2020年高考物理全国卷Ⅱ理综第22题赏析

◇ 陕西 刘振和 王晓辉

实验题是历年高考的重点,体现了高考对高中实验教学的要求和导向．研读高考实验题可以发现高考命题的基本特征和最新动向,有利于更高效、更有针对性地展开实验教学,有利于指导学生更高效地进行高考复习和备考．

1 真题呈现

例(2020年全国卷Ⅱ理综第22题,简称真题)一细绳跨过悬挂的定滑轮,两端分别系有小球A 和B,如图1 所示．一实验小组用此装置测量小球B 运动的加速度．令两小球静止,细绳拉紧,然后释放小球,测得小球B 释放时的高度h0＝0.590m,下降一段距离后的高度h＝0.100m;由h0下降至h 所用的时间T ＝0.730s．由此求得小球B 加速度的大小为a＝_____m·s－2(保留3位有效数字)．

图1

从实验室提供的数据得知,小球A、B 的质量分别为100.0g和150.0g,当地重力加速度g 为9.80 m·s－2．根据牛顿第二定律计算可得小球B 加速度的大小为a′＝______m·s－2(保留3位有效数字)．

可以看出,a′与a 有明显差异,除实验中的偶然误差外,写出一条可能产生这一结果的原因:______．

答案1.84;1.96;滑轮的轴不光滑(或滑轮有质量)．

解析以B 小球为研究对象,由运动学公式可得,得a≈1.84m·s－2．

对A、B 两个小球用整体法分析有

解得a′＝1.96m·s－2．

在运动过程中,滑轮的轴不光滑或滑轮本身有质量等因素都会引起加速度偏小,所以导致了a′与a 有明显差异．

2 真题赏析

2.1 立意高远

从表面看,该题是考查运动学公式和牛顿第二定律的应用,是动力学两类基本问题的计算;但实际上,该题牢牢抓住了物理实验的根本内涵,即“设计—验证—得出结论—误差分析”这一验证物理理论的基本模式．为了求出B 小球的加速度,命题者设计了两种方案:一是利用测出的位移、时间数据,根据运动学公式求出加速度;二是对物体进行受力分析,用给定的质量和重力加速度,通过牛顿第二定律求出加速度．最后进行误差分析,以证明二者在误差允许范围内相等,验证牛顿第二定律可以求解加速度．

与以往命题明显不同的是,命题者一改利用打点计时器、光电门等进行实验的常规考查方式,采用运动学和动力学两种计算方式分别求出加速度,可认为动力学计算是理论分析,运动学测量是实验验证,最终二者在误差允许范围内相等．这样的做法,一方面体现了物理学研究中理论推理与实验验证相结合的基本科学方法;另一方面,也体现了命题不仅仅局限于对实验操作能力的考查,还注重对实验思维能力的考核．

仔细品读该题还可以感受到,该题涉及的实验情境虽然简单,但还可以拓展延伸,比如求解物体从h0降至h 时的瞬时速度、瞬时动能等．看似平常的实验考查对学生来说却很有启发,能使学生认识到日常生活中的简单现象也是我们应该关注的,引导他们观察生活现象,积极思考探索其中的物理原理,钻研解决生活中遇到的问题．同时,该题涉及的实验场景并非理想化,如是“细绳”而不是“轻绳”,未说明滑轮有无质量,未说明滑轮与细绳是否打滑等,并且没有利用打点计时器、光电门等专业仪器(从题意来看,使用的应当是停表和刻度尺),这就启发学生可以利用身边的工具去探索知识,在思考中学会研究物理问题．

2.2 来源教材

该题是课本实验的变式,来源于人教版高中物理《必修2》教材第5 章第6 节“向心力”一节中的实验——用圆锥摆粗略验证向心力的表达式．

图2

从图2可以看出,“用圆锥摆粗略验证向心力的表达式”也是一个验证性实验,利用简单的工具,如停表和刻度尺测出钢球做匀速圆周运动的周期和半径,用运动学公式计算出向心力．再对小球进行受力分析,得出向心力的表达式,代入钢球质量和夹角(可用刻度尺测出悬挂点到纸面的距离和半径),计算出加速度,最后进行比较验证．可以说,课本上的这个实验和这道真题有异曲同工之妙,二者都是从运动学和力学两个角度对物理量进行探究,都利用了身边简单的工具,实验中都有误差,都体现了对物理思维和研究方法的渗透．二者的不同之处在于,一个研究的是加速度,一个研究的是力;一个研究的是直线运动,一个研究的是曲线运动．但从牛顿第二定律的角度来思考,加速度与合外力存在对应关系,同时牛顿第二定律不仅适用于直线运动也适用于曲线运动．因此,命题的角度和意识与课本是一脉相承的,该题来源于课本,又不拘泥于课本,考查灵活,颇具匠心．

2.3 研究方法的多样性和灵活性

真题中第一空加速度的计算,以小球B 为研究对象,用运动学公式代入数值可以算出加速度．第二空对小球B 的加速度a′的计算既可以对小球A、B 隔离分析研究,也可以整体研究,但都是运用牛顿第二定律．

也就是说,真题中计算加速度这个物理量用到两种重要的实验思路,没有从单一角度入手,采用不同的原理和手段测量同一物理量．这也是研究物理问题、探究物理规律的常用方法,希望做到多条思路殊途同归,方法和规律相互检验、相互印证．

2.4 答案设置的开放性

本题第三空是一个开放性问题,答案可以有很多,原题所给答案是滑轮的轴不光滑(或滑轮有质量),其实还可以有空气阻力的影响、滑轮不光滑等使系统所受合外力不是mBg－mAg 的因素．

2.5 探究过程的科学性

真题中探究牛顿第二定律的正确性,所用的方法是运用运动学公式得到加速度以及根据牛顿第二定律算出加速度的对照法．本质上讲,第一种方法是实验探究,第二种方法是理论探究,这样的设置符合科学理论研究方法的科学性．另外,本实验的数据处理也体现出科学性,如合理设置有效数字位数,便于分析对照．此外,题目还要求学生做误差分析,进一步引导学生进行全面的科学探究,分析产生误差的客观原因,体现出问题研究的科学性．

3 对教学和备考的启示

3.1 依托教材,夯实基础

物理教学要以教材为基础,教师要多研读教材,引导学生重视教材,充分挖掘教材的多方面教育功能,深入学习理论知识和思想方法．

3.2 关注核心,突出重点

教学中一定要抓住核心知识,理解和掌握核心知识．对核心知识要理解得透、运用得熟．比如运动学公式、牛顿运动定律、动能定理这些物理学大厦中的骨干知识,都要通过多种方法准确、熟练掌握．教学中要突出核心知识的重要地位,强调它们对一般知识的引领和带动作用,引导学生构建适合个人特点的知识网络．

3.3 梳理知识,积累技巧

方法的学习和知识的梳理是高中物理学习的一个重要任务．掌握科学解题的方法,比如整体法、隔离法、假设法、临界分析法等,对学习物理是非常重要的．以此为基础,才能优选方法,解决问题才会思路开阔、主动灵活．在学会方法的基础上,不断积累解决问题的技巧,解决问题时才会游刃有余．

3.4 开拓思路,提升能力

物理学是一门以实验为基础的学科,物理学表达的定律往往是通过实验探索得出的,因此实验题最能体现学科特点,最具活力与创造力．教师在教学中要引导学生开拓思路,提升自己的实验能力,并以此为依托培养学生的科学建模、分析综合、应用数学知识解决物理问题等多种能力．