張 亮

(阜陽市第十八中學(xué)，安徽 阜陽 236000)

1 原題呈現(xiàn)及試題背景

1.1 試題原題及解答

Phyphox是一款功能強大的物理實驗手機軟件,其中的Acoustic Stopwatch功能能夠自動記錄下所接收到的兩次響聲之間的時間間隔:當(dāng)手機接收到第一次響聲時便自動計時,當(dāng)再次接收到響聲時計時自動停止(類似于使用秒表時的啟動和停止),由于對聲音的響應(yīng)非常靈敏,計時可精確到0.001 s.

甲、乙兩人使用手機在空曠安靜的廣場上測量聲音的傳播速度.如圖1所示,他們分別站于間距測量值為s的A、B兩處,打開手機軟件做好計時準備.甲先在手機邊擊掌一次,乙聽到擊掌聲之后,也在手機邊擊掌一次.查看甲、乙兩手機均有效記錄下了兩次掌聲的時間間隔,分別為t甲、t乙.

圖1

(1) 若已知空氣中的聲速為340 m/s,0.001 s內(nèi)聲音的傳播距離為________m;

(2) 本實驗中兩手機所記錄的時間大小關(guān)系是t甲________t乙(>/=/<);

(3) 測得空氣中聲音的傳播速度v聲=________.(用s、t甲、t乙表示)

參考答案如下:

(1) 聲音的傳播距離為s=vt=340 m/s×0.001 s=0.34 m;

(2) 由記錄過程知,t甲比t乙多記錄聲音傳播的時間,故t甲>t乙;

(3) 從A到B處聲音的傳播時間為

測得空氣中聲音的傳播速度.

1.2 試題背景

2018年第7期的《物理教學(xué)探討》刊發(fā)《智能手機在物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用探討——以Phyphox軟件為例》一文.文中的一個案例就是利用Phyphox軟件測量聲音在空氣中的傳播速度.試題中的方案與論文中的方案完全相同,論文中計算出了s=5 m時的測量結(jié)果及誤差分析.[1]

此外,網(wǎng)絡(luò)上有借助Phyphox軟件進行該實驗的視頻展示,實驗過程截圖如圖2,實驗結(jié)果截圖如圖3,其中t甲=0.824 s,t乙=0.797 s,根據(jù)公式可算出當(dāng)時環(huán)境下聲音的傳播速度為370.37 m/s.

圖2

圖3

2 試題賞析

本題是2020年蘇州中考物理試卷的壓軸題,難點在第3小問題.試題主要考查速度的計算方法,解題的關(guān)鍵是正確表達聲音從A到B的傳播時間,要求考生能夠熟練應(yīng)用速度公式解題.在考試后的交流研討中,部分物理老師在接觸題目的短時間內(nèi)看不懂題意,對于最后一問無從下手.下面從物理學(xué)科核心素養(yǎng)的部分要素進行試題分析.

2.1 物理觀念的滲透

試題以手機軟件應(yīng)用為背景,以擊掌聲為研究對象,以測量聲音的傳播速度為目的,考查學(xué)生對運動學(xué)知識的理解情況.本題涉及“物理觀念”中“運動觀念”的幾個基本概念[2]:聲音傳播的快慢——速度;聲音的傳播距離——路程;人的反應(yīng)時間;聲音的傳播形式——聲波.其中比較隱蔽的概念是人的反應(yīng)時間.甲、乙兩人各擊掌一次,A、B處的手機各有兩次記錄,如何理解t甲和t乙是正確解答本題的關(guān)鍵.

2.2 科學(xué)思維的體現(xiàn)

本試題中的“科學(xué)思維”體現(xiàn)在“模型建構(gòu)”和“科學(xué)推理”方面.[2]對初中學(xué)生而言,聲音的傳播不同于人、機械等可見物體的運動,給人捉摸不定的感覺,因此,解答本題時,“模型建構(gòu)”十分重要.題目中“乙聽到擊掌聲之后,也在手機邊擊掌一次”暗示著由于人有反應(yīng)時間,B處人擊掌的時刻一定晚于乙手機開始計時的時刻.這兩個時刻之差即為t乙(忽略聲音從乙的手傳播到B處手機的時間). 在審題過程中,可以把聲波的傳播想象成一個小球的運動, 小球從A處出發(fā)時甲開始計時,小球到達B處時乙開始計時;然后小球在B處停留片刻,再次從B處出發(fā)時乙停止計時,小球回到A處時,甲停止計時.小球的運動過程示意圖如圖4所示.

圖4

由以上示意圖可知,t甲包括小球在甲、乙之間的往返時間及在乙處的停留時間.因此,小球從甲處運動到乙處的單程時間為0.5(t甲-t乙).由此可知第(2)問的答案為t甲>t乙.

2.3 科學(xué)探究的設(shè)計

因空氣中聲音的傳播速度較大,用傳統(tǒng)的實驗方法很難準確測量其數(shù)值.如何設(shè)計“利用智能手機軟件測量聲音傳播速度”的方案?題干中的“科學(xué)探究”已完成了設(shè)計實驗與制訂方案,“空曠安靜的廣場”是環(huán)境條件;測量能夠“精確到0.001 s”時間間隔的手機軟件是技術(shù)保障;兩次擊掌、四次記錄,幾個簡單的動作即完成了實驗過程.實驗設(shè)計方案新穎,是一個典型的創(chuàng)新型科學(xué)探究活動.試題重在考查學(xué)生獲取和處理信息的能力.t甲和t乙分別表示哪一段時間?它們和聲音從A處傳播到B處的時間有什么關(guān)系?厘清了其中關(guān)系就找到了解題的關(guān)鍵.

3 試題啟示

本題深入考查了學(xué)生提取關(guān)鍵信息、建構(gòu)物理模型以及用簡要的數(shù)學(xué)知識處理物理問題的能力,[3]試題命題角度新穎,回避了復(fù)雜的運算,側(cè)重于考查學(xué)生的核心素養(yǎng),對物理教學(xué)起到積極的導(dǎo)向作用.

3.1 對課堂教學(xué)的啟示

部分學(xué)生沒有學(xué)好科學(xué)課程的一個最大的原因是他們對所學(xué)知識并沒有理解.[4]學(xué)生的理解并不是“聽懂”,也不體現(xiàn)在記住與復(fù)述相關(guān)的概念、公式與定律等知識,而是看自己能否在一個具體的問題情境中進行正確的解釋與表達.[5]因此,試題與問題是檢驗學(xué)生是否真正理解的有效手段.理科學(xué)習(xí)中,知識點是相對固定的,而問題是靈活多變的,不能解決活的問題,就不能說是真正的理解. 多數(shù)學(xué)生知道人的“反應(yīng)時間”是指從感官接收到信息到人采取動作的時間,但是落實具體問題中,就不一定能準確表達出來.比如本題中,如果學(xué)生沒有理解乙手機第一次接收聲波與人接收聲波有時間差,即沒有找出“人的反應(yīng)時間”這個隱含的物理量,第(3)問將無從解答,主要原因是對聲波的傳播過程不理解.課堂教學(xué)中,知識的建構(gòu)應(yīng)有具體的問題情境,同時要借助豐富的事例從不同側(cè)面進行解讀,即由

問題和事例到知識.比如在學(xué)習(xí)“平均速度”概念時,學(xué)生通過具體的變速運動的事例建立了平均速度的概念,老師在檢驗學(xué)生對概念的理解時,可以出示以下例題:物體在A、B之間做變速直線運動,C點為AB的中點,已知AC之間的平均速度是6 m/s,BC之間的平均速度是10 m/s,求AB之間的平均速度.凡是答案為8 m/s的學(xué)生,都沒有真正理解平均速度的概念,而是受測量長度求平均值的影響,潛意識地默認為“平均”就是加起來取平均值.只有結(jié)果為7.5 m/s的學(xué)生才真正理解了平均速度的概念. 老師在檢查學(xué)生是否真正理解了某知識點時,盡可能避免以背誦、默寫等簡單的方式進行,而應(yīng)精選問題,讓學(xué)生把題意與解題思路說出來.老師從學(xué)生的解說中便可判斷學(xué)生對知識的理解程度,從而有針對性地調(diào)整思路.

3.2 對探究活動的啟示

傳統(tǒng)實驗器材的智能化程度較低,并且較為單一,一定程度上限制了學(xué)生的創(chuàng)造力.隨著智能手機的普及和各種軟件的開發(fā),手機逐漸走進了常規(guī)的實驗探究活動.智能手機程序可將實驗結(jié)果數(shù)字化、精確化、形象化,同時帶來了實驗的開放性,打破實驗的空間限制,解決了部分實驗過程中無法精準測量的問題,成為實驗活動的有力助手,這既改變了傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式和教師的實驗教學(xué)方式,又為學(xué)生課外實踐活動創(chuàng)造了條件,同時可激發(fā)學(xué)生的實驗興趣和挖掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能.[2]以Phyphox軟件為例,目前可實現(xiàn) 29 種內(nèi)置功能,其中包括初中物理實驗中常用的測量工具,如力傳感器、噪聲監(jiān)測儀、音頻發(fā)生器、秒表(聲學(xué)秒表、 運動秒表、光學(xué)秒表)、氣壓計等. 以學(xué)習(xí)“聲現(xiàn)象”為例,每個學(xué)生都可以利用Phyphox軟件測試自己在不同情況下發(fā)聲的頻率、響度、音色,還可測試自己的聽覺范圍,直觀形象的結(jié)果有助于激發(fā)學(xué)生進一步開展探究式學(xué)習(xí)的熱情.

綜上所述,本題立足于實踐應(yīng)用,對學(xué)生的模型建構(gòu)能力、理解與應(yīng)用能力提出較高的要求,較全面地考查了學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng),同時為智能工具在實驗教學(xué)及課外實踐活動中的應(yīng)用做出了示范.