須雪忠 王延光

(杭州第四中學(xué) 浙江 杭州 310018 ) (德清高級(jí)中學(xué) 浙江 湖州 313200)

物理習(xí)題(試題)的編制應(yīng)遵循科學(xué)性、導(dǎo)向性、激勵(lì)性、應(yīng)用性、實(shí)踐性、探究性、綜合性、創(chuàng)新性等諸多原則.其中科學(xué)性是物理習(xí)題(試題)編制的根本原則，是其他原則的前提和基礎(chǔ).科學(xué)性是指物理習(xí)題(試題)的編制應(yīng)符合物理學(xué)事實(shí)，不與物理學(xué)的基本概念和原理相沖突或違背，并且題目本身及答案都應(yīng)科學(xué)合理;定量研究的習(xí)題(試題)要有充足的事實(shí)和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果作為依據(jù).筆者在教學(xué)中注意到不少資料(甚至是權(quán)威資料如教材)上的習(xí)題以及各類(lèi)、各級(jí)考試(甚至是高考)的試題在編制時(shí)均存在表述不恰當(dāng)、數(shù)據(jù)不合理、設(shè)計(jì)不嚴(yán)謹(jǐn)、模型不正確、與實(shí)際不相符等科學(xué)性問(wèn)題，不僅降低了習(xí)題(試題)訓(xùn)練、鞏固、強(qiáng)化、矯正、檢測(cè)等教學(xué)功能，還給教學(xué)和檢測(cè)帶來(lái)了很多的負(fù)面效應(yīng).本文結(jié)合具體案例分析了習(xí)題(試題)編制中一些較為典型的科學(xué)性問(wèn)題，并總結(jié)出科學(xué)命題的幾點(diǎn)啟示，希望能為命題者提供借鑒，同時(shí)也能為廣大同仁在習(xí)題教學(xué)中作參考.

1 表述不恰當(dāng)

【例1】請(qǐng)用學(xué)過(guò)的電學(xué)知識(shí)判斷下列說(shuō)法正確的是

A.電工穿絕緣衣比穿金屬衣安全

B. 制作汽油桶的材料用金屬比用塑料好

C.小鳥(niǎo)停在高壓輸電線上會(huì)被電死

D. 打雷時(shí)，呆在汽車(chē)?yán)锉却粼谀疚堇镆ｋU(xiǎn)

評(píng)析：這是2010年浙江省高考理科綜合卷中的一道聯(lián)系生活實(shí)際的物理試題.不少學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)(只看到過(guò)電工穿棉麻等織物制成的工作服，從未見(jiàn)過(guò)電工穿“金屬衣”)而誤選了選項(xiàng)A.其實(shí)學(xué)生的誤解主要是由該選項(xiàng)的表述不恰當(dāng)、不夠科學(xué)造成的.表述中應(yīng)點(diǎn)明電力工人是在超高壓環(huán)境下作業(yè)(低壓或一般高壓環(huán)境下穿絕緣衣服是完全可以的)，“金屬衣”也應(yīng)改為更科學(xué)的表述即包含金屬絲的織物制成的工作服[見(jiàn)普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)(人教版)《物理·選修3-1》第28頁(yè)課后“問(wèn)題與練習(xí)”].

命題啟示：表述要恰當(dāng).在物理習(xí)題(試題)的編制中，表述要準(zhǔn)確、恰當(dāng)，以免引起歧義與誤解，從而降低習(xí)題(試題)的考查與檢測(cè)功能.

2 數(shù)據(jù)不合理

【例2 】如圖1所示，平行豎直放置的金屬導(dǎo)軌相距1 m，金屬棒AB質(zhì)量為0.1 kg，電阻為1 Ω，能在導(dǎo)軌上無(wú)摩擦地上下滑動(dòng)，導(dǎo)軌內(nèi)有一磁感應(yīng)強(qiáng)度為1 T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直穿過(guò)導(dǎo)軌所在的平面.當(dāng)金屬棒上升到3.8 m時(shí)獲得最大速度，此過(guò)程中，產(chǎn)生的熱量為2 J，電動(dòng)機(jī)牽引金屬棒時(shí)，電壓表讀數(shù)7 V，電流表讀數(shù)1 A，已知電動(dòng)機(jī)內(nèi)阻為1 Ω，g取10 m/s2.求：

圖1

(1)金屬棒所能達(dá)到穩(wěn)定速度的值;

(2)金屬棒從開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到具有穩(wěn)定速度所需的時(shí)間.

評(píng)析：這是一道有關(guān)力與運(yùn)動(dòng)、功和能、電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)工作原理的力、電、磁等知識(shí)的綜合考查題，多見(jiàn)于高三綜合練習(xí)卷中.

(1)對(duì)金屬棒受力分析，當(dāng)F=F安+mg時(shí)，金屬棒達(dá)到穩(wěn)定速度，即

代入數(shù)據(jù)解得

vm=2 m/s

(2)電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率是恒定的，由功能原理可知

P機(jī)t=ΔEp+ΔEk+Q

其中

P機(jī)=P電-P熱

ΔEp=mgh

代入數(shù)據(jù)解得t=1 s

此題構(gòu)思精巧，無(wú)論從考查知識(shí)、能力、物理思想的哪一方面看，都不失為一道好題.但題中給出的數(shù)據(jù)顯然不合理，因?yàn)榧词菇饘侔粢恢币宰畲笏俣? m/s運(yùn)動(dòng)，在1 s內(nèi)也不可能上升3.8 m.

命題啟示:數(shù)據(jù)要合理.對(duì)于純模型化的定量問(wèn)題，較難通過(guò)實(shí)驗(yàn)采集真實(shí)的數(shù)據(jù).因此在編制習(xí)題(試題)時(shí)，如果只顧考查需要，隨意設(shè)置條件，編造數(shù)據(jù)，就容易出現(xiàn)上述案例中自相矛盾、無(wú)法自洽的后果.這樣的科學(xué)性錯(cuò)誤帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)是可想而知的.

3 設(shè)計(jì)不嚴(yán)謹(jǐn)

【例3】如圖2所示，用一個(gè)電壓表接在R1兩端時(shí)的讀數(shù)為U1，接在R2兩端時(shí)的讀數(shù)為U2，電壓表的內(nèi)阻為RV，則U1∶U2為

圖2

命題啟示:設(shè)計(jì)要嚴(yán)謹(jǐn).物理現(xiàn)象豐富又復(fù)雜，看似淺顯的表象往往有多種內(nèi)在因素相互聯(lián)系、相互制約.物理習(xí)題的求解是一個(gè)從前提條件出發(fā)，應(yīng)用相關(guān)知識(shí)(物理概念和規(guī)律)，經(jīng)過(guò)一系列的推理，從而獲得結(jié)論的過(guò)程.如果前提條件不明確或不充分，邏輯推理的結(jié)果將變得不可靠，從而會(huì)帶來(lái)因題目設(shè)計(jì)不嚴(yán)謹(jǐn)而導(dǎo)致的解題錯(cuò)誤，使學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)產(chǎn)生困惑，甚至懷疑；同時(shí)也削弱了習(xí)題(試題)檢測(cè)和評(píng)價(jià)的功能.

4 模型不正確

【例4】電視顯像管上的圖像是電子束打在熒光屏的熒光點(diǎn)上產(chǎn)生的.為了獲得清晰的圖像，電子束應(yīng)該準(zhǔn)確打在相應(yīng)的熒光點(diǎn)上.電子束在飛行過(guò)程中受到地磁場(chǎng)的作用，會(huì)發(fā)生所不希望的偏轉(zhuǎn).下面來(lái)估算地磁場(chǎng)對(duì)顯像管成像的影響，估算中認(rèn)為電子束在被加速后飛向熒光屏的過(guò)程中速率不再改變，電子束的加速電壓約為U=2×104V，電子槍到屏幕距離約為L(zhǎng)=0.4 m，地磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度約為B=5×10-5T.

(1)估算電子束在地磁場(chǎng)作用下偏轉(zhuǎn)的距離，電子偏轉(zhuǎn)距離很小，可以認(rèn)為電子在從電子槍飛向熒光屏的過(guò)程中受到的洛倫茲力是一個(gè)與速度垂直的恒力，在做勻加速運(yùn)動(dòng).

(2)用放大鏡觀察電視熒光屏上像點(diǎn)之間的距離，根據(jù)第(1)問(wèn)的計(jì)算結(jié)果討論，當(dāng)電視機(jī)在房間放置的朝向不同時(shí)，地磁場(chǎng)對(duì)成像質(zhì)量的影響有多大.

評(píng)析：這是人教版(2004年版)普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)《物理·選修3 - 1》 第108頁(yè)習(xí)題第5題，是一道理論聯(lián)系實(shí)際的好題.但該題第(1)問(wèn)通過(guò)近似處理后認(rèn)為電子做勻加速運(yùn)動(dòng)，從而引導(dǎo)解題者建立起電子在地磁場(chǎng)中做類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng)的模型是值得商榷的[1].

(1)電子做勻加速運(yùn)動(dòng)，那么電子的速度大小必然要發(fā)生變化，而題目明確說(shuō)明，電子在被加速后飛向熒光屏的過(guò)程中速率不再改變，兩者互相矛盾.

(2)由于洛倫茲力方向始終與速度方向垂直，洛倫茲力對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷不做功.若按題目假設(shè)，在洛倫茲力作用下電子做勻加速運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力肯定對(duì)電荷做功;兩者也互相矛盾.

(3)既然電子在地磁場(chǎng)作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，那么洛倫茲力的方向肯定要發(fā)生改變，顯然是一個(gè)變力.

(4)按題目假設(shè)，電子在地磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)是類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng)，實(shí)際上，電子的運(yùn)動(dòng)本質(zhì)更接近于勻速圓周運(yùn)動(dòng).雖然電子因沒(méi)有嚴(yán)格垂直于地磁場(chǎng)(局部區(qū)域可認(rèn)為是勻強(qiáng)場(chǎng))而做較復(fù)雜的螺旋形的運(yùn)動(dòng)，但地磁場(chǎng)的分布除兩極外以水平分量為主，可近似認(rèn)為電子在地磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)只受水平分量的影響且速度方向與地磁場(chǎng)的水平分量垂直，從而可建立起磁偏轉(zhuǎn)的一般模型——?jiǎng)蛩賵A周運(yùn)動(dòng).

雖然計(jì)算結(jié)果表明兩種模型下電子束偏轉(zhuǎn)距離的差異很小，但從應(yīng)用性習(xí)題編制的用意來(lái)講，是否正確建模差異是很大的.

命題啟示:模型要正確.應(yīng)用性物理習(xí)題是以客觀世界的實(shí)際問(wèn)題為背景，依據(jù)一定的物理模型構(gòu)思設(shè)計(jì)的;因此，如何將實(shí)際問(wèn)題通過(guò)正確建模轉(zhuǎn)化為理想的物理模型就成為解題的關(guān)鍵.但如果命題者在編制習(xí)題時(shí)依據(jù)的模型與實(shí)際問(wèn)題有本質(zhì)的差別，則會(huì)由于模型失真帶來(lái)學(xué)生認(rèn)識(shí)上的失真，甚至由于錯(cuò)誤“順應(yīng)”而損傷學(xué)生頭腦中原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu).

5 實(shí)際不相符

【例5】圖3為在上海某校操場(chǎng)上，兩學(xué)生相距L為10 m左右，在東偏北、西偏南11°沿垂直于地磁場(chǎng)方向的兩個(gè)位置上，面對(duì)面將一并聯(lián)銅芯雙絞線，像甩跳繩一樣搖動(dòng)，并將線的兩端分別接在靈敏電流計(jì)上.雙絞線并聯(lián)后的電阻R約為2 Ω，繩搖動(dòng)的頻率配合節(jié)拍器的節(jié)奏，保持在2 Hz左右.如果學(xué)生搖動(dòng)繩子的最大圓半徑h約為1 m，電流計(jì)讀數(shù)的最大值I約為3 mA.

(1)試估算地磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的數(shù)量級(jí)為_(kāi)_______；磁感應(yīng)強(qiáng)度的數(shù)學(xué)表達(dá)式B=________(用R,I,L,f,h等已知量表示).

(2)將兩人站立的位置改為與剛才方向垂直的兩點(diǎn)上，那么電流計(jì)讀數(shù)約為_(kāi)_____.

圖3

圖4

評(píng)析：這是一道有關(guān)搖繩發(fā)電的自編習(xí)題，也是符合新課程理念的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)習(xí)題;新課標(biāo)人教版高中《物理·選修3-2》第四章電磁感應(yīng)“做一做”中就有這個(gè)實(shí)驗(yàn).為檢驗(yàn)其科學(xué)性，筆者曾帶領(lǐng)學(xué)生基本還原了習(xí)題創(chuàng)設(shè)的情境:在我校(學(xué)校所在城市杭州與上海直線距離只有160 km左右，地磁場(chǎng)情況與上海相近)操場(chǎng)上按照習(xí)題中提供的數(shù)據(jù)和要求做了上述實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)實(shí)際情況與題中所述很不相符.筆者還因此撰文提出了“銅芯線的電阻”、“電流計(jì)的讀數(shù)”、“銅芯線的連接”、“感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算”、“回路的電阻”、“兩學(xué)生站立的方位”等六點(diǎn)質(zhì)疑[2]，并根據(jù)實(shí)證結(jié)果建議將原題作如下改進(jìn)：圖4為上海某

校操場(chǎng)上，兩學(xué)生相距L為10 m左右，在東偏北、西偏南4°26′沿垂直于地磁場(chǎng)方向的兩個(gè)位置上，面對(duì)面將一來(lái)回串接的銅芯線，像甩跳繩一樣搖動(dòng)(注意：只甩動(dòng)其中一個(gè)繞向的銅芯線)，并將線的兩端分別接在靈敏電流計(jì)上，銅芯線共串接5個(gè)來(lái)回，電阻R約為3 Ω，繩搖動(dòng)的頻率配合節(jié)拍器的節(jié)奏，保持在1 Hz左右.如果學(xué)生搖動(dòng)繩子的最大圓半徑h約為1 m，靈敏電流計(jì)(內(nèi)阻為100 Ω)讀數(shù)的最大值I約為100 μA，則

(1)試估算地磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的數(shù)量級(jí)為_(kāi)_____；

(2)將兩人站立的位置改為與剛才方向垂直的兩點(diǎn)上，那么電流計(jì)讀數(shù)約為_(kāi)_____.

命題啟示：要符合實(shí)際.物理學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，注重理論聯(lián)系實(shí)際的科學(xué).因此，物理習(xí)題的設(shè)計(jì)必須從實(shí)際出發(fā)，要有充足的事實(shí)和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果作為命題依據(jù).如果命題者對(duì)所設(shè)定的問(wèn)題背景沒(méi)有實(shí)踐基礎(chǔ)，僅憑主觀隨意編造數(shù)據(jù)，非但起不到習(xí)題(試題)應(yīng)有的教學(xué)與檢測(cè)功能，還會(huì)扭曲學(xué)生對(duì)客觀世界的感受，抑制學(xué)生對(duì)虛假物理情境的批判性思維[3].

參考文獻(xiàn)

1 吳懷軍.一道課本習(xí)題的爭(zhēng)論改編與對(duì)比.物理教師,2007(3):28

2 須雪忠，沈立平.對(duì)一道自編習(xí)題的質(zhì)疑和改進(jìn).物理通報(bào),2009(11):16

3 沈金林.對(duì)物理命題中若干典型錯(cuò)誤的解析——兼議物理命題的科學(xué)性問(wèn)題.物理教師，2006(2)：11