鄭灶松

(廣州外國語學(xué)校 廣東 廣州 511455)

探討物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合STEAM理念的幾種方法

鄭灶松

(廣州外國語學(xué)校 廣東 廣州 511455)

把美國作為中國教育界的關(guān)注對象，研究其教育科研成果，促進(jìn)中國的教育課程改革，是我國基礎(chǔ)教育改革的途徑之一．當(dāng)前美國課程改革中，STEAM教育是其基礎(chǔ)教育改革的重點(diǎn)．近些年的課程發(fā)展中，提出了不少可行性高、課程資源完整的解決方案．然而， 這些解決方案仍然存在很多實(shí)踐上的限制條件．筆者通過研究美國課程改革中運(yùn)用的STEAM教育理念，并通過在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不斷實(shí)踐與總結(jié)，探討并提出了幾種融合STEAM理念的方法．

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué) STEAM理念 教育方法 總結(jié)實(shí)踐

我國的教育工作，也在朝著“教育公平和質(zhì)量明顯提升”的方向努力．“十三五”規(guī)劃中，把教育發(fā)展的目標(biāo)定位為：邁進(jìn)創(chuàng)新型國家和人才強(qiáng)國行列．因此，對教育工作提出了新的任務(wù)與理念．而STEAM理念是美國課程改革新的動(dòng)向，值得我們研究．

1 什么是STEAM

1.1 STEAM教育

先談一下STEM教育.STEM教育就是科學(xué)，技術(shù)，工程，數(shù)學(xué)的教育[1]．但其提倡的，并不是獨(dú)立的學(xué)科．科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)素養(yǎng)是一個(gè)多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，它囊括了科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)4大領(lǐng)域，但STEM素養(yǎng)并不是科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)的簡單組合，而是把學(xué)生學(xué)習(xí)到的零碎知識與機(jī)械過程轉(zhuǎn)變成一個(gè)探究世界相互聯(lián)系的不同側(cè)面的過程[2]．

而比STEM更為人性化、更立體的STEAM(是Science,Technology,Engineering,Arts,Maths的縮寫)教育由美國知名的教育學(xué)者格雷特·亞力克教授(Georgette Yakman)及其團(tuán)隊(duì)，在STEM的基礎(chǔ)上提出來．其中A，指的是藝術(shù)(Art)，它包括人文藝術(shù)科目，也包括社會(huì)研究中的文化和美學(xué)．在STEAM 教育中，科學(xué)支持人們認(rèn)識世界的規(guī)律；工程與技術(shù)支持人們根據(jù)社會(huì)需求改造世界；藝術(shù)幫助人們以美好的形式豐富世界；數(shù)學(xué)則為人們發(fā)展與應(yīng)用科學(xué)、工程、藝術(shù)和技術(shù)提供思維方法和分析工具[3]．

那么，在某種程度上，STEAM是用美好的形式，對STEM教育進(jìn)行實(shí)現(xiàn)、表達(dá)和運(yùn)用，使得STEM教育更加立體、可觀．學(xué)生運(yùn)用溝通和語言的藝術(shù)能更好地實(shí)現(xiàn)知識共享；通過美術(shù)，學(xué)生能更好地了解過去和現(xiàn)在的文化和美學(xué)；學(xué)生了解人性、道德、自由和藝術(shù)等知識，有助于理解社會(huì)發(fā)展[3]．這也是美學(xué)的升華，美與藝術(shù)，不僅僅在于表達(dá)，還在于美化每個(gè)人．

1.2 STEAM教育的特點(diǎn)

STEAM教育理念下的課程，首要特點(diǎn)就是跨學(xué)科、協(xié)作性以及實(shí)踐性的特點(diǎn)．STEAM 教育以整合的教學(xué)方式，注重實(shí)踐和過程，強(qiáng)調(diào)解決真實(shí)問題；強(qiáng)調(diào)知識與能力并重，倡導(dǎo)“做”中“學(xué)”；強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新與創(chuàng)造力培養(yǎng)，注重知識的跨學(xué)科遷徙及其與學(xué)習(xí)者之間的關(guān)聯(lián)[4]．“基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)”、“解決實(shí)際問題”、“合作與實(shí)踐”，這3個(gè)要素是STEAM在教育形式上最基本的形式，也是最廣泛的形式．從研究國內(nèi)外關(guān)于STEAM的教育資料上看，教育案例也是突出表現(xiàn)為以上3個(gè)要素．實(shí)質(zhì)上，就是教師層面不僅要給予知識，更要學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦，參與學(xué)習(xí)，以學(xué)生為中心，還要學(xué)生能夠表達(dá)，用藝術(shù)的形式表現(xiàn)出來．

現(xiàn)實(shí)生活中的問題是復(fù)雜多變的．教育要培養(yǎng)創(chuàng)新人才，就需要培養(yǎng)能夠綜合運(yùn)用多種知識、科技來解決實(shí)際問題的復(fù)合型、創(chuàng)新型人才，并且能夠找到合適的、美的形式表達(dá)出來．這符合我國的“邁進(jìn)創(chuàng)新型國家和人才強(qiáng)國行列”的教育目標(biāo)．

2 STEAM教育理念發(fā)展及存在的問題

在我國，關(guān)于STEAM的教育研究正在逐漸展開，研究成果也很多．文獻(xiàn)[5]總結(jié)了我國STEAM教育發(fā)展面臨3大問題：一是，缺乏完備的STEAM課程教學(xué)資源；二是，缺乏實(shí)驗(yàn)室建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)施方案；三是，缺乏STEAM專業(yè)師資及其培養(yǎng)機(jī)制[5]．概括地講，就是缺乏以STEAM課程為主導(dǎo)的硬件和師資等教育資源．

在近些年的課程發(fā)展中，許多學(xué)者和教師，利用“互聯(lián)網(wǎng)+”、創(chuàng)客空間、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室以及3D打印等科技教育課程，提出了不少可行性高、課程資源完整的解決方案．在實(shí)踐中，也培養(yǎng)了不少科技創(chuàng)新人才．

然而， 這些解決方案，對于師資力量不是十分雄厚、辦學(xué)條件一般的學(xué)校而言，仍然存在很多實(shí)踐上的限制條件．在此，筆者通過自己的實(shí)踐，不斷總結(jié)融合，提出幾個(gè)對策和實(shí)踐方向．

3 方法與實(shí)踐探討

通常情況下，我們的實(shí)際教育教學(xué)，會(huì)按照教學(xué)大綱的思路，或者對照中高考考綱的要求，按部就班地進(jìn)行教學(xué)．根據(jù)教學(xué)任務(wù)，我們會(huì)思考如何強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)，突破難點(diǎn)．教師的思維聚焦在如何按照大綱、考綱的目標(biāo)，出色地完成教學(xué)任務(wù)．然而，教無定法．在完成教學(xué)任務(wù)的同時(shí)，我們應(yīng)當(dāng)考慮“教書”還要“育人”，授人以魚不如授人以漁，教會(huì)學(xué)生如何解決問題的方法．在STEAM理念的引領(lǐng)下，我們可以整合物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一些資源，創(chuàng)設(shè)出條件，幫助學(xué)生成長為實(shí)用型、創(chuàng)新型人才．

3.1 單一知識點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為基于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)

為了呈現(xiàn)一個(gè)知識點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)，教材幾乎對每一個(gè)物理量或者物理規(guī)律，都安排了實(shí)驗(yàn)．測量物理量、驗(yàn)證或者探究物理規(guī)律，是學(xué)習(xí)單個(gè)知識點(diǎn)必要的過程．這樣，不僅讓學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容豐富多彩，也培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)．然而，現(xiàn)代教育學(xué)、心理學(xué)告訴我們，要進(jìn)行有意義的學(xué)習(xí)．因此，我們要將各個(gè)知識點(diǎn)聯(lián)系起來，使得每個(gè)知識都是完整有意義的．

對于人的培養(yǎng)，要追求全面發(fā)展和個(gè)性發(fā)展相結(jié)合．那么，學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)到的知識和技能，應(yīng)該是有助于自己將來的生活或者創(chuàng)造的．這正是STEAM教育理念提倡的．

將單一知識點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為基于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)(后文簡稱“項(xiàng)目化學(xué)習(xí)”)，就是將相似或者同一知識系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)歸結(jié)成一個(gè)大的項(xiàng)目或者課題進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)者在不分學(xué)科領(lǐng)域的情況下，協(xié)作、實(shí)踐地學(xué)習(xí)．這正是解決知識技能有意義學(xué)習(xí)和人的全面化、個(gè)性化發(fā)展而提出來的．

例如牛頓運(yùn)動(dòng)定律的學(xué)習(xí)．人教版的安排，是將牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律、第二運(yùn)動(dòng)定律、第三運(yùn)動(dòng)定律，全部放在一章中學(xué)習(xí)．粵教版教材，則將牛頓第三定律與作為力的相互作用單獨(dú)設(shè)置，將牛頓第一定律和牛頓第二定律設(shè)置為一章內(nèi)容．筆者在幾年的教學(xué)中，都實(shí)踐了人教版和粵教版的教學(xué)．學(xué)生在學(xué)習(xí)人教版教材時(shí)，會(huì)因?yàn)榇罅康膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論推導(dǎo)，產(chǎn)生了很大的學(xué)習(xí)壓力．在學(xué)習(xí)粵教版教材時(shí)，也會(huì)遇到知識點(diǎn)分散，理解難度大的問題．經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐，如果將單一知識點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)，符合現(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)所提出的“對客觀事物的整體映像”的認(rèn)知規(guī)律，可讓學(xué)生對這三大定律的認(rèn)知，提高到新的高度，同時(shí)，也可讓學(xué)生重塑知識結(jié)構(gòu)，與建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)觀吻合．

首先，將“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”等實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)為驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，也就是，將牛頓三大定律，先學(xué)習(xí)其基本規(guī)律．然后，將班級分組，進(jìn)行項(xiàng)目化學(xué)習(xí)．其內(nèi)容是：

(1)每個(gè)人必須親自實(shí)踐去驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律，獲得數(shù)據(jù)，分析更加精準(zhǔn)地去驗(yàn)證的方法．

(2)每組學(xué)生，要根據(jù)自己的組員情況，討論牛頓運(yùn)動(dòng)定律實(shí)現(xiàn)的條件和存在的問題．

(3)每組學(xué)生，要根據(jù)自己的組員情況，收集整理關(guān)于牛頓定律的應(yīng)用實(shí)例，分工分析書本的例題．

(4)每組學(xué)生，要根據(jù)自己的組員情況，收集整理關(guān)于牛頓定律的發(fā)展歷史．

最后，讓每組學(xué)生上講臺講解自己的成果．利用章末復(fù)習(xí)課，每組學(xué)生在限定的時(shí)間內(nèi)，將自己的成果派代表講解給每個(gè)人，并將存在的問題記錄下來，作為復(fù)習(xí)課要解決的問題．在實(shí)踐中，因?yàn)閷⑻骄繉?shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生有了更多的自我學(xué)習(xí)實(shí)踐的時(shí)間．而在分組學(xué)習(xí)的過程中，筆者發(fā)現(xiàn)，學(xué)生各自擅長的東西都有所不同，興趣和愛好也有差異．擅長文科的學(xué)生，更多地分享了牛頓定律的人文知識，擅長理科的學(xué)生，則理性地提出了自己的分析應(yīng)用．

這樣將幾個(gè)單一的知識點(diǎn)，轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)，讓學(xué)生們相互學(xué)習(xí)、相互合作，共同進(jìn)步．每個(gè)學(xué)生既學(xué)到了基本的物理知識，更對物理和科技人文有了進(jìn)一步認(rèn)識，同時(shí)，取長補(bǔ)短，讓每個(gè)學(xué)生個(gè)性化得到了展現(xiàn)．而這樣的例子還有很多，物理的發(fā)展是不斷推進(jìn)的，也使得這樣將幾個(gè)單一的知識點(diǎn)，轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)變得可行．這一過程，也讓科學(xué)、數(shù)學(xué)以及人文藝術(shù)得以實(shí)踐和融合．

3.2 把實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橄群献餍钥茖W(xué)實(shí)踐再學(xué)習(xí)物理規(guī)律

在高中物理教學(xué)中，有不少知識點(diǎn)，涉及到初中已經(jīng)學(xué)習(xí)過的物理規(guī)律．這個(gè)學(xué)習(xí)過程，既是重新認(rèn)知物理規(guī)律，也是實(shí)踐過往學(xué)習(xí)到的科學(xué)知識最佳的時(shí)間．要充分利用好在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行教學(xué)的時(shí)間．把實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橄群献餍钥茖W(xué)實(shí)踐，再學(xué)習(xí)物理規(guī)律．不僅可以總結(jié)之前學(xué)習(xí)過的知識，還可以進(jìn)行科學(xué)實(shí)踐，在此基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)物理規(guī)律則更加深刻易懂．

比如，高中《物理·選修3-1》，電學(xué)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，特別是電路方面的知識點(diǎn)，許多規(guī)律和初中的知識點(diǎn)相似．因此，筆者安排了一些電子元件和焊接電路的器材，包括了色環(huán)電阻和可調(diào)變阻器等材料．

開始實(shí)驗(yàn)教學(xué)前，先讓每個(gè)學(xué)生根據(jù)初中所學(xué)知識，將色環(huán)電阻作為定值電阻，將可調(diào)變阻器作為滑動(dòng)變阻器，設(shè)計(jì)簡單的串并聯(lián)電路圖．接著，按照設(shè)計(jì)好的電路圖，焊接電路．設(shè)計(jì)多種簡單電路，每個(gè)人自己焊接自己的電路．然后，焊接完成后，分組合作，相互交叉檢查對方的焊接的電路，在檢測無故障后，說明對方電路設(shè)計(jì)的意圖．最后，每個(gè)學(xué)生，再自己焊接好電路，加入引線，作為電流電壓表的檢測點(diǎn)，探究閉合電路歐姆定律等電路規(guī)律．

將自己所學(xué)，用于科學(xué)實(shí)踐，讓每個(gè)學(xué)生都興奮不已．在實(shí)踐中，交叉檢測和說明對方的設(shè)計(jì)意圖，既是知識的深入應(yīng)用，更是一種社交藝術(shù)的實(shí)踐．最后，將成果用來學(xué)習(xí)新規(guī)律，讓學(xué)生收獲良多．

“把實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橄群献餍钥茖W(xué)實(shí)踐，再學(xué)習(xí)物理規(guī)律”，讓學(xué)生快樂學(xué)習(xí)，也在不斷地融合STEAM的教育理念，讓科學(xué)、技術(shù)、工程和社交藝術(shù)得以實(shí)踐．

3.3 以探究性學(xué)習(xí)開展豐富多彩的實(shí)驗(yàn)課程和校本課程

在實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)，將物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，開展成為“以探究形式”的“實(shí)驗(yàn)課程”和“校本課程”，是融合STEAM教育理念最佳方法，也是最快速的方法．

比如，在“熔化與凝固”實(shí)驗(yàn)中，教材推薦使用海波作為實(shí)驗(yàn)的材料．然而實(shí)踐證明，海波在“熔化和凝固”的現(xiàn)象中，雖然表現(xiàn)已經(jīng)不錯(cuò)，但是實(shí)驗(yàn)的成功率并不高．筆者，秉持著有問題才有學(xué)習(xí)的必要，在學(xué)生中，開展探究性實(shí)驗(yàn)課程．

首先，在日常的教學(xué)中，讓學(xué)生按照課程要求，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理，認(rèn)真完成課程學(xué)習(xí)內(nèi)容，對操作、儀器和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，都進(jìn)行分析，并做好學(xué)案．

然后，利用學(xué)校每周一節(jié)的校本課程開展實(shí)驗(yàn)課程，就“熔化與凝固”，讓學(xué)生提出問題．學(xué)生甚至質(zhì)疑課本的知識，質(zhì)疑實(shí)驗(yàn)裝置，質(zhì)疑藥品的比例，質(zhì)疑實(shí)驗(yàn)器材等等．在學(xué)生提出問題后，羅列出所有問題．然后讓學(xué)生自主挑選要探究的問題，帶著問題去探究．需要實(shí)驗(yàn)條件的，提供給予實(shí)驗(yàn)環(huán)境，需要文獻(xiàn)資料的，由教師提供文獻(xiàn)資料．

這個(gè)過程中，在教師的監(jiān)督下，有的學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，有的學(xué)生自己調(diào)配藥品，有的更換器材，采用數(shù)字探究系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．經(jīng)過幾個(gè)星期的研究，學(xué)生們最終形成了比較可靠的實(shí)驗(yàn)裝置和結(jié)論，深入地探究了自己感興趣的問題．

將問題帶到探究性學(xué)習(xí)中，開展豐富多彩的實(shí)驗(yàn)課程，不僅讓學(xué)生學(xué)習(xí)到了知識，也讓實(shí)驗(yàn)越來越可靠．

利用校本課程，結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，開展課程，也是融合STEAM教育理念的一個(gè)很好的方法．比如，在剛學(xué)習(xí)完“聲音測量”以后，筆者給予了“測量學(xué)校足球場和籃球場面積”的校本課程實(shí)踐任務(wù)．學(xué)生們充分發(fā)揮自己的知識和能力，運(yùn)用數(shù)學(xué)、工程測繪等等知識，提供了多種可行的方案，并且很好地完成了任務(wù)．

以探究性學(xué)習(xí)開展豐富多彩的實(shí)驗(yàn)課程和校本課程，可以更加直接面對生活和學(xué)習(xí)中的實(shí)際問題，用科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)來解決，然后用藝術(shù)的形式交流與表達(dá)．這與STEAM教育理念完全契合．

4 結(jié)語

STEAM理念在物理實(shí)驗(yàn)室中融合，實(shí)踐于其學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，更踐行于借此運(yùn)用的各類實(shí)踐方法．本文中探討的幾種方法，在實(shí)踐中，對培養(yǎng)全面性、個(gè)性化的學(xué)生素養(yǎng)，有一定的作用．作為學(xué)習(xí)的主體，學(xué)生也十分喜愛這種融合STEAM的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)．然而，我們還需要對STEAM教育有一個(gè)規(guī)劃和定位，讓教學(xué)實(shí)踐更加有效．

1 mayadong7349.stem[EB/OL].[2016-10-20].http://baike.baidu.com/item/stem

2 范燕瑞.STEM教育研究——美國K-12階段課程改革新關(guān)注：[碩士學(xué)位論文].上海：華東師范大學(xué), 2011

3 趙慧臣，陸曉婷.開展STEAM教育，提高學(xué)生創(chuàng)新能力——訪美國STEAM教育知名學(xué)者格雷特·亞克門教授.開放教育研究, 2016, 22(5):4～10

4 王娟，吳永和.“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代STEAM教育應(yīng)用的反思與創(chuàng)新路徑.遠(yuǎn)程教育雜志, 2016, 35(2):90～97

5 胡畔，蔣家傅，陳子超.我國STEAM教育發(fā)展的現(xiàn)實(shí)困難與對策.中國信息技術(shù)教育, 2015(9):46～47

淺析傳感器和DIS系統(tǒng)在高考題型中的應(yīng)用

劉立志

(宜都市一中 湖北 宜昌 443300)

(收稿日期：2016-12-05)

摘 要：針對DIS系統(tǒng)在生產(chǎn)生活實(shí)際中的廣泛應(yīng)用，以及近年DIS系統(tǒng)在高考試卷當(dāng)中頻繁出現(xiàn)的事實(shí)，借助對兩道相關(guān)高考真題的解析與研究，以幫助學(xué)生更好地理解和體會(huì)DIS系統(tǒng)在試題中的出現(xiàn)形式，從而達(dá)到熟練掌握相關(guān)題型的解題技巧的目的．

關(guān)鍵詞：傳感器 DIS 高考

所謂DIS系統(tǒng)，是英文“Digital Information System”的縮寫．它的基本結(jié)構(gòu)主要包含傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)3部分．其中傳感器可以測量力、位移、溫度、光、電壓、電流等各種物理量，并將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號，而數(shù)據(jù)采集器可以將傳感器采集到的各種電信號進(jìn)行處理后輸入計(jì)算機(jī)，大量數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)內(nèi)應(yīng)用軟件的分析處理后，最終能夠以多種不同形式呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的屏幕上．

由于該系統(tǒng)涉及到的知識綜合性較強(qiáng)，在生產(chǎn)、生活與技術(shù)中的應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，又在新課標(biāo)理念下被引入教材，近年各省區(qū)高考實(shí)驗(yàn)題題中越來越多地涉及到傳感器及該系統(tǒng)的應(yīng)用．通過對近幾年與之相關(guān)的題型研究發(fā)現(xiàn)，這類題型都有一個(gè)相似的特點(diǎn)，就是題目本身涉及的物理學(xué)過程或物理學(xué)知識并不復(fù)雜，但是對學(xué)生的能力仍有較高的要求．第一，學(xué)生必須能夠?qū)]有見過的操作方法與已經(jīng)學(xué)過的基本操作方法進(jìn)行類比，從而達(dá)到理解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理的要求；第二，學(xué)生必須能夠?qū)Φ玫降膱D像、表格等信息進(jìn)行分析，并得到解題所需的相關(guān)數(shù)據(jù)．伴隨著新課程改革的全面推廣，高校人才的選拔越來越注重對學(xué)生能力的考核，所以與傳感器、DIS系統(tǒng)有關(guān)的考題必將以更高的頻率出現(xiàn)在各地的高考試卷當(dāng)中．

本文將分別在力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)中舉例說明這類問題的常見解法．

【例題1】如圖1所示為一根豎直懸掛的不可伸長的輕繩，下端拴住一小物塊A，上端固定在C點(diǎn)且與一根能測量繩的拉力的測力傳感器相連．已知有一顆質(zhì)量為m0的子彈B沿水平方向以速度v0射入A內(nèi)(未穿透)，接著兩者一起繞C點(diǎn)在豎直面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，在各種阻力都可忽略的條件下測力傳感器測得繩的拉力F隨時(shí)間t的變化關(guān)系如圖2所示．已知子彈射入的時(shí)間極短，且圖2中t=0為A和B開始以相同速度運(yùn)動(dòng)的時(shí)刻，根據(jù)力學(xué)規(guī)律和題中(包括圖)提供的信息，對反映懸掛系統(tǒng)本身性質(zhì)的物理量(例如A的質(zhì)量)及A和B一起運(yùn)動(dòng)過程中的守恒量，你能求得哪些定量的結(jié)果？

圖1 例1題圖

解析：由圖2可直接看出，A和B一起做周期性運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的周期T=2t0.

圖2 F-t關(guān)系曲線

令m表示A的質(zhì)量，L表示繩長．v1表示B陷入A內(nèi)時(shí)即t=0時(shí)A和B的速度(即圓周運(yùn)動(dòng)最低點(diǎn)的速度)，v2表示運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)的速度，F(xiàn)1表示運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)繩的拉力，F(xiàn)2表示運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)繩的拉力，根據(jù)動(dòng)量守恒定律，得

m0vo=(m0+m)v1

在最低點(diǎn)和最高點(diǎn)處運(yùn)用牛頓定律可得

根據(jù)機(jī)械能守恒定律可得

由圖2可知

F2=0

F1=Fm

由以上各式可解得，反映系統(tǒng)性質(zhì)的物理量是

在A和B一起運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)械能E守恒，若以最低點(diǎn)為勢能的零點(diǎn)， 則

聯(lián)立方程求解得

點(diǎn)評：這是一道開放題，題目的設(shè)問不明確，要靠考生去尋找，答案當(dāng)然也要靠考生去解決，本題由于其開放性，成為當(dāng)年高考題的一個(gè)亮點(diǎn)．就傳感器而言，測力傳感器在本題只作為題目來源的工具，告訴我們測力傳感器可以測得繩的拉力F隨時(shí)間t的變化關(guān)系圖像，題目的解決對傳感器沒有實(shí)質(zhì)性的要求．

【例題2】如圖3所示，質(zhì)量為M的滑塊A放在氣墊導(dǎo)軌B上，C為位移傳感器，它能將滑塊A到傳感器C的距離數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到計(jì)算機(jī)上，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后在屏幕上顯示滑塊A的位移-時(shí)間(s-t)圖像和速率-時(shí)間(v-t)圖像．整個(gè)裝置置于高度可調(diào)節(jié)的斜面上，斜面的長度為l，高度為h．(取重力加速度g=9.8 m/s2，結(jié)果可保留一位有效數(shù)字)

圖3 例2題圖

(1)現(xiàn)給滑塊A一個(gè)沿氣墊導(dǎo)軌向上的初速度，A的v-t圖線如圖4(a)所示．從圖線可得滑塊A下滑時(shí)的加速度a=______m/s2，摩擦力對滑塊A運(yùn)動(dòng)的影響______．(填“明顯，不可忽略”或“不明顯，可忽略”)

(2)此裝置還可用來驗(yàn)證牛頓第二定律．實(shí)驗(yàn)時(shí)通過改變______，可驗(yàn)證質(zhì)量一定時(shí)，加速度與力成正比的關(guān)系；實(shí)驗(yàn)時(shí)通過改變______，可驗(yàn)證力一定時(shí)，加速度與質(zhì)量成反比的關(guān)系．

(3)將氣墊導(dǎo)軌換成滑板，滑塊A換成滑塊A′，給滑塊A′一沿滑板向上的初速度，A′的s-t圖線如圖4(b)所示．圖線不對稱是由于________________造成的，通過圖線可求得滑板的傾角θ=？(用反三角函數(shù)表示)，滑塊與滑板間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=________．

圖4

答案：(1)不明顯，可忽略．

(2)斜面高度h，滑塊A的質(zhì)量M及斜面高度h，且使Mh不變.

(3)滑動(dòng)摩擦力，arcsin 0.6(arcsin 0.57～arcsin 0.64)， 0.3(0.2～0.4)

解析：(1)下滑時(shí)，加速度為

上滑時(shí)，加速度為

摩擦力對滑塊A運(yùn)動(dòng)的影響不明顯，可忽略．

(2)改變斜面高度h， 即改變斜面的傾角，則改變產(chǎn)生加速度的力(F=Mgsinθ)，可驗(yàn)證質(zhì)量一定時(shí)，加速度與力成正比的關(guān)系；改變滑塊A的質(zhì)量M及斜面的高度h，且使Mh不變，因?yàn)?/p>

使Mh不變，則F不變，可驗(yàn)證力一定時(shí)，加速度與質(zhì)量成反比的關(guān)系．

(3)圖線不對稱是由于滑動(dòng)摩擦力造成的，因?yàn)樵诨瑝K上滑時(shí)，加速度的大小為

在滑塊下滑時(shí)，加速度的大小為

在滑動(dòng)摩擦力不可忽略的情況下，二者不等，s-t圖像不對稱．

從圖4(a)中得

a=6 m/s2

又

a=gsinθ

所以

從圖4(b)中上滑階段讀出

t=(0.4-0) s=0.4 s

s=(0.84-0.20) m=0.64 m

根據(jù)

得

a=8 m/s2

代入

已知

sinθ=0.6

則

cosθ=0.8

解得

μ=0.25

點(diǎn)評：本題是對傳感器的實(shí)質(zhì)性的考查．位移傳感器連上計(jì)算機(jī)，不僅可以實(shí)時(shí)畫出位移-時(shí)間(s-t)圖像，也可以實(shí)時(shí)畫出速度-時(shí)間(v-t)圖像，比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法(打點(diǎn)計(jì)時(shí)器)方便得多．本題不僅考查了實(shí)驗(yàn)：勻變速運(yùn)動(dòng)的研究(求加速度)，也考查了實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證牛頓第二定律(驗(yàn)證質(zhì)量一定時(shí)，加速度與力成正比的關(guān)系；驗(yàn)證力一定時(shí)，加速度與質(zhì)量成反比的關(guān)系)，可謂一題多考．要在短時(shí)間內(nèi)，用少數(shù)題目考查學(xué)生多年學(xué)的這么多的物理知識和方法，就要一題多考，提高題目的綜合性．

2017-03-22)