◇ 陜西 劉振和 王曉輝

實驗題是歷年高考的重點,體現(xiàn)了高考對高中實驗教學的要求和導向．研讀高考實驗題可以發(fā)現(xiàn)高考命題的基本特征和最新動向,有利于更高效、更有針對性地展開實驗教學,有利于指導學生更高效地進行高考復習和備考．

1 真題呈現(xiàn)

例(2020年全國卷Ⅱ理綜第22題,簡稱真題)一細繩跨過懸掛的定滑輪,兩端分別系有小球A 和B,如圖1 所示．一實驗小組用此裝置測量小球B 運動的加速度．令兩小球靜止,細繩拉緊,然后釋放小球,測得小球B 釋放時的高度h0＝0.590m,下降一段距離后的高度h＝0.100m;由h0下降至h 所用的時間T ＝0.730s．由此求得小球B 加速度的大小為a＝_____m·s－2(保留3位有效數(shù)字)．

圖1

從實驗室提供的數(shù)據(jù)得知,小球A、B 的質量分別為100.0g和150.0g,當?shù)刂亓铀俣萭 為9.80 m·s－2．根據(jù)牛頓第二定律計算可得小球B 加速度的大小為a′＝______m·s－2(保留3位有效數(shù)字)．

可以看出,a′與a 有明顯差異,除實驗中的偶然誤差外,寫出一條可能產生這一結果的原因:______．

答案1.84;1.96;滑輪的軸不光滑(或滑輪有質量)．

解析以B 小球為研究對象,由運動學公式可得,得a≈1.84m·s－2．

對A、B 兩個小球用整體法分析有

解得a′＝1.96m·s－2．

在運動過程中,滑輪的軸不光滑或滑輪本身有質量等因素都會引起加速度偏小,所以導致了a′與a 有明顯差異．

2 真題賞析

2.1 立意高遠

從表面看,該題是考查運動學公式和牛頓第二定律的應用,是動力學兩類基本問題的計算;但實際上,該題牢牢抓住了物理實驗的根本內涵,即“設計—驗證—得出結論—誤差分析”這一驗證物理理論的基本模式．為了求出B 小球的加速度,命題者設計了兩種方案:一是利用測出的位移、時間數(shù)據(jù),根據(jù)運動學公式求出加速度;二是對物體進行受力分析,用給定的質量和重力加速度,通過牛頓第二定律求出加速度．最后進行誤差分析,以證明二者在誤差允許范圍內相等,驗證牛頓第二定律可以求解加速度．

與以往命題明顯不同的是,命題者一改利用打點計時器、光電門等進行實驗的常規(guī)考查方式,采用運動學和動力學兩種計算方式分別求出加速度,可認為動力學計算是理論分析,運動學測量是實驗驗證,最終二者在誤差允許范圍內相等．這樣的做法,一方面體現(xiàn)了物理學研究中理論推理與實驗驗證相結合的基本科學方法;另一方面,也體現(xiàn)了命題不僅僅局限于對實驗操作能力的考查,還注重對實驗思維能力的考核．

仔細品讀該題還可以感受到,該題涉及的實驗情境雖然簡單,但還可以拓展延伸,比如求解物體從h0降至h 時的瞬時速度、瞬時動能等．看似平常的實驗考查對學生來說卻很有啟發(fā),能使學生認識到日常生活中的簡單現(xiàn)象也是我們應該關注的,引導他們觀察生活現(xiàn)象,積極思考探索其中的物理原理,鉆研解決生活中遇到的問題．同時,該題涉及的實驗場景并非理想化,如是“細繩”而不是“輕繩”,未說明滑輪有無質量,未說明滑輪與細繩是否打滑等,并且沒有利用打點計時器、光電門等專業(yè)儀器(從題意來看,使用的應當是停表和刻度尺),這就啟發(fā)學生可以利用身邊的工具去探索知識,在思考中學會研究物理問題．

2.2 來源教材

該題是課本實驗的變式,來源于人教版高中物理《必修2》教材第5 章第6 節(jié)“向心力”一節(jié)中的實驗——用圓錐擺粗略驗證向心力的表達式．

圖2

從圖2可以看出,“用圓錐擺粗略驗證向心力的表達式”也是一個驗證性實驗,利用簡單的工具,如停表和刻度尺測出鋼球做勻速圓周運動的周期和半徑,用運動學公式計算出向心力．再對小球進行受力分析,得出向心力的表達式,代入鋼球質量和夾角(可用刻度尺測出懸掛點到紙面的距離和半徑),計算出加速度,最后進行比較驗證．可以說,課本上的這個實驗和這道真題有異曲同工之妙,二者都是從運動學和力學兩個角度對物理量進行探究,都利用了身邊簡單的工具,實驗中都有誤差,都體現(xiàn)了對物理思維和研究方法的滲透．二者的不同之處在于,一個研究的是加速度,一個研究的是力;一個研究的是直線運動,一個研究的是曲線運動．但從牛頓第二定律的角度來思考,加速度與合外力存在對應關系,同時牛頓第二定律不僅適用于直線運動也適用于曲線運動．因此,命題的角度和意識與課本是一脈相承的,該題來源于課本,又不拘泥于課本,考查靈活,頗具匠心．

2.3 研究方法的多樣性和靈活性

真題中第一空加速度的計算,以小球B 為研究對象,用運動學公式代入數(shù)值可以算出加速度．第二空對小球B 的加速度a′的計算既可以對小球A、B 隔離分析研究,也可以整體研究,但都是運用牛頓第二定律．

也就是說,真題中計算加速度這個物理量用到兩種重要的實驗思路,沒有從單一角度入手,采用不同的原理和手段測量同一物理量．這也是研究物理問題、探究物理規(guī)律的常用方法,希望做到多條思路殊途同歸,方法和規(guī)律相互檢驗、相互印證．

2.4 答案設置的開放性

本題第三空是一個開放性問題,答案可以有很多,原題所給答案是滑輪的軸不光滑(或滑輪有質量),其實還可以有空氣阻力的影響、滑輪不光滑等使系統(tǒng)所受合外力不是mBg－mAg 的因素．

2.5 探究過程的科學性

真題中探究牛頓第二定律的正確性,所用的方法是運用運動學公式得到加速度以及根據(jù)牛頓第二定律算出加速度的對照法．本質上講,第一種方法是實驗探究,第二種方法是理論探究,這樣的設置符合科學理論研究方法的科學性．另外,本實驗的數(shù)據(jù)處理也體現(xiàn)出科學性,如合理設置有效數(shù)字位數(shù),便于分析對照．此外,題目還要求學生做誤差分析,進一步引導學生進行全面的科學探究,分析產生誤差的客觀原因,體現(xiàn)出問題研究的科學性．

3 對教學和備考的啟示

3.1 依托教材,夯實基礎

物理教學要以教材為基礎,教師要多研讀教材,引導學生重視教材,充分挖掘教材的多方面教育功能,深入學習理論知識和思想方法．

3.2 關注核心,突出重點

教學中一定要抓住核心知識,理解和掌握核心知識．對核心知識要理解得透、運用得熟．比如運動學公式、牛頓運動定律、動能定理這些物理學大廈中的骨干知識,都要通過多種方法準確、熟練掌握．教學中要突出核心知識的重要地位,強調它們對一般知識的引領和帶動作用,引導學生構建適合個人特點的知識網(wǎng)絡．

3.3 梳理知識,積累技巧

方法的學習和知識的梳理是高中物理學習的一個重要任務．掌握科學解題的方法,比如整體法、隔離法、假設法、臨界分析法等,對學習物理是非常重要的．以此為基礎,才能優(yōu)選方法,解決問題才會思路開闊、主動靈活．在學會方法的基礎上,不斷積累解決問題的技巧,解決問題時才會游刃有余．

3.4 開拓思路,提升能力

物理學是一門以實驗為基礎的學科,物理學表達的定律往往是通過實驗探索得出的,因此實驗題最能體現(xiàn)學科特點,最具活力與創(chuàng)造力．教師在教學中要引導學生開拓思路,提升自己的實驗能力,并以此為依托培養(yǎng)學生的科學建模、分析綜合、應用數(shù)學知識解決物理問題等多種能力．