基于物理核心素养培养谈“探究动能定理实验”的考查
——解读《2017年江苏省普通高中考试说明》

解永平

(江苏省句容高级中学,江苏 句容 212400)



·高考命题研究·

基于物理核心素养培养谈“探究动能定理实验”的考查
——解读《2017年江苏省普通高中考试说明》

解永平

(江苏省句容高级中学,江苏 句容 212400)

《2017年江苏省普通高中考试说明》中新增加的实验为“探究动能定理”,本实验将是2017年江苏高考物理学科的必考考点．物理实验教学中应注重基础,教会学生基本实验器材的测量和使用,掌握基本的实验方法,培养学生的物理核心素养,提高学生的科学探究能力．

探究动能定理;物理核心素养;科学探究;速度测量;功的测量

《2017年江苏省普通高中考试说明》已于近日公布,对比2016年的考试说明,物理学科中变化最大的是实验考查中的必考内容,由2016年的8个实验增加为9个实验,增加的实验为“探究动能定理”．根据以往命题“有变动必体现”的规律,在2017年江苏省高考物理试题中考查“实验:探究动能定理”的可能性很大,又因为力学实验只有一个考题,因此我们可以将本实验列为2017年江苏高考物理学科的必考考点．

近几年高考实验题考查内容主要有以下特点： (1) 实验题情景多样,取材广泛,不局限于教材提供的实验方案; (2) 注重基本实验仪器的使用与读数,实验题情景很新颖,但都使用的常规实验器材,例如刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器、打点计时器、电流表、电压表等等; (3) 注重对实验操作过程和对实验数据处理的考查,要求学生具有较强的动手操作能力和分析概括能力．教学过程中使学生掌握基本的实验方法,并在此基础上强调实验创新,即用学生实验中学过的方法去设计实验完成其它物理量的测量,突出对学生实验探究能力的考查．

针对以上两方面的特点,在2017年高三复习过程中,“探究动能定理”可以作为复习的重点,应如何做好本实验的复习?做到有的放矢,以不变应万变．具体做法是注重基础,培养学生的物理核心素养,提高学生的科学探究能力．物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力, 是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质, 是学生科学素养的关键成分,这也是我们通过实验解决物理问题的一般过程．创新探究性实验试题一定是源于教材,但高于教材,在本实验复习时可从物理学科教学的角度出发,教会学生基本实验器材的测量和使用,掌握基本的实验方法,而后由学生思考设计实验方案,以提高学生的物理核心素养和实验素养,做到以不变应万变．

1 实验目的

通过实验探究外力对物体做功与物体速度变化的关系;通过分析实验数据,总结出外力对物体做功与物体速度变化的关系,进而得出外力对物体做功与物体动能增量之间的关系．

实验的步骤主要是通过实验测量出力对物体做的功和物体在此过程中动能增量,再通过数据分析和处理得出两者间的数学关系．因此从原理出发本实验需要测量的物理量有:力对物体做的功和物体动能的增量,实际操作过程中这两个物理量都不是直接测量,力对物体做的功可以利用功能关系和功的定义式W=Fx测量,物体动能增量是通过对物体质量和速度的测量得出．因此复习本实验时不要局限于教材的实验方案,可从功和物体速度这两个物理量的测量入手,使学生掌握基本实验器材的使用和基础实验方法．

2 速度的测量

2.1 速度测量的基本原理

2.2 速度的测量方法

(1) 方法1:利用打点计时器测运动物体的速度.

图1

(2) 方法2:利用频闪照片测运动物体的速度.

图2

(3) 方法3:利用光电门测运动物体的速度.

(4) 方法4:利用平抛运动测运动物体的速度.

图3

3 力对物体做功的测量

3.1 利用功能关系等效替代法测量力对物体做的功

(1) 方法1:利用完全一样的橡皮筋对物体做功.

图4

按如图4所示将实验仪器安装好,同时平衡摩擦力．先用一条橡皮筋做实验,将橡皮筋拉伸到某一位置释放,小车被弹出后在长木板上做匀速直线运动,设此时橡皮筋对小车做的功为W．依次用2条、3条、4条……同一规格的橡皮筋做实验,且每次拉伸的长度相同,则橡皮筋对小车做的功分别为2W、3W、4W……,并测出小车每次匀速运动的速度v,将数据记入表格．

(2) 方法2:利用完全一样的弹簧对物体做功.

图5

在“探究动能定理”的实验中,某实验探究小组的实验装置如图5所示．木块从A点静止释放后,在1根弹簧作用下弹出,沿足够长木板运动到B1点停下,O点为弹簧原长时所处的位置,测得OB1的距离为L1,并记录此过程中弹簧对木块做的功为W．用完全相同的弹簧2根、3根……并列在一起进行第2次、第3次……实验,每次实验木块均从A点释放,则弹簧对木块做的功分别为2W、3W、4W……

3.2 利用功的定义式W=Fx测量力对物体做的功

(1) 方法1:位移不变,改变合力.

图6

图7

案例2:如图7所示,水平桌面上摆放一左端带滑轮的长木板,木板上有一小车,小车的左端与一细线相连,细线的另一端通过滑轮与砝码盘相连．将长木板的左端用垫块垫高,使小车在长木板上做匀速直线运动,即此时小车受到的合外力为0．取下细线后再释放小车,小车在长木板上做匀加速直线运动,此时小车受到的合外力等于之前砝码盘和盘中砝码的总重力．控制两光电门之间的距离不变,通过改变砝码盘和盘中砝码的总重力来改变合外力的大小,进而改变小车通过光电门1和光电门2这段距离合外力做的功W．具体操作上可以使砝码盘和盘中砝码的总重力为G、2G、3G……对应得到合力的功分别为W、2W、3W……

(2) 方法2:外力不变,改变位移.

不同的实验,实验目的不同,但实验方法和采用的实验器材可以相同．图8为“探究加速度和力、质量的关系”的实验装置,图9为“验证机械能守恒定律”的实验装置．学生对这两套实验器材并不陌生,我们可引导学生思考,这两个实验中的小车和重物都是做匀加速直线运动,即运动过程中所受到的合外力是恒定的,合外力不变时,合外力对物体做的功与物体的位移成正比,只需测出物体的位移就可知合外力对物体做的功．我们也可利用这两套实验器材来完成“探究动能定理”的实验,对打出的纸带进行研究,测出物体运动的距离和对应点的瞬时速度,获取多组数据,对多组数据的分析可得出合外力对物体做功与物体动能变化的比例关系．

图8 图9

4 实验方案的设计

4.1 实验方案的设计原则:提高学生的物理核心素养,培养学生科学探究能力

亲身的实验经历能让学生体验科学探究的过程,了解科学研究的方法,有助于提高学生的物理核心素养．物理核心素养主要由“物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任”4个方面的要素构成．实验考查的主要内容是科学探究,科学探究是指提出物理问题,形成猜想和假设,获取和处理信息,基于证据得出结论并做出解释,以及对实验探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力．科学探究主要包括问题、证据、解释、交流、评价等要素．

解决创新探究实验试题的基础是熟练掌握考试说明要求的物理实验,重点是基本实验器材的使用方法和实验中体现的物理思想,例如平衡摩擦力的方法、用重力代替拉力的方法、控制变量的方法、累积法测量微小量的方法、图像探究物理量关系的方法、微小量放大测量的方法、平均值减小误差的方法等等．解决创新探究实验试题的关键是能将学过的实验知识和方法在不同的情境下迁移应用,提高学生运用所学知识解决新问题的能力．

4.2 本实验可能的实验方案

探究动能定理的实验中需要测量的物理量为外力做功和物体的速度,基于高中物理实验中对这两物理量测量器材和方法的掌握,本实验使用基本实验器材组合后,可能的实验方案有: (1) 光电门和气垫导轨; (2) 光电门和长木板、小车; (3) 打点计时器和长木板、小车; (4) 橡皮筋和打点计时器、长木板、小车; (5) 弹簧和打点计时器、长木板、小车; (6) 自由落体运动和频闪照片; (7) 橡皮筋和平抛运动等几种情况．

1 徐卫华.高中物理教学中提升实验素养的实践与反思[J].物理教师,2016(9):22.

2017-01-21)