賀德斌

（晉江市教師進(jìn)修學(xué)校，福建 晉江 362200）

物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的教學(xué)是當(dāng)下物理教師正在探索的重要課題?；谖锢砗诵乃仞B(yǎng)的中考物理試題更加重視理論聯(lián)系實(shí)際、注重科學(xué)探究、發(fā)展科學(xué)思維。其中基于真實(shí)情景的物理知識(shí)應(yīng)用能力、物理建模能力、信息分析處理能力的考查是中考物理新難點(diǎn)。福建德旺基礎(chǔ)教育研究院陳祖標(biāo)先生倡導(dǎo)的物理新思維教學(xué)實(shí)驗(yàn)認(rèn)為：科學(xué)探究不僅是學(xué)生“科學(xué)思維”發(fā)展的關(guān)鍵支撐和主要路徑，同時(shí)也是學(xué)生形成正確“物理觀念”，養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神的實(shí)踐基礎(chǔ)和必要條件。［1］筆者在物理新思維教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，嘗試巧用科學(xué)探究來破解中考物理難點(diǎn)進(jìn)行了大量的教學(xué)實(shí)踐。現(xiàn)總結(jié)三大教學(xué)策略并以相應(yīng)案例說明。

一、培養(yǎng)觀察分析能力，破解相似情境干擾

生活中有很多看起來很相似的情境，但仔細(xì)分析卻發(fā)現(xiàn)背后所應(yīng)用的物理規(guī)律很不相同。這樣的情境題就成了中考的熱點(diǎn)題型，可以很好地考查學(xué)生從現(xiàn)象到本質(zhì)的分析能力和物理知識(shí)的應(yīng)用能力。

（一）考向例析：2019 年福建省中考試卷第25 題

如圖1，礦泉水瓶蓋側(cè)面刻有凹凸不平的條紋，便于旋開瓶蓋；帶有橡膠塞的口服液所配置的吸管，其表面也刻有棱狀條紋，便于吸上口服液。聯(lián)系所學(xué)的物理知識(shí)，分別說明上述兩個(gè)實(shí)例中條紋的作用。

圖1

本題第一個(gè)情景：礦泉水瓶蓋側(cè)面刻有凹凸不平的條紋，便于旋開瓶蓋。這是同學(xué)們較為熟悉的摩擦力的典型應(yīng)用。礦泉水瓶蓋側(cè)面的“條紋”，可以增大接觸面的粗糙程度，增大摩擦。而第二個(gè)情景：帶有橡膠塞的口服液所配置的吸管，其表面也刻有棱狀條紋，便于吸上口服液。沒有生活經(jīng)驗(yàn)，不善于觀察思考的同學(xué)就容易出錯(cuò)。同樣是“條紋”，而口服液吸管表面“條紋”為了讓空氣進(jìn)入瓶?jī)?nèi)，使瓶?jī)?nèi)氣體與大氣相通，在大氣壓強(qiáng)的作用下使人吸入口服液。

如何破解這類問題呢？我們的解決方法是設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和探究活動(dòng)，培養(yǎng)同學(xué)們觀察思考能力、從現(xiàn)象到本質(zhì)的分析能力和物理知識(shí)的應(yīng)用能力。

（二）科學(xué)實(shí)驗(yàn)：奇妙的電風(fēng)扇

實(shí)驗(yàn)器材：兩個(gè)同樣的小電動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、電源、LED燈、導(dǎo)線。

實(shí)驗(yàn)步驟：

1.教師演示實(shí)驗(yàn)：分別給兩個(gè)同樣的小電動(dòng)機(jī)風(fēng)扇通電。

現(xiàn)象觀察：觀察到的現(xiàn)象是小電動(dòng)機(jī)風(fēng)扇都能旋轉(zhuǎn)，吹風(fēng)。

問題思考：

（1）請(qǐng)同學(xué)思考：小風(fēng)扇通電后旋轉(zhuǎn)，這一過程的能量如何轉(zhuǎn)化？

（2）小風(fēng)扇的電機(jī)是電動(dòng)機(jī)還是發(fā)電機(jī)呢？

設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)學(xué)生的觀察分析能力，學(xué)會(huì)從能量轉(zhuǎn)化的角度來區(qū)分發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)。

2.教師演示實(shí)驗(yàn)：將其中一個(gè)原來接電源的一端改接上LED 燈。如圖2 裝置，給左邊的風(fēng)扇通電。

圖2

現(xiàn)象觀察：觀察到給左邊的風(fēng)扇通電，使風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，讓左邊的風(fēng)扇產(chǎn)生的風(fēng)力使右邊風(fēng)扇的扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)LED 燈居然亮了。

問題思考：

（1）給左邊的風(fēng)扇通電，使風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)。這一過程的能量如何轉(zhuǎn)化？左邊的風(fēng)扇的電機(jī)是電動(dòng)機(jī)還是發(fā)電機(jī)呢？

（2）右邊風(fēng)扇的扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)，點(diǎn)亮了LED 燈。這一過程的能量如何轉(zhuǎn)化？右邊的風(fēng)扇的電機(jī)是電動(dòng)機(jī)還是發(fā)電機(jī)呢？

設(shè)計(jì)意圖：用趣味實(shí)驗(yàn)引起學(xué)生的興趣，巧設(shè)問題，引導(dǎo)學(xué)生觀察分析。

（三）探究活動(dòng)：“花紋”探秘

如圖3 甲、乙兩圖分別是盲道和鞋底的圖片，它們上面都有凹凸不平的“花紋”，這些“花紋”的作用一樣嗎？

圖3

周末探究活動(dòng)1：請(qǐng)同學(xué)們?cè)谥苣┤グ蔡さ膶Ｙu店調(diào)查鞋底的花紋有哪些種類？作用有何不同？

周末探究活動(dòng)2：請(qǐng)同學(xué)們?cè)谥苣┤D書館或者公園，去觀察體驗(yàn)盲道“花紋”的作用。并上網(wǎng)查詢盲道的相關(guān)知識(shí)。

同學(xué)們發(fā)現(xiàn)走向社會(huì)，走進(jìn)生活的學(xué)習(xí)遠(yuǎn)比課本知識(shí)要豐富多彩。下面是兩個(gè)學(xué)生成果匯報(bào)的案例。

學(xué)生探究活動(dòng)1 成果匯報(bào)案例：

鞋底花紋是在壓力不變時(shí)，增大接觸面的粗糙程度，從而增大摩擦。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)鞋底的花紋千奇百怪，大致可分為五類：橫條紋、直條紋、斜條紋、V 型條紋、圓圈型條紋。

橫條紋：多用于羽毛球鞋底。更有利于打球時(shí)前后移動(dòng)。

直條紋、斜條紋：多用于休閑鞋等運(yùn)動(dòng)量不大的鞋。

V 型條紋：多用于籃球鞋。有利于加速、變向、急停等。

圓圈型條紋：多用于籃球鞋底，前腳掌內(nèi)測(cè)為圓心。使專向更加靈敏省力。

學(xué)生探究活動(dòng)2 成果匯報(bào)案例：

盲道上的花紋是在壓力一定時(shí)，通過減小受力面積，增大對(duì)盲人腳底的壓強(qiáng)。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)盲道花紋有兩種形式：一種是指引視殘者通過腳感繼續(xù)向前直行的盲道，表面呈長(zhǎng)條形稱為行進(jìn)盲道。另一種是告知視殘者盲道要拐彎或者盲道的終點(diǎn)處，表明呈圓點(diǎn)形，稱為提示盲道。

通過蒙著眼睛，體驗(yàn)靠盲道行進(jìn)，感受到盲道與普通地面對(duì)腳產(chǎn)生的壓強(qiáng)不同，但行進(jìn)相當(dāng)困難。更感受到眼睛對(duì)于我們生活的重要，同時(shí)對(duì)盲人生活的不易有了切身的感受。

二、培養(yǎng)物理建模能力，破解抽象建模困局

物理建模既是一種物理思維，也是一種物理方法，更是學(xué)習(xí)物理的一種重要手段。［2］物理建模能力很重要，該能力的高低影響著學(xué)生理解問題、分析解決問題，在很大程度上決定著學(xué)生物理學(xué)習(xí)的效果。物理建模能力的考查就成為中考試題的重點(diǎn)。

（一）考向例析：福建省考試說明的例題47

超高壓水刀是一種新技術(shù)產(chǎn)品，一般由水泵、射流發(fā)生裝置、工作機(jī)構(gòu)等組成。它將普通水經(jīng)過多級(jí)增壓后，通過一個(gè)極細(xì)的噴嘴噴出一道高速“水箭”，可以對(duì)堅(jiān)硬物體實(shí)施切割，如圖4 所示.某超高壓水刀噴嘴橫截面積S=5×10-8m2，噴水速度v=800m/s，高速“水箭”對(duì)該切割面的壓強(qiáng)p=300MPa。已知水泵電機(jī)功率P=20kW，水的密度ρ=1.0×103kg/m3。求：

圖4

（1）水刀正常工作1min 消耗的電能；

（2）高速“水箭”對(duì)切割面的壓力；

（3）每秒鐘從噴嘴噴出的水的質(zhì)量；

（4）水刀的效率。

本例中的“水箭”對(duì)應(yīng)著圓柱體數(shù)學(xué)模型。建構(gòu)柱體模型就能破解本題的兩個(gè)難點(diǎn)：水箭體積和水刀功率。

每秒鐘噴出水的體積轉(zhuǎn)化為計(jì)算圓柱體體積：

V=SL=Svt=5×10-8m2×800m/s×1s=4×10-5m3

m=ρV=1.0×103kg/m3×4×10-5m3=0.04kg

水刀的功率為：

P=Wt=FLt=Fv=15N×800m/s=12000W

如何破解這類問題呢？我們的解決方法是設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和探究活動(dòng)培養(yǎng)同學(xué)物理建模能力。

科學(xué)實(shí)驗(yàn)：用注射器測(cè)大氣壓

實(shí)驗(yàn)器材：注射器、彈簧測(cè)力計(jì)、細(xì)線、刻度尺。

實(shí)驗(yàn)任務(wù)：利用以上器材，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案測(cè)量大氣壓。

同學(xué)們做分組討論，其中一組率先提出了他們組的實(shí)驗(yàn)方案：

圖5

圖6

A.把注射器的活塞推至注射器針筒的底端，然后用橡皮帽封住注射器小孔；

B.如圖5 所示，用細(xì)線拴住注射器活塞頸部，使線的一端與彈簧測(cè)力計(jì)的掛鉤相連，然后水平向右慢慢拉動(dòng)針筒，當(dāng)活塞勻速滑動(dòng)時(shí)，記下彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)為F；

C.讀出注射器針筒上有刻度部分的容積V；

D.用刻度尺測(cè)出注射器針筒上有刻度部分的長(zhǎng)度L。

把注射器的內(nèi)部空間看做一個(gè)圓柱體，則柱體的底面積就等于注射器針筒上有刻度部分的容積除以注射器針筒上有刻度部分的長(zhǎng)度。

受力面積：S=VL.

勻速滑動(dòng)時(shí)，大氣壓力等于拉力，故大氣壓P=

所以大氣壓p的表達(dá)式為p=FLV

設(shè)計(jì)意圖：這個(gè)實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)就在于如何用刻度尺測(cè)受力面積，設(shè)計(jì)的巧妙之處就在于借助了圓柱體模型（如圖6）中的數(shù)學(xué)關(guān)系S=VL。

（二）探究活動(dòng)：探秘太陽能

太陽能是人類可以使用的很好的清潔能源，可是它既不方便存儲(chǔ)，也不方便運(yùn)輸。而電能既方便存儲(chǔ)，也方便傳輸。太陽能電池板就能將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，方便人類使用。

周末探究活動(dòng)1：查閱資料了解太陽輻射的總功率、太陽到地球的距離、太陽光傳播到達(dá)地面的能量損耗情況等，估算1 平方米的地面上1 秒內(nèi)所接收的太陽能為多少焦耳？

周末探究活動(dòng)2：若太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率為15%，那么100m2的房頂上裝上這種太陽能電池，則這些太陽能電池板的輸出功率為多少瓦？

學(xué)生探究活動(dòng)1 成果匯報(bào)案例：

查閱資料了解到：太陽輻射的總功率P0=4×1026W,太陽到地球的距離r=1.5×1011m，太陽光傳播到達(dá)地面的過程中由于云層的反射和大氣的吸收作用，大約有60%的能量損耗。

然后，我們想象：把太陽看成一個(gè)燈，燈總功率P0=4×1026W,，燈光向四周照射，照射半徑為r=1.5×1011m，這就形成了一個(gè)以燈為球心，以r為半徑的球面模型（如圖7），燈光均勻地分布到球面。

1 秒內(nèi)太陽輻射的總能量為：

W總=Pt=4×1026W×1s=4×1026J

以r=1.5×1011m 為半徑散射后，大約有60%的能量損耗，到達(dá)整個(gè)球面的太陽能為：

圖7

W余=W總η1=4×1026J×40%=1.6×1026J

球面面積為：

S=4πr2=4×3.14×（1.5×1011m）2=2.826×1023m2

1 平方米的地面上1 秒內(nèi)所接收的太陽能為：

周末探究活動(dòng)2 成果匯報(bào)案例：

若太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率為15%，那么100m2的房頂上裝上這種太陽能電池，則這些太陽能電池板的輸出功率為：

三、培養(yǎng)圖表處理能力，破解函數(shù)圖像難題

在物理學(xué)中，常采用函數(shù)圖像，將某些物理量之間的關(guān)系表示出來，因此圖像實(shí)際上反映了物理變化過程的特點(diǎn)以及物理量之間的變化關(guān)系。［3］因此，圖像題是重點(diǎn)考察學(xué)生觀察、獲取信息、分析處理數(shù)據(jù)能力以及綜合應(yīng)用知識(shí)能力的一種好題型。

（一）考向例析：2020 年福建省中考試卷第33 題

如圖8 甲電路中，電源電壓保持不變，R0、R1均為定值電阻，R2為滑動(dòng)變阻器。閉合開關(guān)S，改變R2的阻值，兩電壓表示數(shù)與電流表示數(shù)變化關(guān)系如圖乙，當(dāng)滑片P在b端時(shí)電流表示數(shù)為0.3A。

（1）求R2的最大阻值。

（2）求滑片置于變阻器的中點(diǎn)位置，R2消耗的電功率為0.8W，求電源電壓和R0的阻值。

（3）若滑動(dòng)變阻器滑片每移動(dòng)1cm，阻值改變1Ω，設(shè)滑片從a端向b端滑動(dòng)的距離為xcm,寫出R2消耗的電功率P隨x變化的關(guān)系式，并由此關(guān)系式求出R2消耗的電功率的最大值。

圖8

本題考查學(xué)生對(duì)圖像關(guān)鍵點(diǎn)的理解。重點(diǎn)在于判斷電壓表與函數(shù)圖像的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過觀察分析電路圖可知，這是一個(gè)三個(gè)電阻的串聯(lián)電路，電壓表V2測(cè)R2的電壓，電壓表V1測(cè)R2和R2的總電壓，因此得出電壓表V1的示數(shù)會(huì)大于電壓表V2的示數(shù)。即函數(shù)圖像Ⅰ對(duì)應(yīng)電壓表V1與電流表A 的變化關(guān)系圖，函數(shù)圖像Ⅱ?qū)?yīng)電壓表V2與電流表A 的變化關(guān)系圖。當(dāng)滑片P 在b端時(shí)，電阻R2最大，電路的電流最小，此時(shí)電流表示數(shù)為0.3A。R2的電壓為3.0V，R2和R2的總電壓為5.4V，即R1的電壓為2.4V。

然后考查學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)工具解決物理問題的能力。第二小問考一元二次方程組，第三小問考二次函數(shù)求最值。

如何破解這類問題呢？我們的解決方法是設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和探究活動(dòng)培養(yǎng)同學(xué)的圖像信息處理能力。

（二）科學(xué)實(shí)驗(yàn)：探究三個(gè)電阻串聯(lián)時(shí)，電壓與電流的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)器材：電源、定值電阻R2和R2、滑動(dòng)變阻器R3、電流表、電壓表、開關(guān)、導(dǎo)線。

實(shí)驗(yàn)任務(wù)：利用以上器材制作彈簧測(cè)力計(jì)

實(shí)驗(yàn)步驟：

1.如圖9 連接電路。從右至左移動(dòng)滑動(dòng)變阻器R3的滑片，分別在最右端、中點(diǎn)和最左端三個(gè)位置讀出電流表和電壓表的讀數(shù)，記錄在下表，并繪制函數(shù)圖像。

圖9

設(shè)計(jì)意圖：通過實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)并繪制函數(shù)圖像可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)動(dòng)態(tài)電路的變化過程與函數(shù)圖像的對(duì)應(yīng)關(guān)系的理解。重點(diǎn)突破關(guān)鍵點(diǎn)的物理意義和圖像的變化趨勢(shì)。

圖10

2.如圖11 連接電路。從右至左移動(dòng)滑動(dòng)變阻器R3 的滑片，分別在最右端、中點(diǎn)和最左端三個(gè)位置讀出電流表和電壓表的讀數(shù)，記錄在下表，并繪制函數(shù)圖像。

圖11

設(shè)計(jì)意圖：通過實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)并繪制函數(shù)圖像，促進(jìn)學(xué)生對(duì)動(dòng)態(tài)電路的變化過程與函數(shù)圖像的對(duì)應(yīng)關(guān)系的理解。重點(diǎn)突破圖像的疊加。

圖12

（三）探究活動(dòng)：設(shè)計(jì)電子稱方案

壓力傳感器可以把力學(xué)物理量轉(zhuǎn)化成電學(xué)信號(hào)，然后通過相互之間的函數(shù)關(guān)系，直接得出力的大小。請(qǐng)自選器材設(shè)計(jì)電子稱方案。

學(xué)生探究活動(dòng)成果匯報(bào)案例：

我們利用彈簧與電路的結(jié)合，來制作電子稱。工作原理如圖13 所示，其中M、N 均為絕緣材料，M、N 間有可收縮的導(dǎo)線(電阻大小不計(jì))，彈簧上端和滑動(dòng)變阻器R2的滑片P 固定在一起。利用壓力F 的大小與R2的阻值大小成正比例關(guān)系，實(shí)現(xiàn)力學(xué)物理量轉(zhuǎn)化成電學(xué)信號(hào)。

圖13

電源電壓為12V，R1=9Ω，R2最大=15Ω。閉合開關(guān)S，壓力F0=0 時(shí)，滑片P 在最上端；壓力F1=1N 時(shí)，測(cè)得電流表示數(shù)為1A，電壓表示數(shù)為3V。

這樣就實(shí)現(xiàn)了力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，根據(jù)電壓表的讀數(shù)得到力的大小。