蔣 鑫

（江蘇省溧陽(yáng)中學(xué)，江蘇常州 213300）

1 原題再現(xiàn)

例題.（2021年江蘇高考物理第11題）小明利用如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證動(dòng)量定理.將遮光條安裝在滑塊上，用天平測(cè)出遮光條和滑塊的總質(zhì)量M=200.0g，槽碼和掛鉤的總質(zhì)量m=50.0g.實(shí)驗(yàn)時(shí)，將滑塊系在繞過(guò)定滑輪懸掛有槽碼的細(xì)線上.滑塊由靜止釋放，數(shù)字計(jì)時(shí)器記錄下遮光條通過(guò)光電門(mén)1和2的遮光時(shí)間Δt1和Δt2，以及這兩次開(kāi)始遮光的時(shí)間間隔Δt，用游標(biāo)卡尺測(cè)出遮光條寬度，計(jì)算出滑塊經(jīng)過(guò)兩光電門(mén)速度的變化量Δv.

圖1

（1）游標(biāo)卡尺測(cè)量遮光條寬度如圖2所示，其寬度d=______mm；

圖2

（2）打開(kāi)氣泵，待氣流穩(wěn)定后調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌，直至看到導(dǎo)軌上的滑塊能在短時(shí)間內(nèi)保持靜止，其目的是________；

（3）多次改變光電門(mén)2的位置進(jìn)行測(cè)量，得到Δt和Δv的數(shù)據(jù)如表1，請(qǐng)根據(jù)表中數(shù)據(jù)，在圖3所示方格紙上作出圖線_________；

圖3 圖線

（4）查得當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭=9.80 m／s2，根據(jù)動(dòng)量定理，圖線斜率的理論值為_(kāi)________m／s2；

（5）實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，圖線斜率的實(shí)驗(yàn)值總小于理論值，產(chǎn)生這一誤差的兩個(gè)可能原因是________.

（A）選用的槽碼質(zhì)量偏小.

（B）細(xì)線與氣墊導(dǎo)軌不完全平行.

（C）每次釋放滑塊的位置不同.

（D）實(shí)驗(yàn)中Δt的測(cè)量值偏大.

表1__滑塊經(jīng)過(guò)兩光電門(mén)的Δv及Δt

2 試題分析

2.1 命題意圖

試題以驗(yàn)證動(dòng)量定理為命題背景，設(shè)問(wèn)考查基本儀器的讀數(shù)、氣墊導(dǎo)軌的使用、圖像的描繪、運(yùn)用定理分析圖像的斜率、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)誤差的分析等實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?著重突出以能力為主導(dǎo)，兼顧對(duì)“運(yùn)用線性關(guān)系處理數(shù)據(jù)法、整體法和隔離法”等思想方法的考查，突出對(duì)學(xué)生基于科學(xué)思維的科學(xué)探究素養(yǎng)的考查.

2.2 試題特點(diǎn)

2.3 解題技巧

（1）游標(biāo)卡尺的讀數(shù)應(yīng)當(dāng)?shù)扔谥鞒呱系恼撩着c主尺和游標(biāo)尺對(duì)齊的格數(shù)乘以精確度兩部分之和，不難看出主尺的整毫米數(shù)為10mm，主尺與游標(biāo)尺第4 條線對(duì)齊，游標(biāo)尺為20分度，故游標(biāo)卡尺的讀數(shù)為10mm+4×0.05mm=10.20mm.

（2）滑塊調(diào)節(jié)穩(wěn)定后，即表明氣墊導(dǎo)軌水平.

（3）根據(jù)表格中所采集的數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙中先描點(diǎn)，再連成直線（盡量讓大多數(shù)點(diǎn)在直線上，實(shí)際擬合時(shí)可以讓點(diǎn)均勻分布在直線兩側(cè)），如圖4所示.

圖4 圖線

（4）設(shè)繩中拉力為F，忽略空氣和導(dǎo)軌對(duì)滑塊的阻力，對(duì)滑塊應(yīng)用動(dòng)量定理有

因槽碼和掛鉤通過(guò)繩與滑塊相連，同一時(shí)刻兩者速度大小相等，故槽碼和掛鉤與滑塊有相同的速度增量Δv，在忽略滑輪摩擦和槽碼所受空氣阻力時(shí)，對(duì)槽碼和掛鉤應(yīng)用動(dòng)量定理有

由（1）（2）式消去F可得

整理此式得

3 試題賞析

試題的亮點(diǎn)在于驗(yàn)證動(dòng)量定理時(shí)具有器材裝備的經(jīng)典性、考查內(nèi)容的層次性、科學(xué)方法的融合性、驗(yàn)證方案的創(chuàng)新性及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性等顯著特點(diǎn)，簡(jiǎn)要闡述如下.

器材裝備的經(jīng)典性.用槽碼借助于細(xì)繩拉滑塊這一裝置圖在物理中非常經(jīng)典，研究小車(chē)速度隨時(shí)間變化規(guī)律實(shí)驗(yàn)、測(cè)定勻變速直線運(yùn)動(dòng)加速度實(shí)驗(yàn)、探究加速度與力、加速度與質(zhì)量實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證動(dòng)能定理實(shí)驗(yàn)及驗(yàn)證系統(tǒng)機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)等眾多經(jīng)典實(shí)驗(yàn)都用到此類(lèi)裝置圖.試題以此裝置圖驗(yàn)證動(dòng)量定理，學(xué)生并不感覺(jué)陌生，具有很強(qiáng)的代入感，顯示出經(jīng)典性的優(yōu)勢(shì).

考查內(nèi)容的層次性.試題注重對(duì)學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)技能的考查.如游標(biāo)卡尺的讀數(shù)、滑塊調(diào)節(jié)平衡的目的、圖像的描繪等基本實(shí)驗(yàn)技能都設(shè)問(wèn)進(jìn)行了考查，確保學(xué)生拿到一定的分值.與此同時(shí)，試題設(shè)問(wèn)考查圖線斜率的理論值及在此基礎(chǔ)上的誤差分析，顯然是對(duì)學(xué)生運(yùn)用此種驗(yàn)證方法的實(shí)質(zhì)進(jìn)行深層次的考查.考生如不能領(lǐng)悟到“通過(guò)比較繪出的圖線的實(shí)際斜率值（即斜率的實(shí)驗(yàn)值）與圖線斜率的理論值的方法驗(yàn)證動(dòng)量定理”，便不能準(zhǔn)確解答第4 和第5 小問(wèn)，從這一角度看，試題的命制體現(xiàn)出一定的層次性，顯示出較好的區(qū)分度.

驗(yàn)證方案的創(chuàng)新性.眾所周知，傳統(tǒng)的驗(yàn)證動(dòng)量定理的方法都從獲得研究對(duì)象所受合外力對(duì)時(shí)間的沖量及研究對(duì)象動(dòng)量的變化量?jī)煞矫骝?yàn)證，設(shè)問(wèn)時(shí)都圍繞得出合力對(duì)時(shí)間的沖量Ft及研究對(duì)象的增量mΔv兩方面展開(kāi).以合力沖量Ft的得出為例，可以借助探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置，平衡摩擦力后，在小車(chē)質(zhì)量遠(yuǎn)大于槽碼質(zhì)量的情形下，以槽碼重力近似代替小車(chē)合力的方法得出合力，再通過(guò)數(shù)字計(jì)時(shí)器測(cè)出相應(yīng)過(guò)程所用時(shí)間從而得出合力的沖量.然而，2021年江蘇高考第11題這道驗(yàn)證動(dòng)量定理的實(shí)驗(yàn)題在驗(yàn)證方案上打破了傳統(tǒng)的驗(yàn)證方法，代之以當(dāng)前較為流行的運(yùn)用線性關(guān)系中的圖像斜率法進(jìn)行驗(yàn)證.根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)描繪出線性圖線，計(jì)算圖線的斜率作為實(shí)驗(yàn)值，再根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)量定理推導(dǎo)出斜率的理論值，通過(guò)比較實(shí)驗(yàn)值與理論值進(jìn)行驗(yàn)證，彰顯創(chuàng)新性.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性.凡實(shí)驗(yàn)必有誤差，而誤差又分系統(tǒng)誤差和偶然誤差，以驗(yàn)證動(dòng)量定理這一實(shí)驗(yàn)為例，若按傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證，在獲得研究對(duì)象的合力沖量這一物理量時(shí)，先要測(cè)出研究對(duì)象的合力.以試題中的實(shí)驗(yàn)裝置為例，常見(jiàn)的處理方法是將槽碼的重力近似替代繩中的拉力，而這一替代的前提必須要滿足滑塊的質(zhì)量M遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于槽碼及掛鉤的總質(zhì)量m，顯然無(wú)論怎樣遠(yuǎn)大于，槽碼及掛鉤的總重力mg必定大于繩中的拉力（試題中繩中拉力僅為槽碼及掛鉤重力mg的0.8倍）.這便是系統(tǒng)誤差的來(lái)源.然而利用試題中的驗(yàn)證方案（通過(guò)比較繪出的圖線的實(shí)際斜率，即斜率的實(shí)驗(yàn)值與圖線斜率的理論值的方法驗(yàn)證動(dòng)量定理）便很好地回避了這一系統(tǒng)誤差，表明這種驗(yàn)證方案更加準(zhǔn)確.對(duì)于偶然誤差，例如數(shù)字計(jì)時(shí)器采集的時(shí)間，在此基礎(chǔ)上計(jì)算出的速度增量Δv必然產(chǎn)生偶然誤差.誤差理論表明，當(dāng)兩物理量之間存在一一對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系時(shí)，運(yùn)用采集到的數(shù)據(jù)描點(diǎn)并擬合成一條直線，便能有效地減小這種偶然誤差，可見(jiàn)試題中利用畫(huà)線性圖線來(lái)驗(yàn)證動(dòng)量定理的方法可以很好地減小偶然誤差，提高結(jié)果的準(zhǔn)確性.

4 思考與啟示

4.1 對(duì)試題的引導(dǎo)思路思考

4.2 對(duì)試題中圖像斜率的理論值思考

對(duì)槽碼與掛鉤應(yīng)用動(dòng)量定理其方程式不再是本文所列的（2）式，而應(yīng)當(dāng)修正為

聯(lián)立（4）、（5）式可得

（6）式中f阻、f阻′分別表示滑塊及槽碼的阻力.顯然（6）式是在忽略繩與滑輪間摩擦、考慮滑塊和槽碼所受阻力的前提下斜率的近似理論值，依然是一種近似.（6）式表明斜率的理論值與兩者所受阻力有一定的關(guān)系，這兩阻力非常小且表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，故很難將其測(cè)定得出，因而圖線斜率的理論值永遠(yuǎn)是一個(gè)無(wú)法獲取的值.從這個(gè)角度看，建議試題在文字表述時(shí)應(yīng)當(dāng)將相關(guān)影響因素交代清楚以顯示其嚴(yán)謹(jǐn)性.

4.3 對(duì)一線教師課堂教學(xué)與復(fù)習(xí)的啟示思考

作為新一輪高考改革的首屆考生，江蘇省2021屆高考考生面對(duì)的是新高考、老教材的特殊局面.老教材新高考是本屆高考物理考查最大的特點(diǎn).新高考對(duì)選修模塊的考查完全打破了傳統(tǒng)的考查方式，考查內(nèi)容之多（必修1、必修2、選修3-1、3-2、3-3、3-4、3-5共7本書(shū)內(nèi)容）、考查方式之靈活、考查面之廣泛（不分選修與必修，所有內(nèi)容均為必考內(nèi)容）是江蘇新高考物理學(xué)科的主要特點(diǎn).2021江蘇新高考物理試題的命制成功地落實(shí)了“高考對(duì)學(xué)生必備知識(shí)、關(guān)鍵能力、學(xué)科素養(yǎng)的全面考查及對(duì)一線物理課堂教學(xué)的正確導(dǎo)向作用”這一目標(biāo)，這在全卷和部分試題的命制上體現(xiàn)得淋漓盡致.以全卷的第11題為例，動(dòng)量定理內(nèi)容隸屬于老教材中的3-5模塊內(nèi)容，江蘇傳統(tǒng)的考查方式中僅在全卷中固定題號(hào)的選考部分設(shè)問(wèn)考查，一般分值不高，且動(dòng)量部分的考查以動(dòng)量守恒定律為主，動(dòng)量定理屬于冷門(mén)考點(diǎn)，較少設(shè)問(wèn)考查，即使考查，也不可能以實(shí)驗(yàn)題的形式予以考查.江蘇高考實(shí)驗(yàn)題的命題風(fēng)格10多年來(lái)一直非常穩(wěn)定，“一力一電”兩道實(shí)驗(yàn)題，力學(xué)部分通常在“探究平行四邊形定則、探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系、驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律、測(cè)定動(dòng)摩擦因數(shù)”等經(jīng)典力學(xué)實(shí)驗(yàn)中設(shè)問(wèn)考查.電學(xué)部分通常在選修3-1恒定電流一章中“伏安法測(cè)電阻、描繪燈泡的伏安特性曲線、測(cè)電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻、測(cè)定金屬的電阻率”等電學(xué)實(shí)驗(yàn)中設(shè)問(wèn)考查，考查內(nèi)容和形式非常穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)題考查選修模塊從未出現(xiàn)過(guò)，而新高考的第1次突破就在實(shí)驗(yàn)題部分，將老高考中不可能出現(xiàn)的考查內(nèi)容和考查方式在新高考中重點(diǎn)考查.這一創(chuàng)舉要求我們一線教師在教學(xué)過(guò)程中及時(shí)轉(zhuǎn)變思維習(xí)慣，革新復(fù)習(xí)備考方法.一切皆有可能，不可投機(jī)取巧，不要抱有“這個(gè)恐怕不考，那個(gè)可能也不會(huì)考，所以這些內(nèi)容就不講或不復(fù)習(xí)”的應(yīng)試思想，這與新一輪高考改革的理念完全背道而馳，萬(wàn)萬(wàn)要不得.

5 結(jié)束語(yǔ)

物理學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，物理現(xiàn)象、物理規(guī)律通常都由實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)，因而培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰κ俏锢斫虒W(xué)中非常重要的內(nèi)容.學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、操作實(shí)驗(yàn)、分析實(shí)驗(yàn)、處理數(shù)據(jù)及誤差分析等實(shí)驗(yàn)技能究竟掌握得如何，需要對(duì)學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)式操作考查，然而受條件限制，對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)式實(shí)際操作考查非常困難.近年來(lái)有些省份對(duì)考生進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作式的實(shí)驗(yàn)考查耗費(fèi)了大量人力、物力和財(cái)力，而且只局限于學(xué)業(yè)水平合格性過(guò)關(guān)的考查，多數(shù)依然流于形式，很難達(dá)到預(yù)期效果.長(zhǎng)期以來(lái)，高考對(duì)考生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ目疾槿酝Ａ粼诩埞P測(cè)試階段.這一考查方式存在一定的局限性，例如學(xué)生在日常學(xué)習(xí)過(guò)程中究竟有沒(méi)有走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室切切實(shí)實(shí)地做實(shí)驗(yàn)？或?qū)W生即使做了新課標(biāo)所規(guī)定的必做實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)水平達(dá)到什么樣的程度？紙筆測(cè)試無(wú)法達(dá)到檢測(cè)學(xué)生真實(shí)實(shí)驗(yàn)水平的效果，相反，學(xué)生只要多刷題便可輕松應(yīng)付考試，顯然這不利于學(xué)生物理核心素養(yǎng)的形成，因而，高考實(shí)驗(yàn)題的命題要指向一線實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際，切切實(shí)實(shí)能將做過(guò)實(shí)驗(yàn)、會(huì)做實(shí)驗(yàn)的考生和未做過(guò)實(shí)驗(yàn)或應(yīng)付做實(shí)驗(yàn)的兩類(lèi)考生甄別出來(lái)，以促進(jìn)一線的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué).這才是高考實(shí)驗(yàn)題命制的指導(dǎo)思想和意義所在.