巧用科学探究破解中考物理难点

贺德斌

（晋江市教师进修学校，福建 晋江 362200）

物理核心素养导向下的教学是当下物理教师正在探索的重要课题。基于物理核心素养的中考物理试题更加重视理论联系实际、注重科学探究、发展科学思维。其中基于真实情景的物理知识应用能力、物理建模能力、信息分析处理能力的考查是中考物理新难点。福建德旺基础教育研究院陈祖标先生倡导的物理新思维教学实验认为：科学探究不仅是学生“科学思维”发展的关键支撑和主要路径，同时也是学生形成正确“物理观念”，养成科学态度和科学精神的实践基础和必要条件。［1］笔者在物理新思维教学实验中，尝试巧用科学探究来破解中考物理难点进行了大量的教学实践。现总结三大教学策略并以相应案例说明。

一、培养观察分析能力，破解相似情境干扰

生活中有很多看起来很相似的情境，但仔细分析却发现背后所应用的物理规律很不相同。这样的情境题就成了中考的热点题型，可以很好地考查学生从现象到本质的分析能力和物理知识的应用能力。

（一）考向例析：2019 年福建省中考试卷第25 题

如图1，矿泉水瓶盖侧面刻有凹凸不平的条纹，便于旋开瓶盖；带有橡胶塞的口服液所配置的吸管，其表面也刻有棱状条纹，便于吸上口服液。联系所学的物理知识，分别说明上述两个实例中条纹的作用。

图1

本题第一个情景：矿泉水瓶盖侧面刻有凹凸不平的条纹，便于旋开瓶盖。这是同学们较为熟悉的摩擦力的典型应用。矿泉水瓶盖侧面的“条纹”，可以增大接触面的粗糙程度，增大摩擦。而第二个情景：带有橡胶塞的口服液所配置的吸管，其表面也刻有棱状条纹，便于吸上口服液。没有生活经验，不善于观察思考的同学就容易出错。同样是“条纹”，而口服液吸管表面“条纹”为了让空气进入瓶内，使瓶内气体与大气相通，在大气压强的作用下使人吸入口服液。

如何破解这类问题呢？我们的解决方法是设计对应的科学实验和探究活动，培养同学们观察思考能力、从现象到本质的分析能力和物理知识的应用能力。

（二）科学实验：奇妙的电风扇

实验器材：两个同样的小电动机风扇、电源、LED灯、导线。

实验步骤：

1.教师演示实验：分别给两个同样的小电动机风扇通电。

现象观察：观察到的现象是小电动机风扇都能旋转，吹风。

问题思考：

（1）请同学思考：小风扇通电后旋转，这一过程的能量如何转化？

（2）小风扇的电机是电动机还是发电机呢？

设计意图：培养学生的观察分析能力，学会从能量转化的角度来区分发电机和电动机。

2.教师演示实验：将其中一个原来接电源的一端改接上LED 灯。如图2 装置，给左边的风扇通电。

图2

现象观察：观察到给左边的风扇通电，使风扇转动，让左边的风扇产生的风力使右边风扇的扇叶转动，结果发现LED 灯居然亮了。

问题思考：

（1）给左边的风扇通电，使风扇转动。这一过程的能量如何转化？左边的风扇的电机是电动机还是发电机呢？

（2）右边风扇的扇叶转动，点亮了LED 灯。这一过程的能量如何转化？右边的风扇的电机是电动机还是发电机呢？

设计意图：用趣味实验引起学生的兴趣，巧设问题，引导学生观察分析。

（三）探究活动：“花纹”探秘

如图3 甲、乙两图分别是盲道和鞋底的图片，它们上面都有凹凸不平的“花纹”，这些“花纹”的作用一样吗？

图3

周末探究活动1：请同学们在周末去安踏的专卖店调查鞋底的花纹有哪些种类？作用有何不同？

周末探究活动2：请同学们在周末去图书馆或者公园，去观察体验盲道“花纹”的作用。并上网查询盲道的相关知识。

同学们发现走向社会，走进生活的学习远比课本知识要丰富多彩。下面是两个学生成果汇报的案例。

学生探究活动1 成果汇报案例：

鞋底花纹是在压力不变时，增大接触面的粗糙程度，从而增大摩擦。

调查发现鞋底的花纹千奇百怪，大致可分为五类：横条纹、直条纹、斜条纹、V 型条纹、圆圈型条纹。

横条纹：多用于羽毛球鞋底。更有利于打球时前后移动。

直条纹、斜条纹：多用于休闲鞋等运动量不大的鞋。

V 型条纹：多用于篮球鞋。有利于加速、变向、急停等。

圆圈型条纹：多用于篮球鞋底，前脚掌内测为圆心。使专向更加灵敏省力。

学生探究活动2 成果汇报案例：

盲道上的花纹是在压力一定时，通过减小受力面积，增大对盲人脚底的压强。

调查发现盲道花纹有两种形式：一种是指引视残者通过脚感继续向前直行的盲道，表面呈长条形称为行进盲道。另一种是告知视残者盲道要拐弯或者盲道的终点处，表明呈圆点形，称为提示盲道。

通过蒙着眼睛，体验靠盲道行进，感受到盲道与普通地面对脚产生的压强不同，但行进相当困难。更感受到眼睛对于我们生活的重要，同时对盲人生活的不易有了切身的感受。

二、培养物理建模能力，破解抽象建模困局

物理建模既是一种物理思维，也是一种物理方法，更是学习物理的一种重要手段。［2］物理建模能力很重要，该能力的高低影响着学生理解问题、分析解决问题，在很大程度上决定着学生物理学习的效果。物理建模能力的考查就成为中考试题的重点。

（一）考向例析：福建省考试说明的例题47

超高压水刀是一种新技术产品，一般由水泵、射流发生装置、工作机构等组成。它将普通水经过多级增压后，通过一个极细的喷嘴喷出一道高速“水箭”，可以对坚硬物体实施切割，如图4 所示.某超高压水刀喷嘴横截面积S=5×10-8m2，喷水速度v=800m/s，高速“水箭”对该切割面的压强p=300MPa。已知水泵电机功率P=20kW，水的密度ρ=1.0×103kg/m3。求：

图4

（1）水刀正常工作1min 消耗的电能；

（2）高速“水箭”对切割面的压力；

（3）每秒钟从喷嘴喷出的水的质量；

（4）水刀的效率。

本例中的“水箭”对应着圆柱体数学模型。建构柱体模型就能破解本题的两个难点：水箭体积和水刀功率。

每秒钟喷出水的体积转化为计算圆柱体体积：

V=SL=Svt=5×10-8m2×800m/s×1s=4×10-5m3

m=ρV=1.0×103kg/m3×4×10-5m3=0.04kg

水刀的功率为：

P=Wt=FLt=Fv=15N×800m/s=12000W

如何破解这类问题呢？我们的解决方法是设计对应的科学实验和探究活动培养同学物理建模能力。

科学实验：用注射器测大气压

实验器材：注射器、弹簧测力计、细线、刻度尺。

实验任务：利用以上器材，设计实验方案测量大气压。

同学们做分组讨论，其中一组率先提出了他们组的实验方案：

图5

图6

A.把注射器的活塞推至注射器针筒的底端，然后用橡皮帽封住注射器小孔；

B.如图5 所示，用细线拴住注射器活塞颈部，使线的一端与弹簧测力计的挂钩相连，然后水平向右慢慢拉动针筒，当活塞匀速滑动时，记下弹簧测力计的示数为F；

C.读出注射器针筒上有刻度部分的容积V；

D.用刻度尺测出注射器针筒上有刻度部分的长度L。

把注射器的内部空间看做一个圆柱体，则柱体的底面积就等于注射器针筒上有刻度部分的容积除以注射器针筒上有刻度部分的长度。

受力面积：S=VL.

匀速滑动时，大气压力等于拉力，故大气压P=

所以大气压p的表达式为p=FLV

设计意图：这个实验的难点就在于如何用刻度尺测受力面积，设计的巧妙之处就在于借助了圆柱体模型（如图6）中的数学关系S=VL。

（二）探究活动：探秘太阳能

太阳能是人类可以使用的很好的清洁能源，可是它既不方便存储，也不方便运输。而电能既方便存储，也方便传输。太阳能电池板就能将太阳能转化为电能，方便人类使用。

周末探究活动1：查阅资料了解太阳辐射的总功率、太阳到地球的距离、太阳光传播到达地面的能量损耗情况等，估算1 平方米的地面上1 秒内所接收的太阳能为多少焦耳？

周末探究活动2：若太阳能电池的能量转化效率为15%，那么100m2的房顶上装上这种太阳能电池，则这些太阳能电池板的输出功率为多少瓦？

学生探究活动1 成果汇报案例：

查阅资料了解到：太阳辐射的总功率P0=4×1026W,太阳到地球的距离r=1.5×1011m，太阳光传播到达地面的过程中由于云层的反射和大气的吸收作用，大约有60%的能量损耗。

然后，我们想象：把太阳看成一个灯，灯总功率P0=4×1026W,，灯光向四周照射，照射半径为r=1.5×1011m，这就形成了一个以灯为球心，以r为半径的球面模型（如图7），灯光均匀地分布到球面。

1 秒内太阳辐射的总能量为：

W总=Pt=4×1026W×1s=4×1026J

以r=1.5×1011m 为半径散射后，大约有60%的能量损耗，到达整个球面的太阳能为：

图7

W余=W总η1=4×1026J×40%=1.6×1026J

球面面积为：

S=4πr2=4×3.14×（1.5×1011m）2=2.826×1023m2

1 平方米的地面上1 秒内所接收的太阳能为：

周末探究活动2 成果汇报案例：

若太阳能电池的能量转化效率为15%，那么100m2的房顶上装上这种太阳能电池，则这些太阳能电池板的输出功率为：

三、培养图表处理能力，破解函数图像难题

在物理学中，常采用函数图像，将某些物理量之间的关系表示出来，因此图像实际上反映了物理变化过程的特点以及物理量之间的变化关系。［3］因此，图像题是重点考察学生观察、获取信息、分析处理数据能力以及综合应用知识能力的一种好题型。

（一）考向例析：2020 年福建省中考试卷第33 题

如图8 甲电路中，电源电压保持不变，R0、R1均为定值电阻，R2为滑动变阻器。闭合开关S，改变R2的阻值，两电压表示数与电流表示数变化关系如图乙，当滑片P在b端时电流表示数为0.3A。

（1）求R2的最大阻值。

（2）求滑片置于变阻器的中点位置，R2消耗的电功率为0.8W，求电源电压和R0的阻值。

（3）若滑动变阻器滑片每移动1cm，阻值改变1Ω，设滑片从a端向b端滑动的距离为xcm,写出R2消耗的电功率P随x变化的关系式，并由此关系式求出R2消耗的电功率的最大值。

图8

本题考查学生对图像关键点的理解。重点在于判断电压表与函数图像的对应关系，通过观察分析电路图可知，这是一个三个电阻的串联电路，电压表V2测R2的电压，电压表V1测R2和R2的总电压，因此得出电压表V1的示数会大于电压表V2的示数。即函数图像Ⅰ对应电压表V1与电流表A 的变化关系图，函数图像Ⅱ对应电压表V2与电流表A 的变化关系图。当滑片P 在b端时，电阻R2最大，电路的电流最小，此时电流表示数为0.3A。R2的电压为3.0V，R2和R2的总电压为5.4V，即R1的电压为2.4V。

然后考查学生运用数学工具解决物理问题的能力。第二小问考一元二次方程组，第三小问考二次函数求最值。

如何破解这类问题呢？我们的解决方法是设计对应的科学实验和探究活动培养同学的图像信息处理能力。

（二）科学实验：探究三个电阻串联时，电压与电流的关系

实验器材：电源、定值电阻R2和R2、滑动变阻器R3、电流表、电压表、开关、导线。

实验任务：利用以上器材制作弹簧测力计

实验步骤：

1.如图9 连接电路。从右至左移动滑动变阻器R3的滑片，分别在最右端、中点和最左端三个位置读出电流表和电压表的读数，记录在下表，并绘制函数图像。

图9

设计意图：通过实验记录数据并绘制函数图像可以促进学生对动态电路的变化过程与函数图像的对应关系的理解。重点突破关键点的物理意义和图像的变化趋势。

图10

2.如图11 连接电路。从右至左移动滑动变阻器R3 的滑片，分别在最右端、中点和最左端三个位置读出电流表和电压表的读数，记录在下表，并绘制函数图像。

图11

设计意图：通过实验记录数据并绘制函数图像，促进学生对动态电路的变化过程与函数图像的对应关系的理解。重点突破图像的叠加。

图12

（三）探究活动：设计电子称方案

压力传感器可以把力学物理量转化成电学信号，然后通过相互之间的函数关系，直接得出力的大小。请自选器材设计电子称方案。

学生探究活动成果汇报案例：

我们利用弹簧与电路的结合，来制作电子称。工作原理如图13 所示，其中M、N 均为绝缘材料，M、N 间有可收缩的导线(电阻大小不计)，弹簧上端和滑动变阻器R2的滑片P 固定在一起。利用压力F 的大小与R2的阻值大小成正比例关系，实现力学物理量转化成电学信号。

图13

电源电压为12V，R1=9Ω，R2最大=15Ω。闭合开关S，压力F0=0 时，滑片P 在最上端；压力F1=1N 时，测得电流表示数为1A，电压表示数为3V。

这样就实现了力信号转化为电信号，根据电压表的读数得到力的大小。