王建飛

[摘? ?要]物理學科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任。在教學中落實好學科核心素養(yǎng)是進行素質教育的關鍵。文章從一道法國物理高考題出發(fā)，結合作者在法國的教學實踐，分析法國是如何培養(yǎng)和考查學生的物理學科核心素養(yǎng)的。

[關鍵詞]法國;中學;物理學科素養(yǎng)

[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻標識碼]? ? ?A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）20-0040-03

一、背景

2017年教育部頒布了《普通高中物理課程標準》，新標準凝練了學科核心素養(yǎng)，物理學科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任。而法國教育部在2010年頒布了“面向2010年的新高中”方案。法國的課程標準也強調了科學文化素養(yǎng)的培養(yǎng)。 本文就從一道法國物理高考題出發(fā)，分析法國對科學文化素養(yǎng)的培養(yǎng)與考查。

本文選取的題目是法國2018年“業(yè)士考試”物理-化學必修課程卷的第二題。法國的業(yè)士考試（BACCALAUR?AT，簡稱BAC）分為普通業(yè)士考試、職業(yè)業(yè)士考試和技術業(yè)士考試。文中的題目選自普通業(yè)士考試的理科序列（s系列），法國本土版（metropole）必考試卷（obligatoire），這是最多考生參加的考試，更具有代表性。業(yè)士考試既是高中的結業(yè)考試，也是申請普通大學的重要參考，相對而言，題目還是比較基礎的。

這個試卷包含物理和化學兩個學科，共3道題，滿分20分，考試時長3個半小時，第二題滿分11分，相當于百分制的55分。如果簡單按照分值來分配時間，大概要在2小時內完成此題。

二、考題與標準答案

【考題】（排球接發(fā)球）

在排球運動中，扣球、發(fā)球是一類很常見也很實用的技術，如圖1所示。發(fā)球人應該站在場地邊界的后面，把球高高拋起，短距離助跑，然后跳起擊球。假定助跑之后，發(fā)球員跳起擊球的點在點[B0]，擊球點離地面高度為[h]，[h]是從球的中心到地面的距離。球的初始速度向量[v0]為水平方向，擊球點[B0]垂足正落在邊界線上，如圖2所示。

在慣性參考系下研究球的運動，建立坐標系x[O]y，擊球的瞬間視為初始時間[t=0 s]，球的運動在[xOy]平面內。

圖2 排球場的尺寸和擊球點位置示意圖

本題研究發(fā)球的初始速度以及對方球員接發(fā)球的情況。研究球心的運動，不計空氣阻力，不考慮球的自轉和變形。

已知：排球的質量[m=260 g]，半徑[r=10 cm];重力加速度為[g=9.81 m·s-2];光在真空中和空氣中的速度c一致，假設考生已知;電磁波的分布如圖3所示。

圖3

問題1. 測量球的初始速度。

為了評價發(fā)球的好壞，我們用便攜式雷達測速儀（如圖4）測量球的初始速度[v0]。我們把測速儀對準擊球點[B0]，測速儀發(fā)出的高頻電磁波的頻率為[3.47×1010 Hz]，測量發(fā)出的電磁波和運動物體反射的波之間的頻率差。

1.通過計算辨別發(fā)射的電磁波是哪類電磁波？

2.雷達測速儀發(fā)射和回收波的頻率不同，說出這種現(xiàn)象的名字？

3.測速儀是向著發(fā)球人方向，瞄準球的。回收的波的頻率是高于還是低于發(fā)射波的頻率？說明結論。

4.在和第3小問相同的測量條件下，發(fā)射頻率[f發(fā)射]和回收頻率[f回收]之間的差為[Δ f]，滿足下列關系：

[Δf=f回收-f發(fā)射=2v0·f發(fā)射c]

測速儀測出的頻率差[Δ f]是4.86 kHz，推斷出球的速度。這個值和圖示中測速儀屏幕上顯示的數(shù)字相比較是否一致，分析原因。

問題2.評價發(fā)球的有效性。

從[B0]點發(fā)球，初速度是[v0=21.0 m·s-1]。發(fā)球員要使球越過網(wǎng)（不觸碰網(wǎng)），并且落在對方的界內。

1.忽略空氣阻力，證明擊球后球心的加速度為：[ax（t）=0]，[ay（t）=-g]。

2.建立球心的運動方程為：[x（t）=v0t]，[y（t）=-12gt2+h]，并且推導出球心運動軌跡方程：[y（x）=-g2v20x2+h]。

3.假設球越過網(wǎng)，驗證球是否落在邊線之內。

4.為了求出球碰地時刻的速度，我們要進行能量的分析。選取[y=0 m]的位置為重力勢能的基準面。

（1）球在運動軌跡上的任意點，動能記為[Ec]，重力勢能記為[Epp]，機械能記為[Em]。

（2）圖5顯示了上述三種能量隨時間變化的曲線，請指出每條曲線對應什么能？說明理由。

圖5球的能量隨時間的變化曲線

（3） 借助上述的能量分析，求出球觸地時，球心的速度[v地]。

5.實際上，球落地時的速度要比第3小問中求出的速度小。請解釋原因。

問題3.對方球員的回球。

圖6 回球

當發(fā)球員擊球的時候（[t=0 s]），對方一個球員在底線位置，他向前跑并用小臂回球，如圖6所示。球和球員的小臂接觸點在R，R距離地面80 cm。

我們依據(jù)在問題2的第2小問里建立的運動方程，評估這個接球員從底線位置跑到接球位置的最小平均移動速度。評價一下這個速度看起來能否實現(xiàn)。

【標準答案】

問題1的答案

1.雷達測速儀的發(fā)射頻率[f=3.47×1010 Hz]。根據(jù)[λ=cf]，[λ=3.0×1083.47×1010=8.65×10-3（m）]，根據(jù)題中給出的波長范圍，發(fā)射波是微波。

2.發(fā)射波和反射波頻率不同的現(xiàn)象叫作“多普勒效應”。

3.當球接近測速儀的過程中，接收波的頻率會比發(fā)射波的頻率高，因為球的運動方向和波的傳播方向相同。

4.根據(jù)距離和頻率的關系可以求出球的速度：

[Δf=f回收-f發(fā)射=2v0·f發(fā)射c] 推出[v0=Δf×c2f發(fā)射]

[v0=4.86×103×3.0×1082×3.47×1010=21.0（m·s-1）]。

所以球的速度是[v0=21.0? m·s-1=75.6? km·h-1]。這個速度很接近測速儀屏幕上顯示的數(shù)字。

問題2的答案

命名[μx]和[μy]是直角坐標系下的單位向量。

參考系：慣性參考系

系統(tǒng)：質量為m的球

受力分析：重力 [mg=-mg μy]

忽略摩擦力

1.根據(jù)牛頓第二定律：[mg=ma]，在直角坐標系下，[ax（t）=0ay（t）=-g]

2.對方程[ax（t）=0ay（t）=-g] 進行積分得到：[vx（t）=vx（0）=v0vy（t）=-gt+vy（0）=-gt]

再進行一次積分得到：[x（t）=v0ty（t）=-12gt2+h]

解方程可得：[y（x）=-g2v20x2+h]

3.已知球將碰到底線。當球碰到地面的時候，[y（x）=0]，我們求[y（x）=0]時，x的值。

[y（x）=0?-g2v20x2+h=0?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?]

[x2=2hv20g?x=2hv20gx>0]

[x=2×3.5×21.029.81=17.7（m）]

[17.7 m<18 m]，所以球落在界內。

4.能量分析

（1） 在所有的軌跡點上

[Ec（t）=12m[v（t）]2Epp（t）=mgy（t）Em（t）=Ec（t）+Epp（t）=12m[v（t）]2+mgy（t）]

（2）給圖5中每一條曲線找到對應的能量。首先，曲線1所表示的能量隨著時間遞減，在球的運動過程中，只有一個量隨著時間遞減，那就是球的高度[y（t）]，所以曲線1表示的能量是重力勢能[Epp]。其次，曲線2表示的能量隨時間增長，只有一個量隨時間增加，那就是球的速度[v（t）]，所以曲線2表示的能量是動能[Ec]。曲線3是常量，在忽略空氣阻力的情況下，球的機械能保持不變，所以曲線3表示的是機械能[Em]。

（3）利用機械能守恒可求出球落地時的速度：

[Em=12mv20+mgh=12×260×10-3×21.02+260×10-3×9.81×3.5=66.3（J）]

球落地時，[Em=Ec=12mv2地?v地=2Emm（v>0）]

解得：[v地=2×66.3360×10-3=22.3（m·s-1）]

5.實際上，球的速度會比計算得到的數(shù)值小，主要是因為我們在之前的計算中忽略了空氣阻力。由于空氣阻力和球的速度方向相反，機械能是不守恒的。

問題3的答案

先求出球在離地面80 cm處的速度。

球在[y（x）=80 cm]時對應的x：

[y（x）=80×10-2?-gx22v20+h=80×10-2]

[?x=2v20（h-80×10-2）g（x>0）]

[x=2×21.02×（3.5-80×10-2）9.81=15.58（m）]

接球隊員跑動的距離是[18-15.58=2.42（m）]。

再求出球落到離地80 cm處所用的時間，這個時間也是接球隊員跑動到接球點所用的時間。

[y（t）=80×10-2?-12gt2+h=80×10-2]

[?t=2（h-80×10-2）g（t>0）]

[t=2×（3.5-80×10-2）9.81=0.74（s）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?]

計算出球員跑動接球的平均速度

[v=dt]，[v=2.420.74=3.27（m·s-1）]

就是說球員跑動的平均速度是[v=3.27? m·s-1=11.8? km·h-1]

這個速度完全能夠實現(xiàn)，特別是在短時間內。

三、啟示與思考

這道題雖然考查了數(shù)學知識和“多普勒效應”，這是超出我國高中課程的內容，但是物理模型并不復雜，就是平拋運動，計算過程也不復雜。本題的解題過程其實是一個探究的過程，通過題目的提示，引導學生一步步地用物理知識解決實際問題。在這個過程中，有一些值得我們借鑒的地方。

1.注重考查“物理觀念”?！拔锢碛^念”是從物理學視角形成的關于物質、運動與相互作用、能量等的基本認識。本題中當發(fā)球員擊球之后，球在空中的運動過程中，忽略空氣阻力后，水平方向受力為零，豎直方向只受重力，因此做平拋運動;從能量的角度看，球運動過程中機械能守恒。這就是物理概念和規(guī)律在學生頭腦中的提煉與升華，形成的運動與相互作用觀念、能量觀念。

2.注重考查“科學思維”?！翱茖W思維”是分析綜合、推理論證等方法的在科學領域的具體運用。本題中，要判斷球是否能落在對方的界內，還要判斷接球員是否能移動到球的落地點，這就需要運用科學推理：通過計算球的運動軌跡，以及接球員需要移動的平均速度，來得出結論。

3.注重創(chuàng)設物理情境，考查“科學探究”的能力。在本題中，描述了一個排球發(fā)球和接球的情境。學生要把情境中的接發(fā)球這樣一個故事轉化為一個平拋的物理過程;把描述情境的文字轉化為物理表述，即建立直角坐標系，寫出運動方程和速度、加速度的方程;把情境中需要完成的工作即判斷球是否落在界內、接球員是否能夠來得及移動，轉化為相應的物理問題;然后建立相應的物理模型，得出結論。運用物理知識解決實際問題能力的高低，往往取決于學生將情境與知識相聯(lián)系的水平。

還要對科學探究過程和結果進行解釋和反思。比如題中用多普勒效應解釋測速儀的頻率差，并且比較發(fā)射和接收頻率的高低。

4.注重“科學態(tài)度與責任”。在法國的課程標準中，對“情感態(tài)度與價值觀”方面的要求較弱，表述也比較模糊，但是對學生答題的規(guī)范性要求很嚴格，有效數(shù)字的位數(shù)必須正確，位數(shù)多了和少了都要扣分;答題必須寫清楚是慣性系還是非慣性系，什么坐標系，研究對象是什么，力學問題必須進行受力分析，必須先進行公式推導得出所求量的表達式，然后再代入數(shù)據(jù);代入數(shù)據(jù)后必須標明單位，如果漏了單位要扣掉很多分。另外，法國物理教師強調學生應該對物理單位的大小有感性認識，比如速度、電量、電流、電容這些物理量。2015年有一道高考題是求高空跳傘落地的速度，有一問就是結論中的速度相當于生活中什么速度，答案是相當于從2層樓跳下來的速度。

綜上所述，這道2018年的法國物理高考題很好地貼合了物理學科核心素養(yǎng)的要求，對我國高中物理教學和評價有一定借鑒的作用。

（責任編輯 易志毅）