毛鴻鳴

【摘要】2021年廣東省初中物理學(xué)業(yè)水平考試第23題以超聲波測(cè)速為載體，有效地考查了學(xué)生復(fù)雜情境中的模型建構(gòu)能力，綜合物理問題的分析、推理能力，以及實(shí)踐創(chuàng)新能力。題目新穎別致，凸顯學(xué)科素養(yǎng)的考查，對(duì)初中物理教學(xué)具有導(dǎo)向性作用。本文在解析、素養(yǎng)考查分析的基礎(chǔ)上，提出對(duì)今后教學(xué)的啟示。

【關(guān)鍵詞】初中物理;中考試題;素養(yǎng)考查;教學(xué)啟示

原題? 閱讀下列短文，回答問題。

超聲波測(cè)速

測(cè)距是測(cè)速的基礎(chǔ)。如圖1甲所示，超聲波測(cè)速儀向靜止的汽車發(fā)射超聲波信號(hào)（簡(jiǎn)稱信號(hào)），同時(shí)開始計(jì)時(shí)。信號(hào)傳播過程中遇到汽車會(huì)被反射，測(cè)速儀接收到返回的信號(hào)就停止計(jì)時(shí)。根據(jù)記錄的時(shí)間及其與路程、速度的關(guān)系，可計(jì)算出汽車與測(cè)速儀之間的距離。圖乙是信號(hào)傳播過程的s-t圖象，s表示信號(hào)與測(cè)速儀之間的距離，t表示信號(hào)傳播的時(shí)間。

測(cè)速儀測(cè)量汽車速度的原理是：測(cè)速儀向運(yùn)動(dòng)的汽車先后發(fā)射兩次信號(hào)，根據(jù)汽車在兩次遇到信號(hào)之間所通過的路程及所用的時(shí)間，由速度公式可得出汽車的平均速度。

測(cè)速儀在公路上對(duì)某跑車進(jìn)行測(cè)速時(shí)，向勻速駛來的跑車發(fā)射兩次信號(hào)，兩次發(fā)射信號(hào)的時(shí)間間隔是1.0s，第一次發(fā)射信號(hào)到接收用時(shí)0.6s，第二次發(fā)射信號(hào)到接收用時(shí)0.3s。經(jīng)測(cè)速儀測(cè)定，該跑車超速，駕駛員將受到交警部門處罰。（超聲波速度取340m/s）

（1）如圖乙所示，若t0=0.4s，則靜止的汽車與測(cè)速儀之間的距離為_______m。

（2）通過計(jì)算，在圖2中，大致畫出測(cè)速儀對(duì)該跑車發(fā)射的兩次信號(hào)傳播過程的s-t圖象（t從第一次發(fā)射信號(hào)開始計(jì)時(shí)）。跑車在兩次遇到信號(hào)之間通過的路程為______m，跑車的速度大小為_______m/s。

一、試題難度分析

試題的難度主要集中在測(cè)速問題的求解上，具體分析下表。

問題 情境 求解問題 已知條件 知識(shí)與能力結(jié)構(gòu)化程度

測(cè)距 單一：信號(hào)在測(cè)速儀與靜止汽車間往返運(yùn)動(dòng) 簡(jiǎn)單：測(cè)速儀與汽車的距離 單一：信號(hào)從發(fā)射到接收的時(shí)間;聲速 程度低：知識(shí)與技能的結(jié)構(gòu)化程度低

測(cè)速 復(fù)雜：兩列信號(hào)先后與運(yùn)動(dòng)的跑車相遇后返回測(cè)速儀 復(fù)雜：跑車運(yùn)動(dòng)的速度;信號(hào)傳播的s-t圖象 復(fù)雜：兩次信號(hào)從發(fā)射到接收的時(shí)間;兩次發(fā)射的間隔時(shí)間;聲速 程度高：知識(shí)結(jié)構(gòu)化程度低，技能的結(jié)構(gòu)化程度、思維方式的綜合程度高

二、學(xué)科素養(yǎng)考查分析

1.模型建構(gòu)能力

要解決超聲測(cè)速問題，需要將這一復(fù)雜情境中的對(duì)象和過程，轉(zhuǎn)換成熟悉的測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)速度的物理模型——測(cè)速儀向運(yùn)動(dòng)的跑車發(fā)射第一列信號(hào)，與跑車相遇反射回測(cè)速儀，“記下”第一次相遇的位置及時(shí)間;繼續(xù)向跑車發(fā)射第二列信號(hào)，與跑車相遇反射回測(cè)速儀，“記下”第二次相遇的位置及時(shí)間。通過兩次相遇的位置及時(shí)間，間接“測(cè)出”跑車在兩次遇到信號(hào)之間通過的路程和時(shí)間，由此可測(cè)速跑車的速度。

2.分析、推理能力

如何求得跑車兩次遇到信號(hào)之間通過的距離以及經(jīng)過的時(shí)間呢？這需要進(jìn)一步的分析、推理和判斷，得出結(jié)論。

（1）相遇時(shí)間、距離的分析判斷

由于超聲波信號(hào)在發(fā)射儀與汽車往返運(yùn)動(dòng)時(shí)傳播介質(zhì)相同，所以傳播的速度相同;而往返運(yùn)動(dòng)通過的路程相同，由t=s/v可知，所用的時(shí)間相同，為總傳播時(shí)間的一半。由s=vt可得以下三段相遇距離。

①靜止的汽車與測(cè)速儀之間的距離：

②第一次信號(hào)與跑車相遇時(shí)跑車與測(cè)速儀之間的距離：

③第二次信號(hào)與跑車相遇時(shí)跑車與測(cè)速儀之間的距離：

（2）跑車兩次遇到信號(hào)通過距離的分析判斷

如圖3所示，跑車在兩次遇到信號(hào)之間通過的路程S車，為跑車兩次遇到信號(hào)時(shí)與測(cè)速儀距離的差。

s車=s1相遇-s2相遇=102m-51m=51m

（3）跑車兩次遇到信號(hào)運(yùn)動(dòng)時(shí)間的分析判斷

如圖4所示，跑車在兩次遇到信號(hào)之間經(jīng)過的時(shí)間t車，為跑車兩次遇到信號(hào)的時(shí)間差。

從第一次發(fā)射信號(hào)開始計(jì)時(shí)，0.3s后跑車第一次與信號(hào)相遇;經(jīng)1.0s后發(fā)射第二次信號(hào)，0.15s后跑車與信號(hào)第二次發(fā)相遇，第二次與信號(hào)相遇的時(shí)間為1.0s+0.15s=1.15s，則：

t車=1.15s-0.3s=0.85s

（4）跑車速度的計(jì)算

由速度公式可得，v=s車/t車=51m/0.85s=60m/s

3.繪圖用圖能力

題目給出的s-t圖象，縱坐標(biāo)s表示的是信號(hào)與測(cè)速儀之間的距離（不是路程），其最值表示的是信號(hào)與跑車相遇時(shí)跑車與測(cè)速儀之間的距離，對(duì)應(yīng)的時(shí)間為相遇時(shí)間。

根據(jù)上面的分析結(jié)果，可畫出兩次信號(hào)傳播過程的s-t圖象，如圖5所示。由圖可求得跑車兩次遇到信號(hào)經(jīng)過的時(shí)間為0.85s。

4.實(shí)踐創(chuàng)新能力

測(cè)距是超聲波的一個(gè)具體應(yīng)用，測(cè)速是測(cè)距的創(chuàng)新實(shí)踐，通過超聲波連續(xù)兩次的測(cè)距，得到汽車兩次遇到信號(hào)所經(jīng)過的路程與時(shí)間，從而測(cè)出汽車行駛的速度。這一過程有效考查了學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

三、對(duì)教學(xué)的啟示

第一，夯實(shí)基礎(chǔ)。超聲波測(cè)距源于教材，是測(cè)速的基礎(chǔ)。無論測(cè)距還是測(cè)速，都要用到勻速直線運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律、超聲波測(cè)距的物理模型，去分析、解決問題。因此，學(xué)生必須牢固掌握這些基礎(chǔ)知識(shí)，清晰、全面的認(rèn)識(shí)超聲波測(cè)距這一物理模型，如信號(hào)往返傳播過程中具有的等速、等距、等時(shí)的特性等，只有這樣，才能創(chuàng)造性的應(yīng)用這些基礎(chǔ)知識(shí)、基本模型解決更復(fù)雜的實(shí)際問題。

第二，發(fā)展思維。物理教學(xué)除讓學(xué)生掌握必備的知識(shí)，還要形成關(guān)鍵能力，如建構(gòu)模型、分析推理等科學(xué)思維能力。在平時(shí)的教學(xué)中不單要重視結(jié)果，更要重視思維的過程，這個(gè)結(jié)論是如何得來的，經(jīng)過怎樣的分析、推理的過程，多問幾個(gè)為什么？比如，超聲波在發(fā)射儀與反射物之間來回運(yùn)動(dòng)的時(shí)間是相等的，為什么？因?yàn)槁烦膛c速度均相同;為什么傳播速度相同？因?yàn)閭鞑サ慕橘|(zhì)相同。這些問題看起來簡(jiǎn)單，但確實(shí)有利于學(xué)生的思辨能力的形成和思維深刻性的培養(yǎng)。

第三，提高識(shí)圖用圖能力。物理圖象能形象表征復(fù)雜的物理過程或物理規(guī)律，圖象法是一種重要的物理科學(xué)思維方法。本題中，一方面要求考生畫出兩次信號(hào)傳播的s–t圖象，用圖象描述信號(hào)傳播過程;另一方面，考生可以通過畫圖，如圖3、圖4和圖5，將物理過程可視化，有效降低思維難度，有利于復(fù)雜問題的解決。在平時(shí)的教學(xué)當(dāng)中，要重視物理圖象的教學(xué)，多讓學(xué)生運(yùn)用物理圖象表述物理過程或物理規(guī)律，如用方直圖表示兩個(gè)數(shù)量的關(guān)系、用圖象表示晶體的熔化（凝固）過程、用I–U圖象表示導(dǎo)體的電流與電壓的關(guān)系等，讓學(xué)生理解圖象的物理含義，提高學(xué)生的識(shí)圖、用圖能力。

第四，培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新能力。創(chuàng)新實(shí)踐能力是物理核心素養(yǎng)的重要方面。測(cè)速是測(cè)距的創(chuàng)新應(yīng)用，重點(diǎn)考查學(xué)生運(yùn)用基礎(chǔ)物理知識(shí)、規(guī)律以及熟悉的物理模型，創(chuàng)造性地解決實(shí)際問題。在平時(shí)的教學(xué)中，要加強(qiáng)與生活、生產(chǎn)實(shí)際、新科技的聯(lián)系，讓學(xué)生多經(jīng)歷實(shí)際問題的解決過程，如加油機(jī)如何實(shí)現(xiàn)空中加油、電冰箱如何制冷、人面識(shí)別技術(shù)如何進(jìn)行人面識(shí)別等等，以培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新的能力。

參考文獻(xiàn)：

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