李 寧

(北京市第九中學(xué) 北京 100041)

梁吉峰

(北京市育英學(xué)校 北京 100036)

丁慶紅

(北京教育學(xué)院石景山分院 北京 100043)

1 引言

2017年高考北京理科綜合中的物理實(shí)驗(yàn)題是高考試題中的一大亮點(diǎn)，與近幾年的北京高考物理實(shí)驗(yàn)題一樣，注重考查常規(guī)實(shí)驗(yàn)，命題的角度非常貼近高中教學(xué)實(shí)際情況，能很好地反映學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ瑫r(shí)注重考查學(xué)生在常規(guī)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的深入思考能力，挖掘、深層次考查學(xué)生的探究能力，充分展現(xiàn)北京高考試題注重考查物理核心素養(yǎng)、具有創(chuàng)新性和選拔性考試的特點(diǎn).本文對(duì)2017年高考北京理科綜合中的物理實(shí)驗(yàn)題的解法進(jìn)行了研究，反觀實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，探討了高考實(shí)驗(yàn)命題對(duì)教學(xué)的一些啟示，對(duì)于高三復(fù)習(xí)備考以及物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有一定的參考價(jià)值，希望起到拋磚引玉的作用.

2 考題重現(xiàn)

【題目】(2017年高考北京理綜卷實(shí)驗(yàn)題第21題)如圖1所示，用質(zhì)量為m的重物通過(guò)滑輪牽引小車(chē)，使它在長(zhǎng)木板上運(yùn)動(dòng)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上記錄小車(chē)的運(yùn)動(dòng)情況.利用該裝置可以完成“探究動(dòng)能定理”的實(shí)驗(yàn).

(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用的電源是______(選填選項(xiàng)前的字母).

A．直流電源 B．交流電源

(2)實(shí)驗(yàn)中，需要平衡摩擦力和其他阻力，正確的操作方法是______(選填選項(xiàng)前的字母).

A．把長(zhǎng)木板右端墊高 B．改變小車(chē)的質(zhì)量

在不掛重物且______(選填選項(xiàng)前的字母)的情況下，輕推一下小車(chē).若小車(chē)拖著紙帶做勻速運(yùn)動(dòng)，表明已經(jīng)消除了摩擦力和其他阻力的影響.

A．計(jì)時(shí)器不打點(diǎn) B．計(jì)時(shí)器打點(diǎn)

圖1 試題情境圖

(3)接通電源，釋放小車(chē)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打下一系列點(diǎn)，將打下的第一個(gè)點(diǎn)標(biāo)為O.在紙帶上依次取A，B，C，…若干個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，已知相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔為T(mén).測(cè)得A，B，C，…各點(diǎn)到O點(diǎn)的距離為x1，x2，x3，…，如圖2所示.

圖2 測(cè)量紙帶

實(shí)驗(yàn)中，重物質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車(chē)質(zhì)量，可認(rèn)為小車(chē)所受的拉力大小為mg.從打O點(diǎn)到打B點(diǎn)的過(guò)程中，拉力對(duì)小車(chē)做的功W=______，打B點(diǎn)時(shí)小車(chē)的速度v=______.

(4)以v2為縱坐標(biāo)，W為橫坐標(biāo)，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出如圖3所示的v2-W圖像.由此圖像可得v2隨W變化的表達(dá)式為_(kāi)_____.根據(jù)功與能的關(guān)系，動(dòng)能的表達(dá)式中可能包含v2這個(gè)因子；分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的單位關(guān)系，與圖線斜率有關(guān)的物理量應(yīng)是______.

圖3 v2-W圖像

(5)假設(shè)已經(jīng)完全消除了摩擦力和其他阻力的影響，若重物質(zhì)量不滿(mǎn)足遠(yuǎn)小于小車(chē)質(zhì)量的條件，則從理論上分析，圖4選項(xiàng)中正確反映v2-W關(guān)系的是______.

圖4 選項(xiàng)圖

3 考題分析

2017年高考北京理綜卷實(shí)驗(yàn)題第21題考查的是常規(guī)學(xué)生實(shí)驗(yàn)“探究動(dòng)能定理”，每道小題的考查細(xì)目如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)每道小題的考查目標(biāo)

4 解法研究

(1)考查打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的配套電源選取，根據(jù)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的工作原理或?qū)W生真正使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器做過(guò)實(shí)驗(yàn)，不難確定正確選項(xiàng)為B.

(2)1)考查平衡摩擦力和其他阻力的具體實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，如果理解平衡摩擦力和其他阻力的原理或真實(shí)做過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，可以確定正確選項(xiàng)為A.

2)考查如何才算平衡好了摩擦力和其他阻力的具體實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，如果理解為何要平衡摩擦力和其他阻力或真實(shí)經(jīng)歷過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，可以確定正確選項(xiàng)為B.

對(duì)平衡摩擦力和其他阻力的認(rèn)識(shí)：根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，探究“?dòng)能定理”，即探究合外力對(duì)小車(chē)做的功與小車(chē)動(dòng)能增量的關(guān)系，需要確定合外力做的功與小車(chē)的動(dòng)能增量.小車(chē)的動(dòng)能增量可以通過(guò)紙帶處理數(shù)據(jù)求解速度，進(jìn)一步根據(jù)動(dòng)能表達(dá)式得出；合外力做的功需要求出小車(chē)所受的合外力，根據(jù)功的計(jì)算公式得出.實(shí)驗(yàn)中便于確定的是小車(chē)所受的拉力，如果把拉力當(dāng)作合外力的話，需要滿(mǎn)足除拉力外，其他外力的合力為零，稱(chēng)之為平衡摩擦力.具體平衡摩擦力的方法是將長(zhǎng)木板的一端墊高，相當(dāng)于是讓小車(chē)處于斜面上，移動(dòng)墊木的位置改變斜面傾角，直到小車(chē)可以勻速運(yùn)動(dòng)，此時(shí)小車(chē)所受的合力為零，如果再對(duì)小車(chē)施加拉力，則拉力即為小車(chē)所受的合外力，拉力做功即為合外力做的功.實(shí)驗(yàn)中的阻力來(lái)源有小車(chē)與木板之間的滑動(dòng)摩擦力、實(shí)驗(yàn)中紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器之間的阻力、空氣阻力等，故在平衡摩擦力時(shí)，需要在不掛重物且打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)的情況下，輕推一下小車(chē).若小車(chē)拖著紙帶做勻速運(yùn)動(dòng)，表明已經(jīng)消除了摩擦力和其他阻力的影響.為了準(zhǔn)確判斷小車(chē)是否勻速，還需要分析打出的紙帶，如果點(diǎn)是均勻分布，可以認(rèn)為小車(chē)在做勻速運(yùn)動(dòng)，平衡了阻力，為進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)做好了準(zhǔn)備.

(3)考查數(shù)據(jù)處理計(jì)算拉力對(duì)小車(chē)做的功W和分析紙帶求速度.如果學(xué)生掌握功的概念，理解分析紙帶求速度的方法，真實(shí)處理過(guò)這種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)則不難作答.

1)實(shí)驗(yàn)中，若重物質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車(chē)質(zhì)量，可認(rèn)為小車(chē)所受的拉力大小為mg.從打O點(diǎn)到打B點(diǎn)的過(guò)程中，位移大小為x2，拉力對(duì)小車(chē)做的功

W=mgx2

2)勻變速直線運(yùn)動(dòng)中，中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度等于這一段時(shí)間的平均速度，打B點(diǎn)時(shí)小車(chē)的速度

(4)1)要求“由此圖像可得v2隨W變化的表達(dá)式”，根據(jù)圖像近似為正比例函數(shù)，應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)不難寫(xiě)出表達(dá)式

v2=kWk=4.5～5.0

2)要求“分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的單位關(guān)系，與圖線斜率有關(guān)的物理量應(yīng)是”，分析斜率k的單位

所以與圖像斜率有關(guān)的物理量應(yīng)是質(zhì)量.

(5)要求“假設(shè)已經(jīng)完全消除了摩擦力和其他阻力的影響，若重物質(zhì)量不滿(mǎn)足遠(yuǎn)小于小車(chē)質(zhì)量的條件，則從理論上分析，圖4中正確反映v2-W關(guān)系的是”，這個(gè)問(wèn)題如何處理呢？

通過(guò)分析近幾年的北京高考實(shí)驗(yàn)題不難發(fā)現(xiàn)，每年都有一問(wèn)這種類(lèi)型的題目，或論述，或選擇，這類(lèi)問(wèn)題有沒(méi)有處理的一般方法呢？我們不妨通過(guò)對(duì)這道實(shí)驗(yàn)題最后一問(wèn)的分析來(lái)研究一下.具體步驟如下.

第一步，當(dāng)成一道綜合問(wèn)題來(lái)分析：創(chuàng)設(shè)重物牽引小車(chē)運(yùn)動(dòng)的物理情境.

第二步，構(gòu)建運(yùn)動(dòng)模型：重物豎直向下勻加速直線運(yùn)動(dòng)，小車(chē)沿斜面做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，重物和小車(chē)是加速度大小相等的連接體，如圖5所示.

圖5 構(gòu)建運(yùn)動(dòng)模型

第三步，選研究對(duì)象，受力分析,如圖6所示.

圖6 對(duì)研究對(duì)象受力分析

第四步，選規(guī)律，寫(xiě)方程.

對(duì)小車(chē)：

F=Ma

(1)

對(duì)重物：

mg-F=ma

(2)

由此可得

若重物質(zhì)量滿(mǎn)足遠(yuǎn)小于小車(chē)質(zhì)量的條件，即m?M，從理論上分析，則可認(rèn)為小車(chē)所受的拉力

F=mg

(3)

若滿(mǎn)足動(dòng)能定理，則有

(4)

即

(5)

整理可得

(6)

若重物質(zhì)量不滿(mǎn)足遠(yuǎn)小于小車(chē)質(zhì)量的條件，從理論上分析，則小車(chē)所受的拉力為

(7)

若滿(mǎn)足動(dòng)能定理，則有

(8)

即

(9)

整理可得

(10)

故正確答案為A.

要正確解答這道題目還需要注意如下幾點(diǎn)：

a.題目給定的W是指拉力對(duì)小車(chē)做的功，而非重物重力做的功.

b.要求從理論上分析，而非實(shí)驗(yàn)上分析.

c.重物質(zhì)量滿(mǎn)足或不滿(mǎn)足遠(yuǎn)小于小車(chē)質(zhì)量的條件，對(duì)小車(chē)所受拉力有影響，拉力不同，但是拉力均為恒力，在“設(shè)已經(jīng)完全消除了摩擦力和其他阻力的影響”的前提下，拉力始終為小車(chē)所受的合外力，拉力的功為小車(chē)所受的合外力的功.

5 對(duì)中學(xué)物理教學(xué)的啟示

(1)高度重視常規(guī)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，精編實(shí)驗(yàn)講義，在實(shí)驗(yàn)室動(dòng)手解決問(wèn)題，充分經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程

在高三復(fù)習(xí)備考中，有人認(rèn)為常規(guī)學(xué)生實(shí)驗(yàn)在高一和高二做過(guò)，高三沒(méi)必要在這方面再浪費(fèi)時(shí)間，再說(shuō)即使是實(shí)驗(yàn)做得很熟練，考試也不一定能得到相應(yīng)分?jǐn)?shù)，不如高三講實(shí)驗(yàn)來(lái)得實(shí)惠，這種做法盡管有一定道理，但是不符合新課改要注重培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)、提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力的要求.如何在高三教學(xué)中做好提高分?jǐn)?shù)與提升能力的平衡，確實(shí)需要一線物理教師發(fā)揮教學(xué)智慧.為提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，建議根據(jù)學(xué)生情況編制實(shí)驗(yàn)學(xué)案，把考查常規(guī)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)題改編成學(xué)生實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生先預(yù)習(xí)，教師批閱，再讓學(xué)生帶著問(wèn)題進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)歷真實(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，對(duì)于實(shí)驗(yàn)原理、器材選取、實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)處理和誤差分析等知識(shí)，根據(jù)學(xué)生掌握情況，再進(jìn)行講解，會(huì)得到更好的教學(xué)效果.

(2)做好演示實(shí)驗(yàn)，規(guī)范學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作

教師要精挑一些實(shí)驗(yàn)做好演示，規(guī)范學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作，例如使用多用電表測(cè)電阻，如何機(jī)械調(diào)零，根據(jù)待測(cè)電阻情況合理選擋，紅黑表筆短接調(diào)零，測(cè)量并讀數(shù),如果還需要測(cè)量其他電阻，若不需要換擋直接測(cè)量，如果需要換擋測(cè)量其他電阻需要重新短接調(diào)零.最后規(guī)范整理器材時(shí)多用電表的選擇開(kāi)關(guān)置于“OFF”擋或交流電壓最高擋位，紅黑表筆取出，長(zhǎng)時(shí)間不用多用電表，需要將電池取出.教師規(guī)范演示完畢，不見(jiàn)得學(xué)生真的會(huì)了，再讓學(xué)生注意規(guī)范操作的基礎(chǔ)上真動(dòng)手，在真動(dòng)手的時(shí)候，才可能做到真動(dòng)腦，干巴巴的知識(shí)才可能變得生動(dòng)起來(lái)，愛(ài)動(dòng)腦的孩子自然要思考內(nèi)部的構(gòu)造是怎樣的？什么原理？學(xué)習(xí)過(guò)程不斷引向深入，復(fù)習(xí)效率自然提高.

(3)精選探究實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)進(jìn)行變式，鼓勵(lì)學(xué)生探究

通過(guò)分析近幾年的高考實(shí)驗(yàn)題最后一問(wèn)，不難發(fā)現(xiàn)一些規(guī)律，即在常規(guī)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，改變某些實(shí)驗(yàn)條件，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入討論，較高層次考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力.例如2017年考查的探究動(dòng)能定理實(shí)驗(yàn)最后一問(wèn)中提出“假設(shè)已經(jīng)完全消除了摩擦力和其他阻力的影響，若重物質(zhì)量不滿(mǎn)足遠(yuǎn)小于小車(chē)質(zhì)量的條件，則從理論上分析，正確反映v2-W關(guān)系的是”，常規(guī)實(shí)驗(yàn)考查為“若重物質(zhì)量滿(mǎn)足遠(yuǎn)小于小車(chē)質(zhì)量的條件，則從理論上分析，正確反映v2-W關(guān)系的是”，如果在教學(xué)中加以引導(dǎo)，啟發(fā)學(xué)生思考為什么需要滿(mǎn)足重物質(zhì)量滿(mǎn)足遠(yuǎn)小于小車(chē)質(zhì)量的條件，不滿(mǎn)足的話，對(duì)哪個(gè)物理量有直接影響？如何進(jìn)行修正？對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有何影響？等等，可能很多問(wèn)題都迎刃而解.

(4)以典型實(shí)驗(yàn)為例滲透圖像法處理數(shù)據(jù)思想

在高中物理實(shí)驗(yàn)中有很多應(yīng)用圖像法處理數(shù)據(jù)的例子，對(duì)于圖像我們需要重點(diǎn)關(guān)注圖像的變化趨勢(shì)、斜率、截距、面積等信息所包含的物理意義.

例如：2016年高考北京實(shí)驗(yàn)題考查驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn),最后一問(wèn)中提出,“在紙帶上選取多個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，測(cè)量它們到起始點(diǎn)O的距離h，計(jì)算對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)點(diǎn)的重物速度v，描繪v2-h圖像，并做如下判斷：若圖像是一條過(guò)原點(diǎn)的直線，則重物下落過(guò)程中機(jī)械能守恒.請(qǐng)你分析論證該同學(xué)的判斷依據(jù)是否正確.”該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理將計(jì)算驗(yàn)證轉(zhuǎn)化為圖像驗(yàn)證，作出v2-h關(guān)系圖像，若圖像是一條過(guò)原點(diǎn)的直線，是不是就能說(shuō)明能證實(shí)機(jī)械能守恒呢？需要借助于基本關(guān)系論證一下.

又如：伏安法測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻的實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)采集數(shù)據(jù)作出了電源的路端電壓與流過(guò)電源的電流的關(guān)系圖像,即U-I關(guān)系圖像，利用圖像求出電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻.不妨寫(xiě)出U-I的函數(shù)關(guān)系表達(dá)式，因?yàn)橹浜瘮?shù)圖像背后的是函數(shù)關(guān)系，借助所學(xué)知識(shí)寫(xiě)出縱坐標(biāo)與橫坐標(biāo)的函數(shù)關(guān)系，即U= -Ir+E，不難看出圖像斜率的絕對(duì)值表示內(nèi)電阻r，圖像與縱軸的截距表示電源電動(dòng)勢(shì)E.