2020年高考物理全國卷Ⅱ理綜第22題賞析

◇ 陜西 劉振和 王曉輝

實驗題是歷年高考的重點,體現了高考對高中實驗教學的要求和導向．研讀高考實驗題可以發現高考命題的基本特征和最新動向,有利于更高效、更有針對性地展開實驗教學,有利于指導學生更高效地進行高考復習和備考．

1 真題呈現

例(2020年全國卷Ⅱ理綜第22題,簡稱真題)一細繩跨過懸掛的定滑輪,兩端分別系有小球A 和B,如圖1 所示．一實驗小組用此裝置測量小球B 運動的加速度．令兩小球靜止,細繩拉緊,然后釋放小球,測得小球B 釋放時的高度h0＝0.590m,下降一段距離后的高度h＝0.100m;由h0下降至h 所用的時間T ＝0.730s．由此求得小球B 加速度的大小為a＝_____m·s－2(保留3位有效數字)．

圖1

從實驗室提供的數據得知,小球A、B 的質量分別為100.0g和150.0g,當地重力加速度g 為9.80 m·s－2．根據牛頓第二定律計算可得小球B 加速度的大小為a′＝______m·s－2(保留3位有效數字)．

可以看出,a′與a 有明顯差異,除實驗中的偶然誤差外,寫出一條可能產生這一結果的原因:______．

答案1.84;1.96;滑輪的軸不光滑(或滑輪有質量)．

解析以B 小球為研究對象,由運動學公式可得,得a≈1.84m·s－2．

對A、B 兩個小球用整體法分析有

解得a′＝1.96m·s－2．

在運動過程中,滑輪的軸不光滑或滑輪本身有質量等因素都會引起加速度偏小,所以導致了a′與a 有明顯差異．

2 真題賞析

2.1 立意高遠

從表面看,該題是考查運動學公式和牛頓第二定律的應用,是動力學兩類基本問題的計算;但實際上,該題牢牢抓住了物理實驗的根本內涵,即“設計—驗證—得出結論—誤差分析”這一驗證物理理論的基本模式．為了求出B 小球的加速度,命題者設計了兩種方案:一是利用測出的位移、時間數據,根據運動學公式求出加速度;二是對物體進行受力分析,用給定的質量和重力加速度,通過牛頓第二定律求出加速度．最后進行誤差分析,以證明二者在誤差允許范圍內相等,驗證牛頓第二定律可以求解加速度．

與以往命題明顯不同的是,命題者一改利用打點計時器、光電門等進行實驗的常規考查方式,采用運動學和動力學兩種計算方式分別求出加速度,可認為動力學計算是理論分析,運動學測量是實驗驗證,最終二者在誤差允許范圍內相等．這樣的做法,一方面體現了物理學研究中理論推理與實驗驗證相結合的基本科學方法;另一方面,也體現了命題不僅僅局限于對實驗操作能力的考查,還注重對實驗思維能力的考核．

仔細品讀該題還可以感受到,該題涉及的實驗情境雖然簡單,但還可以拓展延伸,比如求解物體從h0降至h 時的瞬時速度、瞬時動能等．看似平常的實驗考查對學生來說卻很有啟發,能使學生認識到日常生活中的簡單現象也是我們應該關注的,引導他們觀察生活現象,積極思考探索其中的物理原理,鉆研解決生活中遇到的問題．同時,該題涉及的實驗場景并非理想化,如是“細繩”而不是“輕繩”,未說明滑輪有無質量,未說明滑輪與細繩是否打滑等,并且沒有利用打點計時器、光電門等專業儀器(從題意來看,使用的應當是停表和刻度尺),這就啟發學生可以利用身邊的工具去探索知識,在思考中學會研究物理問題．

2.2 來源教材

該題是課本實驗的變式,來源于人教版高中物理《必修2》教材第5 章第6 節“向心力”一節中的實驗——用圓錐擺粗略驗證向心力的表達式．

圖2

從圖2可以看出,“用圓錐擺粗略驗證向心力的表達式”也是一個驗證性實驗,利用簡單的工具,如停表和刻度尺測出鋼球做勻速圓周運動的周期和半徑,用運動學公式計算出向心力．再對小球進行受力分析,得出向心力的表達式,代入鋼球質量和夾角(可用刻度尺測出懸掛點到紙面的距離和半徑),計算出加速度,最后進行比較驗證．可以說,課本上的這個實驗和這道真題有異曲同工之妙,二者都是從運動學和力學兩個角度對物理量進行探究,都利用了身邊簡單的工具,實驗中都有誤差,都體現了對物理思維和研究方法的滲透．二者的不同之處在于,一個研究的是加速度,一個研究的是力;一個研究的是直線運動,一個研究的是曲線運動．但從牛頓第二定律的角度來思考,加速度與合外力存在對應關系,同時牛頓第二定律不僅適用于直線運動也適用于曲線運動．因此,命題的角度和意識與課本是一脈相承的,該題來源于課本,又不拘泥于課本,考查靈活,頗具匠心．

2.3 研究方法的多樣性和靈活性

真題中第一空加速度的計算,以小球B 為研究對象,用運動學公式代入數值可以算出加速度．第二空對小球B 的加速度a′的計算既可以對小球A、B 隔離分析研究,也可以整體研究,但都是運用牛頓第二定律．

也就是說,真題中計算加速度這個物理量用到兩種重要的實驗思路,沒有從單一角度入手,采用不同的原理和手段測量同一物理量．這也是研究物理問題、探究物理規律的常用方法,希望做到多條思路殊途同歸,方法和規律相互檢驗、相互印證．

2.4 答案設置的開放性

本題第三空是一個開放性問題,答案可以有很多,原題所給答案是滑輪的軸不光滑(或滑輪有質量),其實還可以有空氣阻力的影響、滑輪不光滑等使系統所受合外力不是mBg－mAg 的因素．

2.5 探究過程的科學性

真題中探究牛頓第二定律的正確性,所用的方法是運用運動學公式得到加速度以及根據牛頓第二定律算出加速度的對照法．本質上講,第一種方法是實驗探究,第二種方法是理論探究,這樣的設置符合科學理論研究方法的科學性．另外,本實驗的數據處理也體現出科學性,如合理設置有效數字位數,便于分析對照．此外,題目還要求學生做誤差分析,進一步引導學生進行全面的科學探究,分析產生誤差的客觀原因,體現出問題研究的科學性．

3 對教學和備考的啟示

3.1 依托教材,夯實基礎

物理教學要以教材為基礎,教師要多研讀教材,引導學生重視教材,充分挖掘教材的多方面教育功能,深入學習理論知識和思想方法．

3.2 關注核心,突出重點

教學中一定要抓住核心知識,理解和掌握核心知識．對核心知識要理解得透、運用得熟．比如運動學公式、牛頓運動定律、動能定理這些物理學大廈中的骨干知識,都要通過多種方法準確、熟練掌握．教學中要突出核心知識的重要地位,強調它們對一般知識的引領和帶動作用,引導學生構建適合個人特點的知識網絡．

3.3 梳理知識,積累技巧

方法的學習和知識的梳理是高中物理學習的一個重要任務．掌握科學解題的方法,比如整體法、隔離法、假設法、臨界分析法等,對學習物理是非常重要的．以此為基礎,才能優選方法,解決問題才會思路開闊、主動靈活．在學會方法的基礎上,不斷積累解決問題的技巧,解決問題時才會游刃有余．

3.4 開拓思路,提升能力

物理學是一門以實驗為基礎的學科,物理學表達的定律往往是通過實驗探索得出的,因此實驗題最能體現學科特點,最具活力與創造力．教師在教學中要引導學生開拓思路,提升自己的實驗能力,并以此為依托培養學生的科學建模、分析綜合、應用數學知識解決物理問題等多種能力．