突出素養(yǎng)導(dǎo)向 考查關(guān)鍵能力
——對(duì)2021年蘇州市中考物理第30題的賞析及拓展

洪進(jìn)步 任少鐸

（1.廈門(mén)市翔安區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校，福建 廈門(mén) 361101；2.廈門(mén)市海滄區(qū)東孚中學(xué)，福建 廈門(mén) 361000）

物理學(xué)科的核心素養(yǎng)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.物理學(xué)科關(guān)鍵能力是學(xué)習(xí)者在面對(duì)與學(xué)科相關(guān)的生活實(shí)踐或?qū)W習(xí)探索問(wèn)題情境時(shí)，高質(zhì)量地認(rèn)識(shí)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題所必須具備的能力.教育部考試中心認(rèn)為物理科關(guān)鍵能力包括理解能力、推理論證能力、模型建構(gòu)能力、實(shí)驗(yàn)探究能力、創(chuàng)新能力等5種關(guān)鍵能力.［1］2021年蘇州市中考試卷的壓軸題第28題，以邁克爾遜測(cè)光速實(shí)驗(yàn)為背景，立意新穎，構(gòu)思巧妙，合理建構(gòu)物理模型，突出物理學(xué)科核心素養(yǎng)，重點(diǎn)考查學(xué)生理解能力和推理論證能力等物理學(xué)科關(guān)鍵能力，可謂是物理學(xué)科思維物化的典范之一.

1 原題呈現(xiàn)

例題.光速的測(cè)定在物理學(xué)中有多種方法.邁克耳遜曾用類(lèi)似于下述方法在地球上較精確測(cè)定了光速.將激光發(fā)射器和接收裝置按圖1所示位置固定.裝置a是4個(gè)側(cè)面均鍍有高反光涂層的正方體，可繞固定的中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)（圖1所示為俯視圖）.當(dāng)正方體轉(zhuǎn)動(dòng)到圖示位置靜止時(shí)，激光束恰能以45°角照射到某側(cè)面中心P點(diǎn)處，反射到相距幾十公里外的一個(gè)山頂上，經(jīng)此處的光反射器（內(nèi)部結(jié)構(gòu)未畫(huà)出，不計(jì)光在其中的傳播時(shí)間）反射后，平行于原光線射到正方體另一側(cè)面中心Q點(diǎn)處，最終被接收裝置接收到.

圖1 蘇州中考題插圖

（1）若光速為3×105km/s，正方體到光反射器之間的距離為30 km，則光從P點(diǎn)射出到射回Q點(diǎn)所用的時(shí)間為_(kāi)_______s；

（2）正方體快速轉(zhuǎn)動(dòng)一周，光反射器能接收到________次激光的照射；

（3）當(dāng)正方體的轉(zhuǎn)速為n圈/秒時(shí)，接收裝置可接收到激光，正方體與對(duì)面山頂光反射器間距離用d（單位：m）表示，則測(cè)得的光速可能為_(kāi)_______m/s（填寫(xiě)選項(xiàng)符號(hào)）

（A）8nd. （B）12nd.

（C）16nd. （D）20nd.

參考答案：（1）2×10-4；（2）4；（3）（A）.

2 試題背景

光速是一個(gè)重要的物理常量，歷史上不少科學(xué)家都進(jìn)行過(guò)光速測(cè)量實(shí)驗(yàn).伽利略首先意識(shí)到光傳播需要時(shí)間（光有速度），并且用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了測(cè)量，但由于條件所限，誤差極大；羅默用天文法測(cè)得的光速為c=214000 km/s；斐索用“旋轉(zhuǎn)齒輪”進(jìn)行了光速測(cè)量實(shí)驗(yàn)（測(cè)得的光速為c=315300 km/s）；傅科改進(jìn)了菲索的方法，用“旋轉(zhuǎn)鏡法”測(cè)出了更接近實(shí)際的值（測(cè)得光速為c=298000 km/s）.邁克爾遜在斐索和傅科等人的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了“旋轉(zhuǎn)八角棱鏡法”測(cè)量光速，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示.如果棱鏡靜止不動(dòng)，強(qiáng)光源S發(fā)出的光經(jīng)過(guò)圖2箭頭所示的路徑后會(huì)進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡R從而被觀察到；如果正八角棱鏡逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)（讀者的角度），那么被鏡面1反射的光，再次回到八角棱鏡時(shí)，鏡面3已經(jīng)不在原來(lái)的位置了，此時(shí)光被正八角棱鏡反射后就不能進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡R中了.適當(dāng)調(diào)節(jié)正八角棱鏡的轉(zhuǎn)速，使被鏡面1反射的光，被再次反射回八角棱鏡時(shí)，正八角棱鏡恰好轉(zhuǎn)過(guò)一面，即鏡面2剛好轉(zhuǎn)到鏡面3原來(lái)的位置，那么光就會(huì)被鏡面2反射并剛好進(jìn)入R中.根據(jù)光傳播的路程和棱鏡轉(zhuǎn)過(guò)1/8轉(zhuǎn)所用的時(shí)間，就可以算出空氣中的光速.邁克爾遜測(cè)出的光速為c=299796 km/s，這是當(dāng)時(shí)最精確的光速值.［2］

圖2 邁克爾遜實(shí)驗(yàn)示意圖

邁克爾遜精準(zhǔn)的光速數(shù)據(jù)，為狹義相對(duì)論的建立打下了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).由于在光學(xué)精密測(cè)量和光譜學(xué)上的研究，邁克爾遜獲得了1907年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，也是美國(guó)第一個(gè)獲的諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家.從1879年到1926年的幾十年里，邁克爾遜不斷地改進(jìn)光速測(cè)量實(shí)驗(yàn)，孜孜不倦，精益求精，不斷刷新著有自己創(chuàng)造的記錄.最后，在一次精心設(shè)計(jì)的光學(xué)測(cè)定過(guò)程中，邁克爾遜因腦溢血不幸去世.可以說(shuō)，邁克爾遜將畢生都獻(xiàn)給了光速的測(cè)量.［2］

3 試題賞析

本題是2021年蘇州中考物理試卷的壓軸題，難點(diǎn)在第（3）問(wèn).試題主要考查光速的計(jì)算，解題的關(guān)鍵是能夠理解為什么正方體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，接收裝置也可以接收到激光.同時(shí)還要求學(xué)生能夠用所給的條件推導(dǎo)得出光速的可能值.具體來(lái)看，本題有以下特點(diǎn)值得借鑒.

3.1 立足物理學(xué)史，滲透建模意識(shí)

本題立足物理學(xué)史中著名的邁克爾遜測(cè)量光速實(shí)驗(yàn)，并將原實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，以降低難度.在呈現(xiàn)給學(xué)生時(shí)，試題突出主要因素（光從正方體到反射器的距離），忽略次要因素（光在反射器中傳播的距離），將整個(gè)光速測(cè)量過(guò)程建構(gòu)成一個(gè)理想的物理模型.通過(guò)突出建構(gòu)模型，簡(jiǎn)化了物理過(guò)程，使物理情景形象化，有助于在學(xué)生大腦中滲透建構(gòu)物理模型的意識(shí)，掌握抓住主要矛盾的科學(xué)方法，提高實(shí)驗(yàn)探究等綜合能力.

3.2 基于實(shí)驗(yàn)過(guò)程，突出物理觀念

試題基于測(cè)量光速的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，考查學(xué)生對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)的理解情況.本題突出“物理觀念”中“運(yùn)動(dòng)觀念”的幾個(gè)基本概念：路程（光往返的路程）；時(shí)間（光往返的時(shí)間、棱鏡轉(zhuǎn)過(guò)一定角度的時(shí)間）；速度（光傳播的速度、棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)的速度）.試題要求學(xué)生從運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念等視角來(lái)思考問(wèn)題，能否推理得出光往返的時(shí)間剛好等于棱鏡轉(zhuǎn)過(guò)一定角度的時(shí)間是正確解答本題的關(guān)鍵.

3.3 緊扣動(dòng)態(tài)分析，彰顯科學(xué)推理

試題第（2）問(wèn)考查動(dòng)態(tài)分析，即正方體轉(zhuǎn)動(dòng)一周，光反射器能接收到多少次激光的照射.由于旋轉(zhuǎn)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，需要分析正方體處于不同位置時(shí)光的具體路徑，并推理正方體轉(zhuǎn)動(dòng)一周的過(guò)程中光可以到達(dá)接收器幾次.通過(guò)分析，正方體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)入射光與正方體的反射面［圖3（a）中的1面］之間的夾角為45°時(shí)，激光剛好可以被水平向左反射，繼而進(jìn)入反射器（未畫(huà)出）并被平行射回正方體（光傳播的時(shí)間忽略不計(jì)），被正方體的另一反射面［圖3（a）中的2面］反射后剛好進(jìn)入接收器.當(dāng)入射光與正方體的反射面之間的角度非45°時(shí)，激光便不能被水平向左反射，也就不能進(jìn)入反射器，自然無(wú)法再進(jìn)入接收器.經(jīng)過(guò)科學(xué)推理，入射光與正方體之間的夾角為45°角的時(shí)刻，剛好有4個(gè)（如圖3所示），所以第（2）問(wèn)答案為4.

圖3 旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)過(guò)程分析

通過(guò)動(dòng)態(tài)過(guò)程，要求學(xué)生能夠基于實(shí)際過(guò)程綜合運(yùn)用幾何知識(shí)分析問(wèn)題，靈活運(yùn)用邏輯思維進(jìn)行推導(dǎo)，并最終解決問(wèn)題，彰顯科學(xué)推理，突出核心素養(yǎng).

4 創(chuàng)設(shè)開(kāi)放問(wèn)題，考查關(guān)鍵能力

圖4

試題最后一問(wèn)，要計(jì)算出光速，必須對(duì)測(cè)量原理有深刻的理解，這就要求學(xué)生具備一定的抽象思維和高階思維能力；通過(guò)設(shè)置開(kāi)放性問(wèn)題，進(jìn)一步考查學(xué)生的推理論證能力、實(shí)驗(yàn)探究能力等關(guān)鍵能力.

4 試題拓展

4.1 關(guān)于棱鏡的選擇

本題為了降低難度，特意把八棱鏡換成了正方體.事實(shí)上，初中階段數(shù)學(xué)已經(jīng)學(xué)習(xí)了平面幾何知識(shí)和正多邊形知識(shí)，學(xué)生能夠算出正多邊形的各個(gè)內(nèi)角大小，也能夠進(jìn)行一定的平面幾何推導(dǎo).筆者認(rèn)為，可拓展設(shè)計(jì)如下問(wèn)題.

拓展問(wèn)題1.在不改變其他器材及其位置的情況下，用如圖5所示幾種正多角棱鏡（橫截面均為正多邊形）替代題中的正方體，當(dāng)棱鏡靜止時(shí)，接收器能夠接收到激光的是

圖5 拓展選項(xiàng)圖

（A）正五角棱鏡. （B）正六角棱鏡.

（C）正七角棱鏡. （D）正八角棱鏡

由于不改變其他裝置及其位置，要讓接收器能夠接收到激光，根據(jù)平面幾何知識(shí)可以得出，兩個(gè)反射面必須垂直，滿足這個(gè)條件的只有（D）選項(xiàng)（正八角棱鏡）.對(duì)于此問(wèn)，如果沒(méi)用幾何知識(shí)合力推理，則很有可能會(huì)選擇（B）選項(xiàng)（正六角棱鏡）.因此，用本問(wèn)能夠較好地診斷學(xué)生是否具備一定的科學(xué)推理能素養(yǎng).

4.2 關(guān)于選項(xiàng)的拓展

原題的第（3）小問(wèn)，或許為了降低難度，正確選項(xiàng)只設(shè)置了一個(gè).根據(jù)第3問(wèn)的描述，光速計(jì)算的理論值為c=8nd/x（x=1、2、3……），只有（A）選項(xiàng)符合題意.為了進(jìn)一步考查學(xué)生的思維能力，可以將第（3）變?yōu)槎噙x題，并將選項(xiàng)改為如下內(nèi)容：

（A）2nd. （B）4nd.

（C）8nd. （D）16nd

如此，答案就不只有一個(gè)了，而是（B）、（C）均可.對(duì)于此問(wèn)，如果認(rèn)為光往返的時(shí)間棱鏡只旋轉(zhuǎn)了90°，則答案不全對(duì)；只有分析到棱鏡有可能轉(zhuǎn)過(guò)90°的整數(shù)倍的角度，才能夠完全答對(duì).修改后的問(wèn)題能夠更好的考查學(xué)生的推理論證能力、實(shí)驗(yàn)探究能力等關(guān)鍵能力.

4.3 關(guān)于過(guò)程的考查

由于題目第（3）小問(wèn)理論上可以計(jì)算出無(wú)數(shù)個(gè)光速值，那么如何明確光速究竟是多少呢？對(duì)此本題并未深究.事實(shí)上，之所以能夠計(jì)算出多個(gè)光速值，就是因?yàn)楣饨?jīng)過(guò)一個(gè)來(lái)回的時(shí)間棱鏡只要轉(zhuǎn)動(dòng)90°的整數(shù)倍就接收器就可以接收到光.因此只要從0開(kāi)始逐漸增大棱鏡的轉(zhuǎn)速，那么接收器第一次接收到激光的時(shí)候，棱鏡必然只轉(zhuǎn)動(dòng)了90°，此時(shí)光速的計(jì)算值就是唯一的了，歷史上邁克爾遜也是如此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的.筆者認(rèn)為，為了進(jìn)一步彰顯科學(xué)推理和考查思維能力，應(yīng)當(dāng)拓展設(shè)計(jì)如下問(wèn)題.

拓展問(wèn)題2.正方體與對(duì)面山頂光反射器間距離用d（單位：m）表示，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)當(dāng)如何操作才能準(zhǔn)確的測(cè)定出光速的具體數(shù)值呢？

答案：從靜止開(kāi)始慢慢加快棱鏡的轉(zhuǎn)速，直到接收裝置再次接收到激光時(shí)，記下此時(shí)的轉(zhuǎn)速為n圈/秒，則光速為8nd.

通過(guò)本問(wèn)，不僅展現(xiàn)了完整的邁克爾遜測(cè)量光速實(shí)驗(yàn)思路，還可以考查學(xué)生的思維能力，并有助于發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，提高邏輯思維、實(shí)驗(yàn)探究等綜合能力.

5 試題啟示

當(dāng)前中學(xué)物理教學(xué)仍然存在重知識(shí)輕能力的現(xiàn)象，不少教師仍采取填鴨式教學(xué)，無(wú)視學(xué)習(xí)興趣的激發(fā)，不顧學(xué)生的認(rèn)識(shí)發(fā)展規(guī)律，機(jī)械地把學(xué)生的思維活動(dòng)帶進(jìn)預(yù)定的軌道，忽視學(xué)生高階思維的發(fā)展.這種教學(xué)自然無(wú)法適應(yīng)如今靈活多變的中考.對(duì)于蘇州中考第28題而言，若單純的考查平面幾何知識(shí)，學(xué)生或許很容易作答，但考查在物理情境中運(yùn)用幾何知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，學(xué)生就不適應(yīng)了，可見(jiàn)學(xué)生學(xué)生從“解題”向“解決問(wèn)題”轉(zhuǎn)變還不夠徹底.

學(xué)習(xí)不僅是知識(shí)技能的相加，還必須使學(xué)習(xí)者具備應(yīng)對(duì)未來(lái)的能力.因此，我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中，應(yīng)注重實(shí)際問(wèn)題的解決，將物理與科學(xué)技術(shù)進(jìn)步、生產(chǎn)生活實(shí)際緊密聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)設(shè)置真實(shí)的問(wèn)題情境，要求學(xué)生能夠在復(fù)雜的、新穎的試題情境下，抓住核心要素構(gòu)建物理模型，綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能解決問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)從“解題”向“解決問(wèn)題”的轉(zhuǎn)變，發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，以便今后更加適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展.