把握力學(xué)實(shí)驗(yàn)考點(diǎn) 促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)

江蘇 呂 琪

2019年的《普通高中學(xué)業(yè)水平測試》(選修科目)說明中能力要求的第5點(diǎn)就是“實(shí)驗(yàn)與探究能力”，既要求學(xué)生能夠獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)與探究的內(nèi)容，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，理解?shí)驗(yàn)的原理和方法，又要求學(xué)生能在實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，對解決問題的方式和問題的答案提出假設(shè)，還要求學(xué)生能制訂實(shí)驗(yàn)方案，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測。能運(yùn)用已學(xué)過的物理理論、實(shí)驗(yàn)方法和所給的實(shí)驗(yàn)儀器去解決問題，包括簡單的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

這樣的能力要求與物理核心素養(yǎng)中實(shí)驗(yàn)探究素養(yǎng)的要求相符合，而如何培養(yǎng)這樣的能力和素養(yǎng)，則應(yīng)該以學(xué)生為中心，教師通過教學(xué)內(nèi)容的整合，逐步進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。

一、近幾年高考力學(xué)實(shí)驗(yàn)題命題熱點(diǎn)分析

表1 2019全國卷力學(xué)實(shí)驗(yàn)題的考核內(nèi)容

表2 高考物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)題全國卷近3年的考核內(nèi)容

表3 高考物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)題江蘇卷近10年的考核內(nèi)容

續(xù)表

從以上表格中的考核內(nèi)容可以看出，全國卷的物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)考核內(nèi)容傾向于勻變速直線運(yùn)動(dòng)的研究，例如，用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器研究小車在斜面上的運(yùn)動(dòng)，并利用這一運(yùn)動(dòng)拓展測量動(dòng)摩擦因數(shù)、重力加速度等物理量。而江蘇卷的命題更寬泛，除了力與運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，還經(jīng)常考查動(dòng)能定理、機(jī)械能守恒等原理和操作要求更高的實(shí)驗(yàn)，給考生的復(fù)習(xí)提出了較高的要求。綜合看來，無論是全國卷還是江蘇卷，實(shí)驗(yàn)情境都是學(xué)生學(xué)習(xí)中接觸過的，要求學(xué)生利用已學(xué)的知識和方法，遷移解決新問題。

二、深度學(xué)習(xí)對于高考力學(xué)實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)的指導(dǎo)意義

深度學(xué)習(xí)是一種基于理解的學(xué)習(xí)，是指學(xué)習(xí)者以高階思維的發(fā)展和實(shí)際問題的解決為目標(biāo)，以整合的知識為主旨，積極主動(dòng)地、批判性地學(xué)習(xí)新的知識和思想，并將它們?nèi)谌朐械恼J(rèn)知結(jié)構(gòu)中，且能將已有的知識遷移到新情境中的一種學(xué)習(xí)。

力學(xué)實(shí)驗(yàn)中常出現(xiàn)的小車-軌道的實(shí)驗(yàn)裝置，可用來研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)、探究“加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”，還可以用來探究“做功與動(dòng)能變化的關(guān)系”以及“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”。通過整合這一實(shí)驗(yàn)裝置在不同實(shí)驗(yàn)中的作用，比較和分析不同實(shí)驗(yàn)需要滿足的條件，在批判性思考中體會(huì)實(shí)驗(yàn)探究的方法，從而在原有知識的基礎(chǔ)上不斷建構(gòu)、遷移、應(yīng)用新的知識。

【例1】利用圖1所示裝置研究小車的勻變速直線運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中必要的措施是

( )

A.細(xì)線必須與長木板平行

B.先接通電源再釋放小車

C.小車的質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼的質(zhì)量

D.平衡小車與長木板間的摩擦力

圖1

【答案】AB

【例2】利用圖2所示裝置驗(yàn)證小車的動(dòng)能定理，實(shí)驗(yàn)時(shí)要保證滑塊受到的合力近似等于沙和小桶的總重力大小，沙和小桶的總質(zhì)量應(yīng)滿足的實(shí)驗(yàn)條件是____________________，實(shí)驗(yàn)時(shí)要保證細(xì)線拉力就是滑塊的合外力，首先要做的步驟是____________________。

圖2

【答案】沙和小桶的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于滑塊的質(zhì)量，平衡摩擦力。

【例3】利用如圖3所示的裝置來驗(yàn)證由小車與鉤碼組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒。

圖3

(1)為盡可能消除摩擦力對本實(shí)驗(yàn)的影響，使驗(yàn)證結(jié)果盡可能準(zhǔn)確，則小車質(zhì)量M和鉤碼質(zhì)量m的關(guān)系應(yīng)該滿足________；

(2)A和B同學(xué)在做該實(shí)驗(yàn)時(shí)，A同學(xué)認(rèn)為只要采用平衡摩擦力的方法將摩擦力平衡掉就可以了，無須滿足(1)問中小車質(zhì)量M和鉤碼質(zhì)量m的關(guān)系，而B同學(xué)卻否認(rèn)A同學(xué)的看法，你認(rèn)為A同學(xué)的看法________(選填“正確”或“不正確”)，理由是________。

【答案】(1)M?m；(2)不正確；因?yàn)槠胶饽Σ亮?，摩擦力仍做?fù)功，系統(tǒng)機(jī)械能不守恒。

1.是否需要平衡摩擦力

例1研究小車的勻變速直線運(yùn)動(dòng)不需要平衡摩擦力，因?yàn)樾≤囀艿降幕瑒?dòng)摩擦力是恒力，不會(huì)改變小車勻變速直線運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)。如果利用這套裝置研究加速度與物體受力之間的關(guān)系，為了使細(xì)繩上的拉力FT等于物體的合外力F合，就需要平衡摩擦力，同理，例2需要平衡摩擦力，這樣才能使拉力做功為合外力做功。例3的實(shí)驗(yàn)情境要構(gòu)造一個(gè)機(jī)械能守恒的過程，即使平衡了摩擦力，摩擦力還是做負(fù)功，機(jī)械能不守恒。所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)中平衡摩擦力是不能消除影響的。

同時(shí)，我們也需要關(guān)注器材的改進(jìn)，若采用氣墊導(dǎo)軌進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由于空氣的阻力較小，可以忽略不計(jì)，此時(shí)便不需要平衡摩擦力，而是要調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平。

2.是否需要滿足M(小車或滑塊的質(zhì)量)遠(yuǎn)小于m(所掛物的質(zhì)量)

例1的情境是研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)只需要滿足小車能勻加速下滑即可，不需要滿足m遠(yuǎn)小于M。如果例1是研究加速度與物體受力的關(guān)系，平衡摩擦力之后，對鉤碼分析有mg-F=ma，對小車分析有F=Ma，兩式聯(lián)立得mg=(m+M)a，可知如果鉤碼的重力近似等于小車的拉力，需要滿足m遠(yuǎn)小于M。同理，例2驗(yàn)證動(dòng)能定理，本質(zhì)是探究合外力做功與物體動(dòng)能的關(guān)系，要保證小車所受拉力即合外力近似等于鉤碼的重力，滿足M?m。而例3中，生搬硬套就會(huì)導(dǎo)致截然相反的結(jié)論，為了盡可能減小摩擦力的影響，應(yīng)該使拉力遠(yuǎn)大于摩擦力，所以應(yīng)該使所掛物的質(zhì)量m遠(yuǎn)大于M。

追溯例2本質(zhì)，要滿足m遠(yuǎn)小于M的條件，是為了使鉤碼的重力近似等于細(xì)繩中的拉力，如果進(jìn)行器材改進(jìn)，用力傳感器或彈簧測力計(jì)直接測出繩的拉力，如例5中圖4采用的裝置彈簧測力計(jì)可以直接測出繩中拉力，那么就無需滿足m遠(yuǎn)小于M。或者選擇所掛物體和小車的系統(tǒng)作為研究對象，能直接測得合外力，也不需要滿足m遠(yuǎn)小于M。

判斷是否需要平衡摩擦力、是否需要滿足m遠(yuǎn)小于M，我們要關(guān)注實(shí)驗(yàn)的目的，理解實(shí)驗(yàn)測量什么，驗(yàn)證什么。各實(shí)驗(yàn)條件對比如下表4。

表4 小車-軌道模型實(shí)驗(yàn)條件對比分析

3.圖象問題如何選擇

【例4】在研究小車的加速度a和小車的質(zhì)量M的關(guān)系時(shí)，由于沒有始終滿足M?m(m為沙桶及沙桶中沙的質(zhì)量)的條件，得到的圖象應(yīng)是以下哪一個(gè)

( )

A

B

C

D

【答案】D

【例5】用如圖4所示的裝置探究加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系，帶滑輪的長木板和彈簧測力計(jì)均水平固定。以加速度a為縱坐標(biāo)，以彈簧測力計(jì)的示數(shù)F為橫坐標(biāo)，以下a-F圖象可能正確的是

( )

圖4

A

B

C

D

【答案】B

【例6】用圖5所示實(shí)驗(yàn)裝置探究“恒力做功與動(dòng)能變化的關(guān)系”。實(shí)驗(yàn)中，小車在細(xì)繩拉動(dòng)下從靜止開始加速運(yùn)動(dòng)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上記錄小車的運(yùn)動(dòng)情況，力傳感器記錄細(xì)繩對小車的拉力大小。

假設(shè)已經(jīng)完全消除了摩擦力和其他阻力的影響，若重物質(zhì)量不滿足遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量的條件，則從理論上分析，圖中正確反映小車速度v2與拉力對小車做的功W關(guān)系的是

( )

圖5

A

C

D

【答案】A

綜上分析，解決實(shí)驗(yàn)中圖象關(guān)系一定要結(jié)合實(shí)驗(yàn)的條件，推導(dǎo)出物理量之間的關(guān)系式，根據(jù)關(guān)系式判斷圖線是否過原點(diǎn)，斜率是否恒定，從而選擇正確答案，切不可死記硬背。

4.是否一定要測量物體的質(zhì)量m

【例7】探究外力做功與物體動(dòng)能變化關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)中力傳感器讀數(shù)和紙帶的測量數(shù)據(jù)等可分別求得外力對小車做的功和小車動(dòng)能的變化量。除了圖6中注明的器材外，實(shí)驗(yàn)中還需要交流電源、導(dǎo)線、刻度尺和________。

圖6

【答案】天平

【例8】若用圖8裝置用來探究恒力做功與滑塊動(dòng)能變化的關(guān)系，且用鉤碼的重力來表示滑塊的合力。則對于該實(shí)驗(yàn)裝置，你認(rèn)為以下操作和要求一定要完成的是

( )

A.需要滿足鉤碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于滑塊和遮光條的總質(zhì)量

B.通過滑輪拉滑塊的細(xì)繩在運(yùn)動(dòng)過程中必須保持與木板平行

C.要測出鉤碼的質(zhì)量m

D.氣墊導(dǎo)軌左端應(yīng)墊高以平衡摩擦力

【答案】ABC

圖7

圖8

例7題干中的描述“根據(jù)實(shí)驗(yàn)中力傳感器讀數(shù)和紙帶的測量數(shù)據(jù)等，可分別求得外力對小車做的功和小車動(dòng)能的變化量”，既然實(shí)驗(yàn)要求測算出小車動(dòng)能，根據(jù)公式計(jì)算小車的動(dòng)能，就必須要測出小車的質(zhì)量和速度。例8中用圖8的裝置“探究恒力做功與滑塊動(dòng)能變化的關(guān)系”，題干中并未明確要求測出小車動(dòng)能的具體數(shù)值，如果參考教材上利用橡皮筋“探究變力做功與小車動(dòng)能的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)，也可以不測量鉤碼和小車的質(zhì)量，通過掛的鉤碼個(gè)數(shù)不同，改變每次做功的倍數(shù)關(guān)系，即“倍分法”的思想，尋找1W，2W，3W…做功下，與小車速度v2的關(guān)系即可，筆者認(rèn)為此處C選項(xiàng)并不必要，因此答案改為AB較為合適。

綜合上述分析，可以發(fā)現(xiàn)以上實(shí)驗(yàn)中，只有表達(dá)式中質(zhì)量可以約去或者利用質(zhì)量的倍數(shù)關(guān)系即可得到結(jié)論時(shí)，才可以不測量物體的質(zhì)量，大多數(shù)時(shí)候?yàn)榱擞?jì)算動(dòng)能的具體數(shù)值，是需要測出物體質(zhì)量的。

三、結(jié)語

深度學(xué)習(xí)實(shí)質(zhì)上是結(jié)構(gòu)性與非結(jié)構(gòu)性知識意義的建構(gòu)過程，也是復(fù)雜的信息加工過程，必須對已激活的固有知識和所獲得的新知識進(jìn)行有效和精細(xì)的深度加工。通過以上四個(gè)方面的加工和思考，教師可以引導(dǎo)學(xué)生建立對力學(xué)實(shí)驗(yàn)的知識結(jié)構(gòu)、知識體系的整體認(rèn)知，形成模塊化的知識，從而能夠促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。