徐心悅　李豐果

摘? ? 要：通過情境設(shè)置考查學(xué)生的關(guān)鍵能力和核心素養(yǎng)，是當(dāng)前高考改革和國際考試測量的基本方向。以2022年廣東高考物理第13題為例，賞析該試題的命題情境，對該情境所對應(yīng)的生活真實情境進(jìn)行實驗測量，發(fā)現(xiàn)試題模型與實際測量有所不同，以此深入探討題目呈現(xiàn)的物理模型和真實情境的差異。

關(guān)鍵詞：情境化試題；實驗測量；物理模型

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）6-0035-5

創(chuàng)設(shè)情境教學(xué)、結(jié)合情境考查對培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出了物理學(xué)習(xí)評價應(yīng)圍繞物理學(xué)科核心素養(yǎng)的具體要求，創(chuàng)設(shè)真實而有價值的問題情境［1］。已有不少學(xué)者針對物理問題進(jìn)行了情境立體化［2］和情境可視化［3］等方面的研究。以情境為載體實現(xiàn)“四層”考查內(nèi)容和“四翼”考查要求是高考評價體系的實施路徑［4］。近兩年的廣東省高中學(xué)業(yè)水平選擇性考試（高考）物理試題也很好地凸顯了情境化，基于情境的試題占比更是達(dá)到80%以上［5］。

在2022年廣東高考物理試卷第13題中，以生活中的自動雨傘開傘過程為命題情境，考查學(xué)生拆解多個運(yùn)動階段、依次構(gòu)建物理模型、針對情境進(jìn)行物理觀念思維加工等物理學(xué)科關(guān)鍵能力?？疾榈闹R主要涉及受力分析、動力學(xué)問題等，該題以生活中的真實問題為情境，與實際生活情境結(jié)合程度高，難度適中。該題所構(gòu)建的物理模型和真實的問題情境存在怎樣的不同也是教學(xué)中關(guān)注的熱點。本文首先呈現(xiàn)2022年廣東高考物理試卷第13題的原題并賞析命題情境，接著用自動長柄雨傘進(jìn)行實驗測量，深入探討題目中呈現(xiàn)的物理模型和真實情境的差異，以深入體會并感悟物理試題與生活的密切性，幫助理解相關(guān)知識。

1? ? 原題呈現(xiàn)與情境分析

1.1? ? 原題呈現(xiàn)及解答

【2022年廣東高考物理第13題】（11分）某同學(xué)受自動雨傘開傘過程的啟發(fā)，設(shè)計了如圖1所示的物理模型。豎直放置在水平桌面上的滑桿上套有一個滑塊，初始時它們處于靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)滑塊從A處以初速度v0為10 m/s向上滑動時，受到滑桿的摩擦力f為1 N，滑塊滑到B處與滑桿發(fā)生完全非彈性碰撞，帶動滑桿離開桌面一起豎直向上運(yùn)動。已知滑塊的質(zhì)量m=0.2 kg，滑桿的質(zhì)量M=0.6 kg，A，B間的距離l=1.2 m，重力加速度g取10 m/s²，不計空氣阻力。求：

（1）滑塊在靜止時和向上滑動的過程中，桌面對滑桿支持力的大小N1和N₂；

（2）滑塊碰撞前瞬間的速度大小v；

（3）滑桿向上運(yùn)動的最大高度h。

解析 （1）滑塊靜止時和向上滑動過程中，分別根據(jù)平衡條件得

N₁=mg+Mg（1）

N₂+f=Mg （2）

由（1）和（2）式解得

N₁=8 N

N₂=5 N

（2）滑塊從開始滑動至碰撞過程中，根據(jù)動能定理有

-mgl-fl=1/2mv²-1/2mv₀²（3）

解得

v=8 m/s

（3）滑塊滑到B處與滑桿發(fā)生完全非彈性碰撞，根據(jù)動量守恒定律有

mv=（M+m）v'（4）

碰撞后滑塊帶動滑桿離開桌面一起做豎直上拋運(yùn)動，根據(jù)豎直上拋運(yùn)動規(guī)律有

v'²=2gh（5）

聯(lián)立（4）（5）式解得

h=0.2 m

1.2? ? 情境賞析

該題基于自動長柄雨傘開傘時彈簧沿傘柄運(yùn)動建立情境。這類問題的求解對學(xué)生的物理模型建構(gòu)能力要求較高，需要學(xué)生有擷取關(guān)鍵信息、結(jié)合物理知識綜合分析、明晰研究對象與運(yùn)動階段、構(gòu)建合適的模型、推演計算等綜合能力。自動長柄雨傘結(jié)構(gòu)中的傘面、傘骨、傘柄和彈簧等部件聯(lián)動機(jī)制較為復(fù)雜，為了符合高考中考查學(xué)生受力分析、勻加速直線運(yùn)動及動力學(xué)問題等知識點的要求，該題將開傘時帶動傘面彈起的滑塊與彈簧抽象為豎直放置的沿滑桿向上運(yùn)動的滑塊模型。

然而，在實際場景中，不考慮雨傘的傘面和傘骨作用時，將傘柄、傘帽朝上豎直放置，按動雨傘開關(guān)讓滑塊與彈簧共同沿傘柄向上運(yùn)動，彈簧由壓縮狀態(tài)釋放直至與傘柄末端限位碰撞。由于傘柄長度有限，彈簧與傘柄限位碰撞前，其長度始終恢復(fù)不到原長。滑塊與彈簧由靜止釋放，沿傘柄運(yùn)動時受到自身重力、摩擦力及彈簧彈力。由于彈簧硬度大，彈簧彈力始終大于重力與摩擦力的合力。因此，滑塊和彈簧的運(yùn)動速度在與傘柄限位碰撞時應(yīng)達(dá)到最大。

彈簧與傘柄限位碰撞后，彈簧帶動傘柄一起豎直向上運(yùn)動，則整體做加速度為重力加速度的豎直上拋運(yùn)動，因此碰撞后位移-時間關(guān)系圖應(yīng)呈拋物線，速度-時間關(guān)系圖應(yīng)呈直線。

2? ? 實驗測量

2.1? ? 實驗器材

自動長柄雨傘（小蜜蜂牌，型號為1A10045），攝像機(jī)，Tracker軟件，砝碼，游標(biāo)卡尺。

2.2? ? 實驗過程

2.2.1? ? 帶傘面的完整雨傘測量

將雨傘如圖2（a）懸掛。先將傘柄上的滑塊用白色紙條作出標(biāo)記，以便Tracker軟件分析視頻時追蹤目標(biāo)。接著，用三腳架固定手機(jī)，拍攝按動雨傘開關(guān)后滑塊與彈簧由靜止開始運(yùn)動的過程，如此重復(fù)拍攝多次。拍攝時需注意不能使用廣角鏡頭，使用廣角鏡頭會使視頻畫面邊緣產(chǎn)生畸變，會使尺寸定標(biāo)時產(chǎn)生較大誤差。將拍攝好的視頻導(dǎo)入Tracker軟件，對滑塊逐幀進(jìn)行目標(biāo)追蹤得到位移、速度信息。

2.2.2? ? 除去傘面帶傘骨測量

將傘面剪去，保留傘柄與傘骨（傘骨架）結(jié)構(gòu)，如圖2（b）所示。視頻拍攝和測量過程與帶傘面的完整雨傘的情況相同。

2.2.3? ? 除去傘面和傘骨測量

將雨傘上與滑塊相連的傘骨拆除，僅保留傘柄、彈簧、滑塊，如圖2（c）所示。由于滑塊與彈簧沒有傘骨的作用，且彈簧勁度系數(shù)很大，無法徒手將其壓縮并釋放彈起，因此無法測量。由于彈簧是自動長柄雨傘的關(guān)鍵部件，雨傘的傘面就是靠彈簧強(qiáng)大的彈力將其撐開。利用胡克定律測量傘柄上彈簧的勁度系數(shù)。

2.3? ? 測量結(jié)果與分析

2.3.1? ? 帶傘面的完整雨傘

處理用完好雨傘進(jìn)行實驗所得的數(shù)據(jù)。先將多組數(shù)據(jù)取平均值，導(dǎo)出繪圖。繪圖時為便于校準(zhǔn)目標(biāo)的運(yùn)動時間，將滑塊彈簧與傘柄限位碰撞處作為縱坐標(biāo)零點；為減小逐幀追蹤時手動取點造成的誤差，將繪制的圖線作了平滑處理。得到了完好雨傘開傘過程的位移-時間圖像（圖3）與速度-時間圖像（圖4）。圖3中選取了彈簧與傘柄限位碰撞處為零點，則縱坐標(biāo)y表示為滑塊到碰撞處的距離，橫坐標(biāo)則為運(yùn)動時間t。

從圖3可以看出：當(dāng)時間t=0.518 33 s時，y=0，彈簧與傘柄限位碰撞；當(dāng)時間t=0.942 50 s時，雨傘運(yùn)動至最高點，上升高度為y=0.364 42 m。

從圖4可以看出：當(dāng)雨傘上升時間t=0.433 85 s時，彈簧和滑塊速度達(dá)到最大值。因碰撞時刻為t=0.518 33 s，說明在彈簧與傘柄限位碰撞前，彈簧與滑塊的速度就已達(dá)到最大值。

2.3.2? ? 除去傘面帶傘骨測量

處理用拆除傘面的傘骨架進(jìn)行實驗的數(shù)據(jù)，將所得數(shù)據(jù)取平均值，導(dǎo)出繪圖并將圖像平滑處理，得到位移-時間圖像（圖5）與速度-時間圖像（圖6）。

從圖5可以看出：

當(dāng)時間t=0.166 67 s時，y=0，彈簧與傘柄限位碰撞；當(dāng)時間t=0.486 48 s時，雨傘運(yùn)動至最高點，上升高度為y=0.721 04 m。

從圖6可以看出：

當(dāng)雨傘上升時間t=0.114 07 s時，為彈簧和滑塊速度達(dá)到最大值。因碰撞時刻為t=0.166 67 s，說明在彈簧與傘柄限位碰撞前，彈簧與滑塊的速度就已達(dá)到最大值。碰撞后滑塊、彈簧與傘整體共同向上做加速度為重力加速度的減速運(yùn)動。與情境分析中得到的“運(yùn)動速度應(yīng)在碰撞時達(dá)到最大值”推論不符，實驗結(jié)果顯示滑塊與彈簧在碰撞前運(yùn)動速度已達(dá)到最大。碰撞后，滑塊（傘）運(yùn)動速度的減小趨勢呈周期性起伏，與情境分析中得到的“碰撞后速度與時間關(guān)系圖呈直線”推論不符。這是因為在實驗中，原本用于支撐傘面的傘骨在向上運(yùn)動過程中會周期性上下振動，從而影響傘的運(yùn)動。

在傘骨被撐起的過程中，彈簧逐漸伸長，同時將自身“舉起來”沿著傘柄向上運(yùn)動。彈簧之所以能夠克服自身重力并撐起傘面、傘骨，得益于其與傘骨組成的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并在起始時要有足夠的壓縮量，及其勁度系數(shù)要足夠大。因此，若拆除傘骨，彈簧無法彈起。用直線擬合出該彈簧所受拉力與形變量關(guān)系圖（圖7），得該彈簧勁度系數(shù)約為4 750 N/m。

分別將圖3—圖6的位移-時間圖像與速度-時間圖像進(jìn)行合并（圖8、圖9），比較完好雨傘與除去傘面的傘骨架的運(yùn)動過程。

從圖8可以看出：除去傘面的傘骨架在t=0.486 48 s時到達(dá)運(yùn)動最高點y=0.721 04 m處，完好雨傘則在t=0.942 50 s時到達(dá)運(yùn)動最高點y=0.364 42 m處。

從圖9可以看出：除去傘面的傘骨架在t=0.114 07 s時其滑塊與彈簧運(yùn)動速度達(dá)到最大值v=6.119 53 m/s，完好雨傘在t=0.433 85 s時其滑塊與彈簧運(yùn)動速度達(dá)到最大值v=2.760 49 m/s。

對比發(fā)現(xiàn)，傘骨架運(yùn)動的最高點比完好雨傘運(yùn)動的最高點高將近一倍，其運(yùn)動過程中達(dá)到的最大速度比完好雨傘的最大速度要大，運(yùn)動至最高點的用時比完好雨傘的用時短。傘骨架沒有傘面，相比完好雨傘受到的空氣阻力小，傘骨架的空氣阻力可以忽略不計，計算傘面克服空氣阻力做功約為0.882 18 J。

完好的雨傘在豎直方向的運(yùn)動過程中，速度變化基本對稱。而傘骨架在加速過程中加速度很大，到達(dá)最大速度用時比完好雨傘的短。但由于其減速過程中傘骨會周期性上下振動，受傘骨振動影響，其加速度比加速過程中的加速度要小。

3? ? 教學(xué)啟示

3.1? ? 重視教材，品味思想

自2020年起，教育部考試中心不再制定高考考試大綱，以課程標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)編寫的教材應(yīng)被教師充分重視。以2022年廣東高考物理試卷第13題為例，考生對第（1）問的作答情況并不理想。該問的考查內(nèi)容涉及牛頓第三定律的理解與應(yīng)用，很多考生無法將求解桌面對滑桿的支持力大小運(yùn)用牛頓第三定律轉(zhuǎn)換為求滑桿對桌面的壓力大小，從而導(dǎo)致失分。其實該問可溯源自粵教版高中物理教材必修第一冊“牛頓第三定律”這節(jié)中練習(xí)第3題的底座、直立桿、套環(huán)模型。其次，牛頓第三定律內(nèi)容簡單，教師在教學(xué)中更應(yīng)突出的是其為解決力學(xué)問題時轉(zhuǎn)換研究對象提供理論基礎(chǔ)的現(xiàn)實價值。教師應(yīng)將物理學(xué)科在研究和解決問題時的思想方法、價值取向等通過課堂教學(xué)傳達(dá)給學(xué)生?？偟膩碚f，教師在日常教學(xué)中應(yīng)理清教材邏輯，落實基本概念，奠定思想基礎(chǔ)。 3.2? ? 發(fā)現(xiàn)生活，感知體驗

情境化試題是指以自然界及社會生活、生產(chǎn)中客觀存在的物理現(xiàn)象或過程為背景，考查學(xué)生運(yùn)用物理概念、規(guī)律解決問題的試題。解決這類問題對學(xué)生的物理模型建構(gòu)能力提出高要求。物理模型建構(gòu)能力在以情境為考查載體的趨勢下尤為關(guān)鍵，以能發(fā)現(xiàn)可建構(gòu)模型的生活現(xiàn)象為前提，以理解物理概念和規(guī)律為基礎(chǔ)。因此，提升模型建構(gòu)能力對于提高學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)、引導(dǎo)學(xué)生的物理視野回歸真實生活有著不可取代的作用，也引導(dǎo)著物理教學(xué)走向情境化教學(xué)。

除此之外，情境也可以三維立體空間形式呈現(xiàn)，更大程度地體現(xiàn)具體真實問題。解決三維問題則需要學(xué)生先“降維”處理。因此，教師應(yīng)利用好課程標(biāo)準(zhǔn)與教材提供的典型問題情境，設(shè)置真實有價值的生活情境，幫助學(xué)生在教學(xué)活動中感知生活、體驗生活，同時也要避免在教學(xué)中堆砌情境，避免使情境化教學(xué)變成新型“情境題海”。

4? ? 結(jié)? 語

高考中所考查的物理模型多是從真實生活情境中有層次地進(jìn)行抽象和簡化過的。學(xué)生在學(xué)習(xí)物理的過程中需要更多的生活經(jīng)歷與體驗。教師應(yīng)充分研讀教材，充分利用并合理發(fā)散教材中的問題情境，帶給學(xué)生多元的物理視角。教師要有發(fā)現(xiàn)生活中物理元素的敏銳度，將教材中的模型與真實生活相結(jié)合，從而引導(dǎo)學(xué)生感知生活中無處不在的物理痕跡。

參考文獻(xiàn)：

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（欄目編輯? ? 陳? 潔）