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        緊扣課程標準 聚焦核心素養(yǎng)
        ——2021年安徽中考物理壓軸題賞析

        2022-10-08 08:45:56
        物理之友 2022年8期
        關鍵詞:物理探究實驗

        張 亮

        (安徽省阜陽市第十八中學,安徽 阜陽 236000)

        1 引言

        2021年安徽省中考物理壓軸題是關于杠桿模型建構的問題,涉及較多的物理概念和規(guī)律,題目緊扣課程標準,深入考查學生的核心素養(yǎng),對教師的教學與學生的復習備考有重要的指導意義。

        2 原題呈現(xiàn)

        研究物理問題時,常需要突出研究對象的主要因素,忽略次要因素,將其簡化為物理模型。

        (1)如圖1甲所示,一質量分布均勻的杠桿,忽略厚度和寬度,長度不可忽略,用細線將它從中點懸起,能在水平位置平衡。將它繞懸點在豎直面內緩慢轉過一定角度后釋放(圖1乙),為研究其能否平衡,可將它看成等長的兩部分,請在圖1乙中畫出這兩部分各自所受重力的示意圖和力臂,并用杠桿平衡條件證明杠桿在該位置仍能平衡;

        (2)如圖1丙所示,一質量分布均勻的長方形木板,忽略厚度,長度和寬度不可忽略,用細線將它從AB邊的中點懸起,能在水平位置平衡。將它繞懸點在豎直面內緩慢轉過一定角度后釋放(圖1丁),木板在該位置能否平衡?寫出你的判斷依據(jù)。

        圖1

        3 參考解答

        以下解析摘自安徽省教育招生考試院印制的《2021年安徽省初中學業(yè)水平考試試題、參考答案及評分標準》。

        (1)杠桿兩部分各自所受重力的示意圖和力臂如圖2所示。設杠桿長度為L,所受重力為G,杠桿轉過角度為θ。由圖2可知:l1=l2=0.25Lcosθ,又G1=G2=0.5G,故G1l1=G2l2,杠桿在該位置仍能平衡。

        圖2

        (2)把木板看成左右相同的兩部分,各自所受重力和力臂如圖3所示,設木板所受重力為G,由圖可知:G1=G2=0.5G,l1

        圖3

        另解:木板轉過一定角度后釋放,其受力情況如圖4所示,可知木板受到的拉力F和重力G不在一條直線上,不滿足二力平衡的條件,所以木板在該位置不能平衡。

        圖4

        4 答題分析

        對某區(qū)14110份答卷進行分析時,發(fā)現(xiàn)該題平均得分為1.88分,學生在以下方面存在誤區(qū)。

        4.1 重力方向及力臂的畫法

        在第(1)問的解答中將重力的作用點畫在杠桿兩端,且豎直向下;畫重力的力臂時從杠桿兩端向懸線畫垂線,而不是從杠桿中心位置沿重力作用線畫垂線;有的將重力方向畫成垂直于杠桿,有的將重力的作用點畫在杠桿中心上;除重力外還畫了其他的力等等。在第(2)問的解答中將木板沿懸線分割,將兩個重心分別畫在對角線的交點上。

        4.2 杠桿平衡的論證

        有相當多的學生在畫圖之后,對照圖示首先寫出杠桿的平衡條件:F1l1=F2l2,然后再寫出力的關系和力臂的關系,順序顛倒。

        4.3 木板在傾斜位置能否平衡的論證

        學生中最典型的錯誤是將木板左右平均分割,重力分別作用于A、B點,從A、B中點沿重力作用線畫垂線,并當作力臂(圖5),由圖5分析得出:G1=G2,l1=l2,G1l1=G2l2,從而判斷木板在該位置可以平衡。

        圖5

        有的考生認為重力分別作用于C、D點,畫出對應的力臂,由G1

        圖6

        有的考生將木板沿懸線豎直分割成兩個梯形,但是將每個梯形的對角線交點當作各自的重心,得出結論:G1

        圖7

        5 試題評析

        本題考查內容對應于《義務教育物理課程標準(2011年版)》的以下三級主題:“通過常見事例或實驗,了解重力、彈力和摩擦力”“用示意圖描述力。會測量力的大小。知道二力平衡條件”“探究并了解杠桿的平衡條件”,還考查了學生必做實驗:“探究杠桿的平衡條件”。[1]題目中給出了構建杠桿模型的思路和方法:對于均勻的桿,忽略其厚度和寬度;對于均勻規(guī)則的板,忽略其厚度。相對于常規(guī)杠桿平衡條件的應用,比如計算力的大小、力臂的大小等,本題簡化了運算,但是對考生的思維能力要求更高,下面從核心素養(yǎng)視角進行評析。

        5.1 物理觀念

        物理觀念是從物理學視角形成的關于物質、運動和相互作用、能量等內容的總體認識,是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華,是從物理學視角解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的基礎。[2]試題中涉及“運動和相互作用”觀念下的重力、重心、二力平衡、杠桿、力臂等概念,人教版教材中寫道:“對于整個物體,重力作用的表現(xiàn)就好像它作用在一個點上,這個點叫作物體的重心……粗細均勻的直棒的重心在它的中點”,并且教材還配有示意圖。[3]將一根均勻直棒等分割成兩段,每一段的重心都在其中點。如果讓學生畫一根均勻木棒的重力示意圖,出錯率很低。而在本題中,為什么有很多考生將重心畫在杠桿的兩端呢?究其原因,一是對重心概念只是“知道”,但不會應用;二是受試題配圖的影響。題目中將杠桿從中間吊起后,懸點并非真的將杠桿一分為二,而是“可將它看成等長的兩部分”,因圖上沒有標出兩部分的中點,部分考生只能憑感覺,認為重力作用于杠桿的兩端。

        5.2 科學思維

        科學思維是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規(guī)律及相互關系的認識方式;是建構物理模型的抽象概括過程;是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用;是基于事實證據(jù)和科學推理對不同信息、觀點和結論進行質疑和批判,予以檢驗和修正,進而提出創(chuàng)造性見解的品格與能力。[2]本題全面考查了科學思維中的模型建構、科學推理與科學論證等要素。

        本題中由“桿”構建出“線”及由“板”構建出“面”都是典型的模型建構。第(1)問中的證明要求有嚴密的推理過程。但是部分考生正確畫圖后,直接寫出力臂相等。還有的考生邏輯順序顛倒,先寫出杠桿平衡條件,再寫力的關系及力臂的關系。第(2)問要求判斷木板能否在傾斜位置平衡,具有開放性。除了參考答案提供的解法外,還有兩種方法:(1)可以用“整體法”,把板看成一個整體,找到其重心,依據(jù)二力平衡的條件或杠桿平衡條件進行判斷;(2)運用“分割法”,把木板一分為二,可以沿豎直線分割,標出左右兩邊的重力和力臂。也可以二等分分割,標出相應的重力及對應的力臂,寫出力的關系和力臂的關系,最后應用杠桿的平衡條件進行判斷。閱卷中發(fā)現(xiàn)相當多的學生由于思維定勢,受第(1)問的影響,標錯了重心與力臂,從而得出錯誤的結論,或者出現(xiàn)解答過程有錯誤、但結論正確的情況。

        5.3 科學探究

        科學探究是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想與假設、設計實驗與制訂方案、獲取與處理信息、基于證據(jù)得出結論并作出解釋,以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力。[2]本題考查的是“基于證據(jù)得出結論并作出解釋”的能力。按照評分標準,只要考生作出正確判斷,即可得1分。有部分考生用了大量篇幅證明出木板在傾斜位置可以平衡,徒勞無功。如果變換一個思路,輕輕捏住試卷紙(草稿紙、答題卡、塑料墊板)等較寬的物體的長邊中點,使其自然下垂,再將其一端下壓,撤去外力后就可觀察其能否平衡,得出正確的結論,接下來再思考其理論依據(jù)。學生之所以沒有想到用實驗進行探究,顯然是因為平時實驗做得少,導致實驗意識薄弱。只有平時有了大量的實踐、思考與積淀,在關鍵時候才能隨時隨地開展探究活動,而不拘泥于場地和器材。

        6 教學啟示

        2021年安徽中考物理壓軸題全面考查了學生的理解能力、推理能力、分析綜合能力、運用數(shù)學工具解決物理問題的能力以及實驗能力。解題過程中滲透了等效替代、模型建構、科學探究等方法。命題做到了緊扣課程標準,聚集核心素養(yǎng),融嚴密的推理論證與適度的發(fā)散思維于一題,對物理教學有重要的啟示作用。

        6.1 淡化機械記憶,強化理解應用

        物理基礎知識主要是概念和規(guī)律等,課程標準中將行為動詞“理解”界定為“解釋、理解、計算”,具體來說,學生的理解不是“聽懂”“記住”“說出”,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,在具體的問題情境中才能看出學生是否真的理解了相關知識。在物理教學中,一般是在探究活動中建構概念,總結規(guī)律?!坝涀 眱H僅是最基礎的一環(huán),在核心素養(yǎng)導向下的學業(yè)水平考試中,多數(shù)體現(xiàn)為知識的應用,而應用的前提就是理解。比如本題中如果問:杠桿受到的重力方向如何?這就屬于“記住”的知識。而要求學生畫出重力的示意圖,僅僅記住“重心”和“豎直向下”是不夠的,還要知道這個力作用于桿的哪個位置,為什么要這樣畫,其背后隱含的就是“等效替代”方法。“力臂”概念是初中物理教學的一個難點,經(jīng)驗豐富的教師都會在引入力臂概念的環(huán)節(jié)上下功夫,通過實驗引導學生思考引入“支點到力的作用線的距離”的必要性,接著總結畫力臂的基本步驟,最后再挑選不同類型的問題進行適當?shù)撵柟?,按照以上思路即可化解這一教學難點。

        6.2 設置問題層次,培養(yǎng)思維能力

        思維能力是智力的核心,因為各種智力活動都需要圍繞思維活動來進行,同時受到思維能力的制約。一個人所擁有的知識經(jīng)驗是他思考問題、解決問題的基礎。沒有知識經(jīng)驗,就無從談起抽象與概括、判斷與推理、分析與綜合等思維能力,思維就難以發(fā)揮作用。在日常教學中教師可通過設置問題、有效啟發(fā)、實踐應用和成功體驗等途徑,培養(yǎng)學生良好的思維習慣和深入思考問題的能力,久而久之,學生的思維能力會得到有效提升,比如本題中建構物理模型就是一種思維能力,落實在解題中,就體現(xiàn)在畫圖的規(guī)范性、推理的邏輯性與嚴密性、判斷的科學性等方面。有的學生因判斷桿可以在傾斜位置平衡,同樣也得出板可在傾斜位置平衡的結論,問題就在于學生缺乏動態(tài)想象這種思維能力,沒有意識到板傾斜之后其整體重心偏離了豎直線。

        6.3 開發(fā)生活資源,優(yōu)化物理實驗

        在本題的解答過程中,如果學生有較強的實驗意識,在考場上可用相關物品尋找第(2)問的答案,從而避免錯析、錯判。從閱卷情況看,有相當一部分基礎好的學生費了大量時間進行理論推導,得出了錯誤結論。心理學家皮亞杰說過:“兒童的思維是從動作開始的,切斷了動作與思維之間的聯(lián)系,思維就得不到發(fā)展。”有動作才更易引發(fā)思考,出現(xiàn)了問題才能激發(fā)解決問題的欲望與潛能,教材中安排了大量的“想想做做”,目的正在于此。物理學以實驗為基礎,大量的實踐與探究是激起學生學習興趣、提高教學質量的基礎。在初中物理學習中,除了一些定量測量的工具,許多實驗器材可從生活中獲得,器材不在高、大、上,能直觀、簡便、形象地解決問題的物品就是最好的器材。物理學家麥克斯韋說過:一項實驗,器材越簡單,越生活化,學生就越想透徹地獲得實驗中所隱藏的奧秘。教師長年累月地開發(fā)生活資源做實驗,必定會對學生有潛移默化的影響,學生的實驗意識與能力才能逐步提升,從而在關鍵的時候能夠輕松化解疑難問題。[4]

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