2022年高考物理江蘇卷第11題的評析、溯源及其拓展
——管窺智能手機在高考實驗題中的應(yīng)用研究

王金兵

(江蘇省南通市天星湖中學(xué))

1 試題解析

【例1】(2022·江蘇卷·11)小明利用手機測量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?實驗場景如圖1所示,他將一根木條平放在樓梯臺階邊緣,小球放置在木條上,打開手機的“聲學(xué)秒表”軟件,用鋼尺水平擊打木條使其轉(zhuǎn)開后,小球下落撞擊地面,手機接收到鋼尺的擊打聲開始計時,接收到小球落地的撞擊聲停止計時,記錄下?lián)舸蚵暸c撞擊聲的時間間隔t,多次測量不同臺階距離地面的高度h及對應(yīng)的時間間隔t。

圖1

(1)現(xiàn)有以下材質(zhì)的小球,實驗中應(yīng)當(dāng)選用________。

A.鋼球 B.乒乓球 C.橡膠球

(2)用分度值為1 mm的刻度尺測量某級臺階高度h的示數(shù)如圖2所示,則h=________cm。

圖2

(3)作出2h-t2圖線,如圖3所示,則可得到重力加速度g=________m/s2。

圖3

(4)在圖1中,將手機放在木條與地面間的中點附近進行測量,若將手機放在地面A點,設(shè)聲速為v,考慮擊打聲的傳播時間,則小球下落時間可表示為t′=________(用h、t和v表示)。

(5)有同學(xué)認為,小明在實驗中未考慮木條厚度,用圖像法計算的重力加速度g必然有偏差。請判斷該觀點是否正確,簡要說明理由。

【解析】(1)小球材料的選擇主要是要考慮空氣阻力等影響,應(yīng)該選用材質(zhì)密度較大的小鋼球,故選A。

(2)刻度尺的分度值為1 mm,估讀到分度值的下一位,由題圖可知h=61.20 cm。

2 試題命題評析及備考啟示

2.1 試題命題意圖

2.1.1 以真實的生活情境為信息載體,考查考生的科學(xué)素養(yǎng)和探究能力。

本題以最受大眾歡迎的智能手機為題目信息載體,具有強烈的親和力和前沿性,激發(fā)考生解題興趣,在緊張嚴肅的高考情境中送來一絲暖意。使用手機的“聲學(xué)秒表”軟件,從名稱上一目了然,考生不難理解。本題以科學(xué)探究為主線,給出實驗步驟和圖像,通過圖像進行數(shù)據(jù)處理,從而解決物理問題,考查考生獲取和處理信息的科學(xué)素養(yǎng)和探究能力。

2.1.2 聯(lián)系生活實際,運用高科技手段,考查考生的科學(xué)思維和學(xué)科關(guān)鍵能力。

本題主要考查考生的關(guān)鍵能力有器材讀數(shù)能力、公式變形能力、圖像處理能力,同時還有較高層次的理解能力和推理論證能力?？疾榭忌茖W(xué)思維中的科學(xué)推理和科學(xué)論證等學(xué)科素養(yǎng)。使用這個軟件,順利解決了在實驗中不能準確測量時間的難題。

2.1.3 彰顯“立德樹人、引導(dǎo)教學(xué)、服務(wù)選材”的高考核心功能,發(fā)揮高考的引領(lǐng)作用。

測定重力加速度是必做實驗,本題用手機和身邊的物品進行實驗,并沒有利用課堂上提供的常規(guī)器材,引導(dǎo)考生在新情境、新器材中解決問題,考查知識遷移和創(chuàng)新能力,凸顯高考的三大核心功能。

2.2 設(shè)計思路

本題以手機為信息載體,一改現(xiàn)有的陳題中利用手機拍攝照片或視頻來處理實驗的題目情境,將手機視頻處理改為聲音處理,具有創(chuàng)新性。對實驗?zāi)芰Φ目疾椴荒芫窒抻谒烙浻脖?要考查出考生的動手能力和切合實際的思維能力,因此設(shè)計出第(1)小問要求考生選擇恰當(dāng)?shù)男∏?考生需要考慮減小阻力對實驗的影響從而選擇鋼球。測量類實驗器材的讀數(shù)是實驗?zāi)芰疾榈幕疽?因此設(shè)計出第(2)小問,這個小題屬于送分題。第(3)小問圖像題是高考實驗的基本能力考點,由圖像的縱坐標(biāo)、橫坐標(biāo)要能聯(lián)想出基本公式,從而明白圖像的意義。圖像題一般要求考生把握住圖像的縱坐標(biāo)、橫坐標(biāo)的意義,圖像的斜率、截距、交點、面積、變化趨勢等問題,而本題考的是常見斜率問題。會對基本公式進行變形,這也是實驗的基本能力之一。第(4)小問時間的計算,知道聲音傳播的時間和小球下落的時間,考生要厘清他們的關(guān)系從而求解。要解決第(5)小問必須能夠真正理解斜率的意義,考查的難度有所提升,體現(xiàn)高考題的人才選拔功能。理解厚度只會影響圖像的截距,并不會影響斜率,所以對實驗的測量沒影響。這道實驗題情境新、考查的能力點不難,有一定的思維深度,體現(xiàn)核心素養(yǎng)的考查。

2.3 備考啟示

2.3.1 加強對手機應(yīng)用APP的研究,更要重視其中與物理生活密切相關(guān)的軟件,多反思其與物理題目中高考知識點的關(guān)聯(lián),在命制模擬題時有針對性地訓(xùn)練,讓考生對手機APP在高考中的可能運用有更進一步的認識。

2.3.2 在日常實驗復(fù)習(xí)教學(xué)中,要多研究新課標(biāo),多反思新高考的理念,對全國各地近幾年的新高考實驗題,進行分析和拓展反思,特別是有關(guān)高科技情境的題目,進而探討分析實施實驗教學(xué)的有效策略。多讓考生動手去做實驗,多啟發(fā)考生思考實驗,創(chuàng)新實驗方案,而不是空講實驗、死記常規(guī)實驗。

2.3.3 多加強常規(guī)實驗的操作與創(chuàng)新,訓(xùn)練基本實驗?zāi)芰蛯W(xué)科關(guān)鍵能力。在經(jīng)典的實驗學(xué)習(xí)中探索新情境、設(shè)計更貼近生活熱點的實驗,巧妙創(chuàng)設(shè)問題鏈,引導(dǎo)考生發(fā)散思維與深度思考,強化關(guān)鍵能力的培養(yǎng)。對實驗問題情境信息的呈現(xiàn)方式力求新穎化、多樣化,訓(xùn)練在新穎奇特的信息呈現(xiàn)方式下進行有用信息的科學(xué)解讀和轉(zhuǎn)化,培養(yǎng)考生的信息加工能力。

2.3.4 多研究高考試題對復(fù)習(xí)的引領(lǐng)和導(dǎo)向作用。從本題管窺發(fā)現(xiàn)2022年江蘇高考物理卷依托高考評價體系,聚焦物理學(xué)科主干內(nèi)容,體現(xiàn)操作性、創(chuàng)新性、生活性等特點,加強學(xué)科關(guān)鍵能力的考查,突出體現(xiàn)對物理觀念,科學(xué)思維,科學(xué)探究的考查,在命題導(dǎo)向中彰顯物理學(xué)科核心素養(yǎng),對今后的復(fù)習(xí)起到正確的引導(dǎo)作用。

3 試題溯源與分析

3.1 試題溯源

【例2】(2021·山東卷·13)某乒乓球愛好者,利用手機研究乒乓球與球臺碰撞中能量損失問題的情況。實驗步驟如下：

①固定好手機,打開錄音功能;

②從一定高度由靜止釋放乒乓球;

③手機記錄下乒乓球與臺面碰撞的聲音,其隨時間(單位：s)的變化圖像,如圖4所示。

圖4

根據(jù)聲音圖像記錄的碰撞次序及相應(yīng)碰撞時刻,如下表1：

表1

根據(jù)實驗數(shù)據(jù),回答下列問題：

(1)求出球第3次碰后乒乓球的彈起高度為________m(保留2位有效數(shù)字,當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭=9.80 m/s2)。

(2)設(shè)碰撞前瞬間速度大小與碰后瞬間速度大小的比值為k,則每次碰撞損失的動能是碰撞前動能的________(用k表示)倍,第3次碰撞過程中k=________(保留2位有效數(shù)字)。

(3)由于存在空氣阻力,第(1)問中彈起高度________(填“高于”或“低于”)實際彈起高度。

3.2 溯源分析

2021年山東卷第13題與2022江蘇卷第11題高度相似,都是以手機為信息載體,不拘泥于課本實驗。時間的獲得均來源于手機聲音文件,改變現(xiàn)有陳題中用手機視頻來做數(shù)據(jù)處理的方式,立足生活中的真實情境來考查物理知識,抓牢考生的好奇心和時代熱點,發(fā)揮育人導(dǎo)向作用。都是研究小球下落過程。充分利用手機,考查在新情境中的解題能力和創(chuàng)新能力。都是考查自由落體運動、勻變速運動的規(guī)律靈活運用情況,聯(lián)系生活實際和現(xiàn)代科技,考查科學(xué)探究能力。山東卷采用手機錄音方式記錄下落過程,然后對聲音文件進行分析,從聲音文件的波形圖上找到各階段準確時間,江蘇卷更好地利用智能手機能夠安裝APP的特點,別出心裁地選用“聲學(xué)秒表”軟件。情境上唯一的變化是下落后是否研究反彈過程。山東卷考查了時間及能量問題,江蘇卷只考了時間問題,將題目難度下調(diào),一改江蘇高考物理試卷難度很大的局面。江蘇卷充分考查了圖像的斜率問題。兩道題的具體考查對比如表 2所示。

表2

3.3 溯源啟示

3.3.1 要轉(zhuǎn)變實驗教學(xué)理念,明確高考對關(guān)鍵能力的考查要求。

實驗教學(xué)基于基本技能,但更要立足運用身邊的物品來探究實驗,體現(xiàn)創(chuàng)新性的要求,上述兩道試題都是聯(lián)系生活,運用科學(xué)技術(shù),注重時代性。利用手機、乒乓球等考生身邊熟悉的器材,考查考生的物理學(xué)科核心素養(yǎng),發(fā)揮考題對日常教學(xué)的導(dǎo)向作用。

3.3.2 要重視歷年高考題中新情境題目的分析,特別是關(guān)乎社會熱點及高科技產(chǎn)品的運用。

日常備考復(fù)習(xí)中,對涉及的相關(guān)歷年高考題,多分析反思,多揣摩相關(guān)的可能命題點,并運用到復(fù)習(xí)備考的模擬訓(xùn)練中去,讓考生熟悉新情境,感悟高科技。

3.3.3 要重視命題者對歷年高考試題尤其是高考新題的溯源工作,挖出潛在的考點。

領(lǐng)會命題人的意圖,切合高考對核心素養(yǎng)的考查要求,重視關(guān)鍵能力的培養(yǎng)和科學(xué)思維方法的分析。在學(xué)習(xí)物理的做題過程中出錯是難免的,重要的是找到出錯的根源,學(xué)會從追溯到最初的觀察和實驗、追溯到新舊知識的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。另外,在中學(xué)物理教學(xué)過程中,要重視模型、規(guī)律和方法的溯源,從而為知識的融會貫通打下堅實的基礎(chǔ)。領(lǐng)會高考卷起到的正本清源、培元固本的積極導(dǎo)向作用。

4 試題拓展

智能手機運用到物理實驗與高考考查中,這是與時俱進的表現(xiàn),現(xiàn)代社會手機使用頻率非常高,運用范圍非常廣。在2022年各地高考試卷中,除了江蘇卷第11題外,其他地區(qū)的高考卷也有考查,比如2022年北京卷第16題,用手機作為計時工具,2022年全國乙卷第18題,在手機上安裝磁傳感器APP來測量磁場等等,各地模擬試題中關(guān)于手機的題目更是數(shù)不勝數(shù)。

拓展1：分析彈簧振動。將智能手機作為振子隨著彈簧一起在豎直方向上運動,利用智能手機加速度傳感器Accelogger軟件記錄振動過程中三維空間的加速度,并作出圖像。通過分析加速度隨時間的變化曲線,再結(jié)合彈簧做簡諧運動的相關(guān)理論求出在單個彈簧和多個彈簧串聯(lián)兩種情況下的振動周期、勁度系數(shù)和重力加速度。

拓展2：測量向心加速度和角速度?；谑謾C內(nèi)置加速度傳感器與陀螺儀,使用“SPARKvue” “Sensorkinetics”兩款手機軟件。在距轉(zhuǎn)軸兩側(cè)相同距離的地方固定兩部手機,手機的轉(zhuǎn)動半徑不變。兩部手機分別安裝SPARKvue軟件和SensorKinetics 軟件來記錄向心加速度和角速度的大小。將記錄的數(shù)值導(dǎo)入Excel中進行數(shù)據(jù)處理與分析。本方案突破了僅僅通過理論推導(dǎo)向心加速度表達式的局限,切實促進考生核心素養(yǎng)能力的提升。

拓展3：研究二維光柵衍射。手機屏幕的像素點陣可以視為二維光柵,當(dāng)激光入射時,會產(chǎn)生類似簡單晶格衍射的圖樣。實驗引入了手機軟件phyphox進行光路的共軸調(diào)節(jié),提高了測量精度,此處不再贅述。

拓展4：測速度。

【例3】(2022·河北省期末考試)某品牌手機配置有速度傳感器,可以測定手擺動的速度。某同學(xué)手握手機,手臂伸直,以肩為軸自然下擺,手機顯示,手臂先后兩次擺到豎直方向時的速度大小之比為k(k>1)。若手機的質(zhì)量不可忽略,不計空氣阻力,則手臂這兩次擺到豎直位置時,手機受到手豎直方向的作用力大小之比 ( )

A.為kB.為k2

C.大于k2D.小于k2

5 結(jié)語