功能,2022年江蘇卷第11題則是聲學(xué)秒表軟件的應(yīng)用。智能手機(jī)的運(yùn)用豐富了中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段,提升了學(xué)生的核心素養(yǎng)。

例3(2020年江蘇)：疫情期間“停課不停學(xué)”,小明同學(xué)在家自主開展實(shí)驗(yàn)探究。用手機(jī)拍攝物體自由下落的視頻,得到分幀圖片,利用圖片中小球的位置來測量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3

(1) 家中有乒乓球、小塑料球和小鋼球,其中最適合用作實(shí)驗(yàn)中下落物體的是。

(2) 下列主要操作步驟的正確順序是(填寫各步驟前的序號)。

① 把刻度尺豎直固定在墻上

② 捏住小球,從刻度尺旁靜止釋放

③ 手機(jī)固定在三角架上,調(diào)整好手機(jī)鏡頭的位置

④ 打開手機(jī)攝像功能,開始攝像

圖4

(4) 在某次實(shí)驗(yàn)中,小明釋放小球時手稍有晃動,視頻顯示小球下落時偏離了豎直方向。從該視頻中截取圖片,(選填“仍能”或“不能”)用(3)問中的方法測出重力加速度。

解析：(1) 為了使物體的運(yùn)動盡可能地接近自由落體運(yùn)動,應(yīng)該盡量減少空氣阻力的影響,所以下落物體選小鋼球。

(2) ①、③為實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作,應(yīng)以刻度尺位置為參照調(diào)整鏡頭位置,故①在③前面。先開始攝像,再釋放小球,可以順利獲得小球下落過程的錄像,故④在②前面,即操作步驟正確的順序?yàn)棰佗邰堍凇?/p>

(4) 由于手機(jī)的晃動,小球下落時偏離了豎直方向,但小球在豎直方向上的分運(yùn)動仍是加速度為g的勻加速直線運(yùn)動,仍可以用Δh=gT2求出重力加速度,結(jié)果不受影響。

對于該題第(1)問,要想順利得出用小鋼球做實(shí)驗(yàn)所受空氣阻力的影響較小,就需要開展真實(shí)的實(shí)驗(yàn)探究。第(2)問考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)方法的遷移運(yùn)用能力,將“先接通電源,再釋放紙帶”遷移轉(zhuǎn)換為先開始攝像后釋放小球。第(3)問類比紙帶問題的處理方法,考查了學(xué)生的科學(xué)思維能力。第(4)問設(shè)計(jì)了一個實(shí)際問題,因手機(jī)的晃動導(dǎo)致小球運(yùn)動偏離豎直方向,讓學(xué)生通過科學(xué)論證得出結(jié)論：小球在豎直方向上的分運(yùn)動仍是加速度為g的勻加速直線運(yùn)動。

例4(2022年江蘇)：小明利用手機(jī)測量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?實(shí)驗(yàn)場景如圖5所示,他將一根木條平放在樓梯臺階邊緣,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,接收到小球落地的撞擊聲停止計(jì)時,記錄下?lián)舸蚵暸c撞擊聲的時間間隔t,多次測量不同臺階距離地面的高度h及對應(yīng)的時間間隔t。

圖5

(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的刻度尺測量某級臺階高度h的示數(shù)如圖6所示,則h=cm。

圖6

(3) 畫出2h-t2圖像(圖7),則可得到重力加速度g=m/s2。

圖7

(4) 在圖5中,將手機(jī)放在木條與地面間的中點(diǎn)附近進(jìn)行測量,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間,則小球下落時間可表示為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。請判斷該觀點(diǎn)是否正確,簡要說明理由。

解析：(1) 實(shí)驗(yàn)中應(yīng)當(dāng)選用A(鋼球)。

(2) 測得該級臺階高度61.20 cm。

前三問為基礎(chǔ)要求,后兩問對科學(xué)思維的要求較高,需要學(xué)生在考慮聲速的前提下重新建構(gòu)物理模型,并對實(shí)驗(yàn)結(jié)論作出解釋,體現(xiàn)了科學(xué)探究的思想。

江蘇省2020年的高考實(shí)驗(yàn)題中使用的是手機(jī)的拍照功能,而2022年的高考實(shí)驗(yàn)題則需要通過視頻逐幀處理技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,用到了手機(jī)軟件和內(nèi)置傳感器。將智能手機(jī)應(yīng)用于高中物理實(shí)驗(yàn)中,這是實(shí)驗(yàn)器材方面的創(chuàng)新,也對學(xué)生的科學(xué)思維能力和實(shí)驗(yàn)探究能力提出了更高的要求。

以上幾道高考題充分體現(xiàn)了高考命題引導(dǎo)教學(xué)的核心功能,推動信息技術(shù)與中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整合,是改進(jìn)和優(yōu)化傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要途徑,可以激發(fā)學(xué)生的求知欲,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力,實(shí)現(xiàn)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新。