解永平

(江蘇省句容高級(jí)中學(xué),江蘇 句容 212400)

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·高考命題研究·

基于物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)談“探究動(dòng)能定理實(shí)驗(yàn)”的考查
——解讀《2017年江蘇省普通高中考試說(shuō)明》

解永平

(江蘇省句容高級(jí)中學(xué),江蘇 句容 212400)

《2017年江蘇省普通高中考試說(shuō)明》中新增加的實(shí)驗(yàn)為“探究動(dòng)能定理”,本實(shí)驗(yàn)將是2017年江蘇高考物理學(xué)科的必考考點(diǎn)．物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)注重基礎(chǔ),教會(huì)學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)器材的測(cè)量和使用,掌握基本的實(shí)驗(yàn)方法,培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng),提高學(xué)生的科學(xué)探究能力．

探究動(dòng)能定理;物理核心素養(yǎng);科學(xué)探究;速度測(cè)量;功的測(cè)量

《2017年江蘇省普通高中考試說(shuō)明》已于近日公布,對(duì)比2016年的考試說(shuō)明,物理學(xué)科中變化最大的是實(shí)驗(yàn)考查中的必考內(nèi)容,由2016年的8個(gè)實(shí)驗(yàn)增加為9個(gè)實(shí)驗(yàn),增加的實(shí)驗(yàn)為“探究動(dòng)能定理”．根據(jù)以往命題“有變動(dòng)必體現(xiàn)”的規(guī)律,在2017年江蘇省高考物理試題中考查“實(shí)驗(yàn):探究動(dòng)能定理”的可能性很大,又因?yàn)榱W(xué)實(shí)驗(yàn)只有一個(gè)考題,因此我們可以將本實(shí)驗(yàn)列為2017年江蘇高考物理學(xué)科的必考考點(diǎn)．

近幾年高考實(shí)驗(yàn)題考查內(nèi)容主要有以下特點(diǎn)： (1) 實(shí)驗(yàn)題情景多樣,取材廣泛,不局限于教材提供的實(shí)驗(yàn)方案; (2) 注重基本實(shí)驗(yàn)儀器的使用與讀數(shù),實(shí)驗(yàn)題情景很新穎,但都使用的常規(guī)實(shí)驗(yàn)器材,例如刻度尺、游標(biāo)卡尺、螺旋測(cè)微器、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、電流表、電壓表等等; (3) 注重對(duì)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程和對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的考查,要求學(xué)生具有較強(qiáng)的動(dòng)手操作能力和分析概括能力．教學(xué)過(guò)程中使學(xué)生掌握基本的實(shí)驗(yàn)方法,并在此基礎(chǔ)上強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新,即用學(xué)生實(shí)驗(yàn)中學(xué)過(guò)的方法去設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)完成其它物理量的測(cè)量,突出對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力的考查．

針對(duì)以上兩方面的特點(diǎn),在2017年高三復(fù)習(xí)過(guò)程中,“探究動(dòng)能定理”可以作為復(fù)習(xí)的重點(diǎn),應(yīng)如何做好本實(shí)驗(yàn)的復(fù)習(xí)?做到有的放矢,以不變應(yīng)萬(wàn)變．具體做法是注重基礎(chǔ),培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng),提高學(xué)生的科學(xué)探究能力．物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過(guò)程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力, 是學(xué)生通過(guò)物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì), 是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的關(guān)鍵成分,這也是我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)解決物理問(wèn)題的一般過(guò)程．創(chuàng)新探究性實(shí)驗(yàn)試題一定是源于教材,但高于教材,在本實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)時(shí)可從物理學(xué)科教學(xué)的角度出發(fā),教會(huì)學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)器材的測(cè)量和使用,掌握基本的實(shí)驗(yàn)方法,而后由學(xué)生思考設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,以提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)素養(yǎng),做到以不變應(yīng)萬(wàn)變．

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究外力對(duì)物體做功與物體速度變化的關(guān)系;通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),總結(jié)出外力對(duì)物體做功與物體速度變化的關(guān)系,進(jìn)而得出外力對(duì)物體做功與物體動(dòng)能增量之間的關(guān)系．

實(shí)驗(yàn)的步驟主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量出力對(duì)物體做的功和物體在此過(guò)程中動(dòng)能增量,再通過(guò)數(shù)據(jù)分析和處理得出兩者間的數(shù)學(xué)關(guān)系．因此從原理出發(fā)本實(shí)驗(yàn)需要測(cè)量的物理量有:力對(duì)物體做的功和物體動(dòng)能的增量,實(shí)際操作過(guò)程中這兩個(gè)物理量都不是直接測(cè)量,力對(duì)物體做的功可以利用功能關(guān)系和功的定義式W=Fx測(cè)量,物體動(dòng)能增量是通過(guò)對(duì)物體質(zhì)量和速度的測(cè)量得出．因此復(fù)習(xí)本實(shí)驗(yàn)時(shí)不要局限于教材的實(shí)驗(yàn)方案,可從功和物體速度這兩個(gè)物理量的測(cè)量入手,使學(xué)生掌握基本實(shí)驗(yàn)器材的使用和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)方法．

2 速度的測(cè)量

2.1 速度測(cè)量的基本原理

2.2 速度的測(cè)量方法

(1) 方法1:利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)運(yùn)動(dòng)物體的速度.

圖1

(2) 方法2:利用頻閃照片測(cè)運(yùn)動(dòng)物體的速度.

圖2

(3) 方法3:利用光電門(mén)測(cè)運(yùn)動(dòng)物體的速度.

(4) 方法4:利用平拋運(yùn)動(dòng)測(cè)運(yùn)動(dòng)物體的速度.

圖3

3 力對(duì)物體做功的測(cè)量

3.1 利用功能關(guān)系等效替代法測(cè)量力對(duì)物體做的功

(1) 方法1:利用完全一樣的橡皮筋對(duì)物體做功.

圖4

按如圖4所示將實(shí)驗(yàn)儀器安裝好,同時(shí)平衡摩擦力．先用一條橡皮筋做實(shí)驗(yàn),將橡皮筋拉伸到某一位置釋放,小車被彈出后在長(zhǎng)木板上做勻速直線運(yùn)動(dòng),設(shè)此時(shí)橡皮筋對(duì)小車做的功為W．依次用2條、3條、4條……同一規(guī)格的橡皮筋做實(shí)驗(yàn),且每次拉伸的長(zhǎng)度相同,則橡皮筋對(duì)小車做的功分別為2W、3W、4W……,并測(cè)出小車每次勻速運(yùn)動(dòng)的速度v,將數(shù)據(jù)記入表格．

(2) 方法2:利用完全一樣的彈簧對(duì)物體做功.

圖5

在“探究動(dòng)能定理”的實(shí)驗(yàn)中,某實(shí)驗(yàn)探究小組的實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示．木塊從A點(diǎn)靜止釋放后,在1根彈簧作用下彈出,沿足夠長(zhǎng)木板運(yùn)動(dòng)到B1點(diǎn)停下,O點(diǎn)為彈簧原長(zhǎng)時(shí)所處的位置,測(cè)得OB1的距離為L(zhǎng)1,并記錄此過(guò)程中彈簧對(duì)木塊做的功為W．用完全相同的彈簧2根、3根……并列在一起進(jìn)行第2次、第3次……實(shí)驗(yàn),每次實(shí)驗(yàn)?zāi)緣K均從A點(diǎn)釋放,則彈簧對(duì)木塊做的功分別為2W、3W、4W……

3.2 利用功的定義式W=Fx測(cè)量力對(duì)物體做的功

(1) 方法1:位移不變,改變合力.

圖6

圖7

案例2:如圖7所示,水平桌面上擺放一左端帶滑輪的長(zhǎng)木板,木板上有一小車,小車的左端與一細(xì)線相連,細(xì)線的另一端通過(guò)滑輪與砝碼盤(pán)相連．將長(zhǎng)木板的左端用墊塊墊高,使小車在長(zhǎng)木板上做勻速直線運(yùn)動(dòng),即此時(shí)小車受到的合外力為0．取下細(xì)線后再釋放小車,小車在長(zhǎng)木板上做勻加速直線運(yùn)動(dòng),此時(shí)小車受到的合外力等于之前砝碼盤(pán)和盤(pán)中砝碼的總重力．控制兩光電門(mén)之間的距離不變,通過(guò)改變砝碼盤(pán)和盤(pán)中砝碼的總重力來(lái)改變合外力的大小,進(jìn)而改變小車通過(guò)光電門(mén)1和光電門(mén)2這段距離合外力做的功W．具體操作上可以使砝碼盤(pán)和盤(pán)中砝碼的總重力為G、2G、3G……對(duì)應(yīng)得到合力的功分別為W、2W、3W……

(2) 方法2:外力不變,改變位移.

不同的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟煌?但實(shí)驗(yàn)方法和采用的實(shí)驗(yàn)器材可以相同．圖8為“探究加速度和力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置,圖9為“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)裝置．學(xué)生對(duì)這兩套實(shí)驗(yàn)器材并不陌生,我們可引導(dǎo)學(xué)生思考,這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中的小車和重物都是做勻加速直線運(yùn)動(dòng),即運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受到的合外力是恒定的,合外力不變時(shí),合外力對(duì)物體做的功與物體的位移成正比,只需測(cè)出物體的位移就可知合外力對(duì)物體做的功．我們也可利用這兩套實(shí)驗(yàn)器材來(lái)完成“探究動(dòng)能定理”的實(shí)驗(yàn),對(duì)打出的紙帶進(jìn)行研究,測(cè)出物體運(yùn)動(dòng)的距離和對(duì)應(yīng)點(diǎn)的瞬時(shí)速度,獲取多組數(shù)據(jù),對(duì)多組數(shù)據(jù)的分析可得出合外力對(duì)物體做功與物體動(dòng)能變化的比例關(guān)系．

圖8 圖9

4 實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

4.1 實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)原則:提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng),培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力

親身的實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷能讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程,了解科學(xué)研究的方法,有助于提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng)．物理核心素養(yǎng)主要由“物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個(gè)方面的要素構(gòu)成．實(shí)驗(yàn)考查的主要內(nèi)容是科學(xué)探究,科學(xué)探究是指提出物理問(wèn)題,形成猜想和假設(shè),獲取和處理信息,基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋,以及對(duì)實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力．科學(xué)探究主要包括問(wèn)題、證據(jù)、解釋、交流、評(píng)價(jià)等要素．

解決創(chuàng)新探究實(shí)驗(yàn)試題的基礎(chǔ)是熟練掌握考試說(shuō)明要求的物理實(shí)驗(yàn),重點(diǎn)是基本實(shí)驗(yàn)器材的使用方法和實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)的物理思想,例如平衡摩擦力的方法、用重力代替拉力的方法、控制變量的方法、累積法測(cè)量微小量的方法、圖像探究物理量關(guān)系的方法、微小量放大測(cè)量的方法、平均值減小誤差的方法等等．解決創(chuàng)新探究實(shí)驗(yàn)試題的關(guān)鍵是能將學(xué)過(guò)的實(shí)驗(yàn)知識(shí)和方法在不同的情境下遷移應(yīng)用,提高學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決新問(wèn)題的能力．

4.2 本實(shí)驗(yàn)可能的實(shí)驗(yàn)方案

探究動(dòng)能定理的實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量的物理量為外力做功和物體的速度,基于高中物理實(shí)驗(yàn)中對(duì)這兩物理量測(cè)量器材和方法的掌握,本實(shí)驗(yàn)使用基本實(shí)驗(yàn)器材組合后,可能的實(shí)驗(yàn)方案有: (1) 光電門(mén)和氣墊導(dǎo)軌; (2) 光電門(mén)和長(zhǎng)木板、小車; (3) 打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和長(zhǎng)木板、小車; (4) 橡皮筋和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、長(zhǎng)木板、小車; (5) 彈簧和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、長(zhǎng)木板、小車; (6) 自由落體運(yùn)動(dòng)和頻閃照片; (7) 橡皮筋和平拋運(yùn)動(dòng)等幾種情況．

1 徐衛(wèi)華.高中物理教學(xué)中提升實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)的實(shí)踐與反思[J].物理教師,2016(9):22.

2017-01-21)