以2020年全國Ⅰ卷23題為例談核心素養中“科學思維”的培養

四川

在物理學科核心素養的“科學思維”中，“提出問題”以及“提出質疑”是一種非常重要的能力。因而對考生發現問題、提出問題并加以論證解決等科學思維的考查是高考很重要的內容。物理作為實驗科學，高考中的力學實驗題對學生科學思維的考查體現得淋漓盡致，并且用力學實驗中(如圖1所示)的裝置可以探究、驗證不同的力學規律。如果研究得不夠深入，學生在分析力學實驗問題中就會存在不少疑惑。本文以2020年全國Ⅰ卷23題為切入點分析解答用同一裝置探究、驗證不同物理規律時學生的幾點疑惑。

(2020·全國Ⅰ卷)某同學用如圖1所示的實驗裝置驗證動量定理，所用器材包括：氣墊導軌、滑塊(上方安裝有寬度為d的遮光片)、兩個與計算機相連接的光電門、砝碼盤和砝碼等。實驗步驟如下：

圖1

(1)開動氣泵，調節氣墊導軌，輕推滑塊，當滑塊上的遮光片經過兩個光電門的遮光時間________時，可認為氣墊導軌水平；

(2)用天平測砝碼與砝碼盤的總質量m1、滑塊(含遮光片)的質量m2；

(3)用細線跨過輕質定滑輪將滑塊與砝碼盤連接，并讓細線水平拉動滑塊；

(4)令滑塊在砝碼和砝碼盤的拉動下從左邊開始運動，和計算機連接的光電門能測量出遮光片經過A、B兩處的光電門的遮光時間Δt1、Δt2及遮光片從A運動到B所用的時間t12；

(5)在遮光片隨滑塊從A運動到B的過程中，如果將砝碼和砝碼盤所受重力視為滑塊所受拉力，拉力沖量的大小I=________，滑塊動量改變量的大小Δp=________；(用題中給出的物理量及重力加速度g表示)

(6)某次測量得到的一組數據：d=1.000 cm，m1=1.50×10-2kg，m2=0.400 kg，Δt1=3.900×10-2s，Δt2=1.270×10-2s，t12=1.50 s，取g=9.80 m/s2。計算可得I=________N·s，Δp=________kg·m·s-1；(結果均保留三位有效數字)

本題考查用圖1裝置驗證動量定理，實際上，此裝置還可以用于探究加速度與力、質量的關系，驗證動能定理，驗證機械能守恒等等。

一、探究、驗證不同力學規律的實驗原理及方法簡介

圖2中滑塊的質量為M，砝碼盤和砝碼的總質量為m，繩子對滑塊的拉力為F。

圖2

對砝碼盤和砝碼有mg-F=ma

對滑塊有F=Ma

(一)驗證動量定理

(二)探究加速度與力、質量的關系(驗證牛頓第二定律)

1.當滑塊質量M一定時，可通過改變砝碼盤和砝碼的總質量(改變拉力F)從而改變加速度a來探究合外力與加速度的關系。

2.當滑塊所受合外力一定(砝碼盤和砝碼的總質量不變)，可改變滑塊的質量M從而改變加速度a來探究加速度與滑塊質量的關系。

(三)驗證動能定理

(四)驗證機械能守恒

二、探究、驗證不同力學規律存在的幾點疑惑及釋疑

疑惑一：在探究、驗證哪些力學規律，什么情況下需要砝碼盤和砝碼的總質量m遠遠小于滑塊的質量M？

(一)在驗證動量定理，探究加速度與力、質量的關系，驗證動能定理的實驗時，要根據實際情況分析。

1.需要m?M。

用圖2裝置驗證動量定理，探究加速度與力、質量的關系，驗證動能定理的實驗中，需要用砝碼盤和砝碼的總重力mg代替繩子的拉力(即F=mg)，可以通過以下分析過程得到要使F=mg的條件。

2.不需要m?M。

若圖2中繩子和滑塊通過力的傳感器連接時，這時無論m是否遠遠小于M，都可以直接通過力的傳感器得到繩子的拉力大小。

(二)驗證機械能守恒時不需要m?M

疑惑二：探究、驗證不同規律時，描點作出的兩個物理量的關系圖像是否成線性變化關系的問題?

(一)當滑塊質量M一定，a-F的關系圖像是否成線性關系？

圖3

圖4

實驗過程中我們在處理數據描點作a-F的關系圖像時，繩子的拉力F的值是使用mg代替的，現可推出圖像的表達式：

當滑塊質量M一定，在增大F時，實際增大的是砝碼盤和砝碼的總質量m，m增大有兩個階段：m遠遠小于M和m不再遠遠小于M。

1.砝碼盤和砝碼的總質量m遠遠小于滑塊質量M時，a-F的關系是線性變化關系

2.砝碼盤和砝碼的總質量m不滿足遠遠小于滑塊質量M時，a-F的關系是非線性變化關系

3.當圖2中繩子和滑塊通過力的傳感器連接時，a-F的關系圖像成線性變化關系

(二)驗證動能定理，-W合關系圖像是否成線性變化關系

圖5

圖6

(3)當圖2中繩子和滑塊通過力的傳感器連接時，圖像成線性變化關系。

2.保持滑塊的拉力F(即砝碼盤和砝碼的總質量m)不變，調整B點光電門的位置改變A、B間的距離xAB。