“細微之處”見真情

劉昌鳴

2001年國家教育部頒布了全日制義務教育《物理課程標準》（實驗稿），人民教育出版社出版了相應的教材，經過10年的改革，整個初中物理的教學水平躍上了一個新的臺階。2011年教育部定稿的全日制義務教育《物理課程標準》全面實施，教育改革的神秘面紗被揭去，全國中學物理教學進入了空前的盛況，各個地方風起云涌的中考物理題“欣欣向榮”，其中的綜合能力題更是涵蓋了當今科技、社會和生活的方方面面，無奇不有，變幻無常，也可以說是捉摸不透，包羅萬象。不要說考生害怕學物理，就是教師不加強學習都很難跟上當前的改革形勢。但近年來，各地出現(xiàn)的這種題目，如果不從“細微之處”入手剖析，根本無法正確解答。綜合能力題由于涉及面廣，可以拓寬學生視野，也增加了學生學習的難度。

1 控制變量法在探究型實驗題中的應用

1.1 例題1

（2011年杭州中考）在同一地方，夏天大樹樹蔭下的氣溫明顯低于陽光直曬下的氣溫，其主要原因是什么呢？幾位同學有不同意見：小王認為主要是樹葉不斷散發(fā)出大量的水分，有降溫的作用；小李認為主要是樹葉擋住了太陽光的輻射，所以樹蔭下的氣溫降低了。

請回答下列問題：（1）小王認為主要是“樹葉不斷散發(fā)出大量的水分，有降溫的作用”的科學原理是_____________。

（2）小方認為造成樹蔭下的氣溫要比陽光直曬下的氣溫低，除了小王和小李說的原因外，從能量轉化的角度看，還有一個較重要原因，你認為這個原因是_____________ 。

（3）小李針對自己的猜想，設計以下的實驗來加以驗證：

①在同一地點選擇間隔適當距離，陽光照射、周邊環(huán)境一樣，樹種、大小、長勢、樹形都相同的兩顆樹，分別編號A、B，如圖1所示。

②在B樹全部樹葉的正反兩面噴上一層極薄無色無害不溶于水的透明膜，阻止樹葉水分蒸發(fā)。（透明膜經過一段時間后，會自動分解）

③在無風晴天的中午實驗地點進行測量，同時測定離地1.5 m高處的3個點的氣溫。這3個點的氣溫分別是：_____________下的氣溫（T1）、_____________下的氣溫（T2）、_____________下的氣溫（T3）。測溫時，其中2支溫度計放置地點除離地高度相同外，還應離_____________的距離相同。

④若不考慮小方說的造成樹蔭下氣溫低的原因，要證明小李的猜想是正確的，測量得到的數(shù)據(jù)（T1、T2、T3）之間的溫差關系式是_____________。

1.2 答案

（1）液態(tài)水蒸發(fā)會吸收環(huán)境中的熱量。（2）部分太陽能通過光合作用轉化為化學能。（3）A樹、B樹、陽光直曬、樹干；T3-T1>T2-T1。

1.3 現(xiàn)狀

初三年級的一個普通班，全班45人中答對前3題的人數(shù)占90%；第4題的答題正確率只有6%，3種主要答案分別是：T3>T2>T1、T3-T2>T2-T1、T3-T1>T2-T1。

1.4 原因

大家認為陽光直曬下溫度T3高，其次是有阻擋陽光的無蒸騰作用的B樹溫度T2低一些，第三是有阻擋陽光的作用也有蒸騰作用的A樹溫度T1更低一些，亦即T3>T2>T1。審題不清晰的學生直接錯填為這個答案，許多考生應用數(shù)學關系來比較就有后兩種可能的情況。乍一看，考生的分析沒錯，道理可圈可點，甚至有個別學生考完后在網上搜索到了后兩種答案，更有甚者干脆賦值計算，如T1=15℃，T2=20℃，T3=30℃。那么，T3-T2=10℃，T2-T1=5℃，T3-T1=15℃，發(fā)現(xiàn)也有上述3種可能情況。如果教師不假思索的比較，顯然就中了圈套，也會得出跟學生相同的結果。此處的“溫差”關系是“細微之處”之一。

1.5 甄別

首先，要理解出題者的意圖，此題是探究型實驗綜合題。其次，控制變量法在探究性實驗方案題的應用是此題的關鍵。第三，以下幾個知識點考生要熟悉：①樹葉通過蒸發(fā)散發(fā)出水分時，水由液體變?yōu)闅鈶B(tài)發(fā)生汽化，水汽化時要從周圍環(huán)境吸收熱量，從而使環(huán)境溫度降低；②因為光是在同種均勻介質中沿直線傳播的，所以不透明的樹葉擋住了太陽光的輻射；③實驗時應測量3個點的氣溫：A樹下的氣溫（T1）、B樹下的氣溫（T2）、陽光直射下的氣溫（T3）；④測量溫度時，根據(jù)控制變量法的要求可知，其中2支溫度計放置地點除應離地面相同高度外，還應與樹干的距離相同。且最好是從低處到高處進行測量。第四，此題是考察學生對不同類型的實驗進行“控制變量法”的理解，這跟只有一種類型實驗的“控制變量法”相比，發(fā)展教學的思想，豐富其內涵，是改革的需要。這是“細微之處”之二。

1.6 解答

取A、B兩樹下測量的溫度對比，控制“兩樹對陽光的遮擋效果相同”這一變量，A樹葉不斷散發(fā)出大量的水分，有降溫的作用。因此T2>T1。取B樹下的溫度和陽光直射下的氣溫對比，控制“兩者都沒有樹葉的蒸騰作用而降溫”的變量，但B樹對陽光有遮擋效果，樹下溫度低，因此T3>T2。由于“若不考慮小方說的原因，要證明小李的猜想是正確的，要比較測量得到的數(shù)據(jù)（T1、T2、T3）之間的溫差關系”這句，其實是肯定“小李認為主要的因素”明顯些和承認“小王主要認為的因素”相比較次要些。題目此處隱藏著這個意思，顯然，這是“細微之處”之三。只有很少學生悟出，不得不說是出題者的“良苦用心”，但也不乏學生認為有點故弄玄虛，題目意思晦澀難懂?！靶±钫J為主要是樹葉擋住了太陽光的輻射，所以樹蔭下的氣溫降低了”和“小王認為主要是樹葉不斷散發(fā)出大量的水分，有降溫的作用”，根據(jù)控制變量的關系，B樹下與外界（陽光直射）的溫差（T3-T2）大于蒸騰作用而降低的溫度（T2-T1），即T3-T1>T2-T1。

2 控制變量法在選擇能力中的應用

2.1 例題2

（2014年北京中考）桌面上甲、乙兩個圓柱形容器中分別裝有水和酒精，實心木球和實心鐵球的體積相等，如圖2所示。水、酒精、木球和鐵球的密度分別為ρ水、ρ酒精、ρ木和ρ鐵。將木球放入水中、鐵球放入酒精中，靜止時木球和鐵球所受浮力的大小分別為F1和F2。下列判斷中正確的是（ ）。

A.若ρ木<ρ酒精<ρ水<ρ鐵，則F1>F2

B.若ρ木<ρ酒精<ρ水<ρ鐵，則F1

C.若ρ酒精<ρ木<ρ水<ρ鐵，則F1=F2

D.若ρ酒精<ρ木<ρ水<ρ鐵，則F1

2.2 解答

設球的體積為V，在選項A中，若ρ木<ρ酒精<ρ水<ρ鐵，木球放入水中漂浮，鐵球放入酒精中沉底。對于木球，根據(jù)漂浮物體的特點得F1=G木=ρ木Vg；對于鐵球，根據(jù)阿基米德原理得F2=ρ酒精Vg。由于ρ木<ρ酒精，故F1F2，故C、D均不正確。

2.3 問題

教學的目的是要教會學生一定的能力，不僅僅是傳授知識，物理也不例外。由于此題變量多，條件復雜，一些學生看到題目就慌了神，看不清楚題目，弄不清楚題意，更別提解題了。所以，教師在平常的教學中，應多教學生解題的思路和方法，讓學生產生智慧的火花，具有一定的物理思維能力，并保持良好的心態(tài)和習慣，解題就容易了。切忌急功近利讓學生死記硬背式的學物理，那樣是不可行的。此題“細微之處”在于將體積相同、材料不同的木球、鐵球分別放入水和酒精中，通過比較木球、鐵球、水、酒精的密度，進行轉換，比較浮力的大小。試題難就難在它們的密度沒有告訴具體數(shù)值，木球、鐵球分別放入水、酒精中的狀態(tài)未知，干擾著學生對浮力大小的判斷。

2.4 破解

此題還可嘗試用“控制變量法”解答。把題中“將木球放入水中、鐵球放入酒精中”轉換為“將兩個球都同時放入酒精中（控制變量）”，情況會怎樣？

首先，根據(jù)答案A、B的密度關系，可知木球要漂浮在酒精面上，鐵球沉入裝酒精容器的底部，由于兩球體積相等，根據(jù)阿基米德，鐵球受到的浮力大于木球。由于木球在水中、酒精中都是漂浮，根據(jù)二力平衡的原理，得到木球在酒精和水中受到的浮力相等，故F1

其次，根據(jù)C、D答案中的密度的關系，可知兩球都沉入裝酒精的容器底。由于兩球的體積相等，所以，它們受到的浮力相等，但木球在水中漂浮，浮力等于自身的重力，就大于它沉入酒精的浮力。故F1>F2，故C、D均不正確。此題的答案是B。

3 收集并處理信息在閱讀能力題中的應用

3.1 例題3

（2015年鹽城中考）閱讀短文，回答問題。電子秤所使用的測力裝置是力傳感器。常見的一種力傳感器由彈簧鋼和應變片組成，其結構如圖3（a）所示。彈簧鋼右端固定，在其上、下表面各貼一個相同的應變片。若在彈簧鋼的自由端施加向下的作用力F，則彈簧鋼發(fā)生彎曲，上應變片被拉伸，下應變片被壓縮。力越大，彈簧鋼的彎曲程度越大。

應變片結構如圖3（b）所示，其中金屬電阻絲的阻值對長度的變化很敏感。給上、下金屬電阻絲提供大小相等且不變的電流，上應變片兩引線間電壓為U1，下應變片兩引線間電壓為U2，傳感器輸出這兩個電壓的差值U（U=U1-U2），用來反映力F的大小。

金屬電阻絲的阻值隨溫度會發(fā)生變化，其變化情況如圖3（c）所示。為消除氣溫變化對測量精度的影響，需分別在上、下應變片金屬電阻絲與引線之間串聯(lián)一只合適的電阻，進行溫度補償。串聯(lián)合適的電阻后，測量結果不再受溫度影響。則：

（1）這種力傳感器是將力的大小轉換為_____________（電流/電壓）的裝置。

（2）外力F增大時，下列說法正確的是_____________。

A.上、下應變片金屬電阻絲電阻都增大

B.上、下應變片金屬電阻絲電阻都減小

C.上應變片金屬電阻絲電阻減小，下應變片金屬電阻絲電阻增大

D.上應變片金屬電阻絲電阻增大，下應變片金屬電阻絲電阻減小

（3）傳感器輸出的電壓U隨外力F增大而_____________。

（4）進行溫度補償時，應給上金屬電阻絲串聯(lián)阻值隨溫度升高而_____________的電阻，下金屬電阻絲串聯(lián)阻值隨溫度升高而_____________的電阻。

（5）如果未進行溫度補償，自由端受到相同的力F作用，該傳感器下應變片兩端的電壓U2冬天比夏天_____________（大/?。?。

3.2 辨析

這是一道信息給予類中考壓軸題，考點為影響電阻大小的因素和歐姆定律的應用設計。

第一，傳感器把兩個電壓的差值輸出，來反映力F的大小，所以這種力傳感器是將力的大小轉換為電壓的裝置。

第二，外力F增大時，上應變片金屬電阻絲長度變大，電阻變大，下應變片長度變短，電阻變小。

第三，壓力越大，電子秤的示數(shù)越大，也就是輸出的電壓越大，傳感器輸出的電壓U隨F的增大而增大。

第四，未進行溫度補償時，金屬電阻絲的阻值隨溫度升高而增大，所以，串聯(lián)電阻要用阻值隨溫度升高而減小的電阻。

第五，冬天電阻受溫度的影響比夏天小，所以傳感器下應變片兩端的電壓U2冬天比夏天小。

3.3 答案

（1）電壓；（2）D；（3）增大；（4）減小、減??；（5）小。

4 比較辨別法在實驗能力題中的應用

4.1 例題4

（無錫2014中考）在“測量小燈泡正常發(fā)光時的電阻”的實驗中，小剛同學用一個電壓表、一個電流表、一個開關、一個滑動變阻器、電壓為45 V的電源和額定電壓為38 V的小燈泡，設計了如圖4（a）所示的電路。

（1）請你用筆畫線代替導線，按照圖4（a）中所示電路，幫小剛將圖4（b）中缺少的兩根導線補充連接完整。

（2）連接電路時開關應_____________，圖4（a）中滑片P應位于最_____________端（選填“左”或者“右”）。

（3）連好電路檢查無誤后，閉合開關，發(fā)現(xiàn)小燈不亮，電壓表有示數(shù)，電流表無示數(shù)，則故障可能是_____________。

（4）正確連接好電路后，閉合開關，調節(jié)滑動變阻器，當小燈泡正常發(fā)光時，電流表指針如圖4（c）所示，此燈泡的額定功率為_____________。

（5）小剛想在上述實驗的基礎上，進一步研究“一段電路中的電流跟電路兩端電壓的關系”，獲得多組燈泡兩端電壓和電流的數(shù)據(jù)之后，發(fā)現(xiàn)電流與電壓不成正比，請指出他的實驗方法錯誤的原因_____________。

（6）圖5中有關此小燈泡功率P與U2或P與I2的圖像可能正確的是_____________ 。

4.2 答案

（1）如圖6所示的連接圖；（2）斷開，右；（3）燈泡斷路或接觸不良；（4）1.14 W；（5）燈絲電阻隨溫度的升高而增大；（6）B。

4.3 情況

大多數(shù)考生前5個問題基本都回答正確，但第6個問題的錯誤率較高，多數(shù)考生選擇了A或C。

4.4 原因

前5個問題很簡單，絕大多數(shù)同學都答對了。第6個問題的錯誤原因是他們根據(jù)正比例的函數(shù)關系進行判定的。根據(jù)P=U2/R或P=I2R，燈絲的電阻R不變時，P與U2或P與I2是成正比的。實際上，第5個問題已經預設了燈絲電阻隨溫度變化的問題。所以，此題的“細微之處”在于要考慮“燈絲的電阻隨溫度的升高而變大”。具體是當燈泡兩端的電壓U遠沒有達到額定電壓之前，電流的變化不大，燈絲發(fā)熱的溫度較低對其電阻影響甚微，P與U2或P與I2幾乎成正比，選項B、D開始部分幾乎是直線。但隨著電壓U逐漸增大并達到額定電壓乃至更大些時，電流I也隨之明顯變大，電流的熱效應使燈絲的溫度會隨著升高更快些，其電阻R也會變得更大些。那么，對于P=I2R，選項D圖像的后面部分應該是在前面直線部分的基礎上顯著上升，所以選項D錯了。而P=U2/R的情況，選項B的后面部分在原來直線部分的基礎上偏下一些緩慢上升，即選項B正確。

總之，各地的中考綜合能力題雖然是初中物理學習的知識，由于涉及面寬，覆蓋范圍廣，難度越來越大。所以，教學如何調整是擺在當前的研究課題。筆者認為，萬丈高樓平地起，在夯實基礎的原則下，努力提高學生的能力，并從題目的“細微之處”入手，抽絲剝繭，層層推進教學，方可解決問題。