2021年江蘇高考物理第11題的賞析與思考

蔣 鑫

（江蘇省溧陽中學(xué)，江蘇常州 213300）

1 原題再現(xiàn)

例題.（2021年江蘇高考物理第11題）小明利用如圖1所示的實驗裝置驗證動量定理.將遮光條安裝在滑塊上，用天平測出遮光條和滑塊的總質(zhì)量M=200.0g，槽碼和掛鉤的總質(zhì)量m=50.0g.實驗時，將滑塊系在繞過定滑輪懸掛有槽碼的細線上.滑塊由靜止釋放，數(shù)字計時器記錄下遮光條通過光電門1和2的遮光時間Δt1和Δt2，以及這兩次開始遮光的時間間隔Δt，用游標卡尺測出遮光條寬度，計算出滑塊經(jīng)過兩光電門速度的變化量Δv.

圖1

（1）游標卡尺測量遮光條寬度如圖2所示，其寬度d=______mm；

圖2

（2）打開氣泵，待氣流穩(wěn)定后調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌，直至看到導(dǎo)軌上的滑塊能在短時間內(nèi)保持靜止，其目的是________；

（3）多次改變光電門2的位置進行測量，得到Δt和Δv的數(shù)據(jù)如表1，請根據(jù)表中數(shù)據(jù)，在圖3所示方格紙上作出圖線_________；

圖3 圖線

（4）查得當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭=9.80 m／s2，根據(jù)動量定理，圖線斜率的理論值為_________m／s2；

（5）實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，圖線斜率的實驗值總小于理論值，產(chǎn)生這一誤差的兩個可能原因是________.

（A）選用的槽碼質(zhì)量偏小.

（B）細線與氣墊導(dǎo)軌不完全平行.

（C）每次釋放滑塊的位置不同.

（D）實驗中Δt的測量值偏大.

表1__滑塊經(jīng)過兩光電門的Δv及Δt

2 試題分析

2.1 命題意圖

試題以驗證動量定理為命題背景，設(shè)問考查基本儀器的讀數(shù)、氣墊導(dǎo)軌的使用、圖像的描繪、運用定理分析圖像的斜率、處理實驗數(shù)據(jù)及實驗誤差的分析等實驗?zāi)芰?著重突出以能力為主導(dǎo)，兼顧對“運用線性關(guān)系處理數(shù)據(jù)法、整體法和隔離法”等思想方法的考查，突出對學(xué)生基于科學(xué)思維的科學(xué)探究素養(yǎng)的考查.

2.2 試題特點

2.3 解題技巧

（1）游標卡尺的讀數(shù)應(yīng)當(dāng)?shù)扔谥鞒呱系恼撩着c主尺和游標尺對齊的格數(shù)乘以精確度兩部分之和，不難看出主尺的整毫米數(shù)為10mm，主尺與游標尺第4 條線對齊，游標尺為20分度，故游標卡尺的讀數(shù)為10mm+4×0.05mm=10.20mm.

（2）滑塊調(diào)節(jié)穩(wěn)定后，即表明氣墊導(dǎo)軌水平.

（3）根據(jù)表格中所采集的數(shù)據(jù)在坐標紙中先描點，再連成直線（盡量讓大多數(shù)點在直線上，實際擬合時可以讓點均勻分布在直線兩側(cè)），如圖4所示.

圖4 圖線

（4）設(shè)繩中拉力為F，忽略空氣和導(dǎo)軌對滑塊的阻力，對滑塊應(yīng)用動量定理有

因槽碼和掛鉤通過繩與滑塊相連，同一時刻兩者速度大小相等，故槽碼和掛鉤與滑塊有相同的速度增量Δv，在忽略滑輪摩擦和槽碼所受空氣阻力時，對槽碼和掛鉤應(yīng)用動量定理有

由（1）（2）式消去F可得

整理此式得

3 試題賞析

試題的亮點在于驗證動量定理時具有器材裝備的經(jīng)典性、考查內(nèi)容的層次性、科學(xué)方法的融合性、驗證方案的創(chuàng)新性及實驗結(jié)果的準確性等顯著特點，簡要闡述如下.

器材裝備的經(jīng)典性.用槽碼借助于細繩拉滑塊這一裝置圖在物理中非常經(jīng)典，研究小車速度隨時間變化規(guī)律實驗、測定勻變速直線運動加速度實驗、探究加速度與力、加速度與質(zhì)量實驗、驗證動能定理實驗及驗證系統(tǒng)機械能守恒定律實驗等眾多經(jīng)典實驗都用到此類裝置圖.試題以此裝置圖驗證動量定理，學(xué)生并不感覺陌生，具有很強的代入感，顯示出經(jīng)典性的優(yōu)勢.

考查內(nèi)容的層次性.試題注重對學(xué)生基本實驗技能的考查.如游標卡尺的讀數(shù)、滑塊調(diào)節(jié)平衡的目的、圖像的描繪等基本實驗技能都設(shè)問進行了考查，確保學(xué)生拿到一定的分值.與此同時，試題設(shè)問考查圖線斜率的理論值及在此基礎(chǔ)上的誤差分析，顯然是對學(xué)生運用此種驗證方法的實質(zhì)進行深層次的考查.考生如不能領(lǐng)悟到“通過比較繪出的圖線的實際斜率值（即斜率的實驗值）與圖線斜率的理論值的方法驗證動量定理”，便不能準確解答第4 和第5 小問，從這一角度看，試題的命制體現(xiàn)出一定的層次性，顯示出較好的區(qū)分度.

驗證方案的創(chuàng)新性.眾所周知，傳統(tǒng)的驗證動量定理的方法都從獲得研究對象所受合外力對時間的沖量及研究對象動量的變化量兩方面驗證，設(shè)問時都圍繞得出合力對時間的沖量Ft及研究對象的增量mΔv兩方面展開.以合力沖量Ft的得出為例，可以借助探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的實驗裝置，平衡摩擦力后，在小車質(zhì)量遠大于槽碼質(zhì)量的情形下，以槽碼重力近似代替小車合力的方法得出合力，再通過數(shù)字計時器測出相應(yīng)過程所用時間從而得出合力的沖量.然而，2021年江蘇高考第11題這道驗證動量定理的實驗題在驗證方案上打破了傳統(tǒng)的驗證方法，代之以當(dāng)前較為流行的運用線性關(guān)系中的圖像斜率法進行驗證.根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)描繪出線性圖線，計算圖線的斜率作為實驗值，再根據(jù)系統(tǒng)的動量定理推導(dǎo)出斜率的理論值，通過比較實驗值與理論值進行驗證，彰顯創(chuàng)新性.

實驗結(jié)果的準確性.凡實驗必有誤差，而誤差又分系統(tǒng)誤差和偶然誤差，以驗證動量定理這一實驗為例，若按傳統(tǒng)的實驗方法驗證，在獲得研究對象的合力沖量這一物理量時，先要測出研究對象的合力.以試題中的實驗裝置為例，常見的處理方法是將槽碼的重力近似替代繩中的拉力，而這一替代的前提必須要滿足滑塊的質(zhì)量M遠遠大于槽碼及掛鉤的總質(zhì)量m，顯然無論怎樣遠大于，槽碼及掛鉤的總重力mg必定大于繩中的拉力（試題中繩中拉力僅為槽碼及掛鉤重力mg的0.8倍）.這便是系統(tǒng)誤差的來源.然而利用試題中的驗證方案（通過比較繪出的圖線的實際斜率，即斜率的實驗值與圖線斜率的理論值的方法驗證動量定理）便很好地回避了這一系統(tǒng)誤差，表明這種驗證方案更加準確.對于偶然誤差，例如數(shù)字計時器采集的時間，在此基礎(chǔ)上計算出的速度增量Δv必然產(chǎn)生偶然誤差.誤差理論表明，當(dāng)兩物理量之間存在一一對應(yīng)的線性關(guān)系時，運用采集到的數(shù)據(jù)描點并擬合成一條直線，便能有效地減小這種偶然誤差，可見試題中利用畫線性圖線來驗證動量定理的方法可以很好地減小偶然誤差，提高結(jié)果的準確性.

4 思考與啟示

4.1 對試題的引導(dǎo)思路思考

4.2 對試題中圖像斜率的理論值思考

對槽碼與掛鉤應(yīng)用動量定理其方程式不再是本文所列的（2）式，而應(yīng)當(dāng)修正為

聯(lián)立（4）、（5）式可得

（6）式中f阻、f阻′分別表示滑塊及槽碼的阻力.顯然（6）式是在忽略繩與滑輪間摩擦、考慮滑塊和槽碼所受阻力的前提下斜率的近似理論值，依然是一種近似.（6）式表明斜率的理論值與兩者所受阻力有一定的關(guān)系，這兩阻力非常小且表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，故很難將其測定得出，因而圖線斜率的理論值永遠是一個無法獲取的值.從這個角度看，建議試題在文字表述時應(yīng)當(dāng)將相關(guān)影響因素交代清楚以顯示其嚴謹性.

4.3 對一線教師課堂教學(xué)與復(fù)習(xí)的啟示思考

作為新一輪高考改革的首屆考生，江蘇省2021屆高考考生面對的是新高考、老教材的特殊局面.老教材新高考是本屆高考物理考查最大的特點.新高考對選修模塊的考查完全打破了傳統(tǒng)的考查方式，考查內(nèi)容之多（必修1、必修2、選修3-1、3-2、3-3、3-4、3-5共7本書內(nèi)容）、考查方式之靈活、考查面之廣泛（不分選修與必修，所有內(nèi)容均為必考內(nèi)容）是江蘇新高考物理學(xué)科的主要特點.2021江蘇新高考物理試題的命制成功地落實了“高考對學(xué)生必備知識、關(guān)鍵能力、學(xué)科素養(yǎng)的全面考查及對一線物理課堂教學(xué)的正確導(dǎo)向作用”這一目標，這在全卷和部分試題的命制上體現(xiàn)得淋漓盡致.以全卷的第11題為例，動量定理內(nèi)容隸屬于老教材中的3-5模塊內(nèi)容，江蘇傳統(tǒng)的考查方式中僅在全卷中固定題號的選考部分設(shè)問考查，一般分值不高，且動量部分的考查以動量守恒定律為主，動量定理屬于冷門考點，較少設(shè)問考查，即使考查，也不可能以實驗題的形式予以考查.江蘇高考實驗題的命題風(fēng)格10多年來一直非常穩(wěn)定，“一力一電”兩道實驗題，力學(xué)部分通常在“探究平行四邊形定則、探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系、驗證機械能守恒定律、測定動摩擦因數(shù)”等經(jīng)典力學(xué)實驗中設(shè)問考查.電學(xué)部分通常在選修3-1恒定電流一章中“伏安法測電阻、描繪燈泡的伏安特性曲線、測電池電動勢和內(nèi)阻、測定金屬的電阻率”等電學(xué)實驗中設(shè)問考查，考查內(nèi)容和形式非常穩(wěn)定，實驗題考查選修模塊從未出現(xiàn)過，而新高考的第1次突破就在實驗題部分，將老高考中不可能出現(xiàn)的考查內(nèi)容和考查方式在新高考中重點考查.這一創(chuàng)舉要求我們一線教師在教學(xué)過程中及時轉(zhuǎn)變思維習(xí)慣，革新復(fù)習(xí)備考方法.一切皆有可能，不可投機取巧，不要抱有“這個恐怕不考，那個可能也不會考，所以這些內(nèi)容就不講或不復(fù)習(xí)”的應(yīng)試思想，這與新一輪高考改革的理念完全背道而馳，萬萬要不得.

5 結(jié)束語

物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，物理現(xiàn)象、物理規(guī)律通常都由實驗呈現(xiàn)，因而培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰κ俏锢斫虒W(xué)中非常重要的內(nèi)容.學(xué)生設(shè)計實驗、操作實驗、分析實驗、處理數(shù)據(jù)及誤差分析等實驗技能究竟掌握得如何，需要對學(xué)生進行現(xiàn)場式操作考查，然而受條件限制，對學(xué)生進行實驗的現(xiàn)場式實際操作考查非常困難.近年來有些省份對考生進行現(xiàn)場操作式的實驗考查耗費了大量人力、物力和財力，而且只局限于學(xué)業(yè)水平合格性過關(guān)的考查，多數(shù)依然流于形式，很難達到預(yù)期效果.長期以來，高考對考生實驗?zāi)芰Φ目疾槿酝Ａ粼诩埞P測試階段.這一考查方式存在一定的局限性，例如學(xué)生在日常學(xué)習(xí)過程中究竟有沒有走進實驗室切切實實地做實驗？或?qū)W生即使做了新課標所規(guī)定的必做實驗，學(xué)生的實驗水平達到什么樣的程度？紙筆測試無法達到檢測學(xué)生真實實驗水平的效果，相反，學(xué)生只要多刷題便可輕松應(yīng)付考試，顯然這不利于學(xué)生物理核心素養(yǎng)的形成，因而，高考實驗題的命題要指向一線實驗教學(xué)的實際，切切實實能將做過實驗、會做實驗的考生和未做過實驗或應(yīng)付做實驗的兩類考生甄別出來，以促進一線的物理實驗教學(xué).這才是高考實驗題命制的指導(dǎo)思想和意義所在.