陳 燕 王加元

(江蘇省江陰市成化高級中學,江蘇 無錫 214423)

1 引言

“用單擺測量重力加速度的大小”是選擇性必修第一冊第二章《機械振動》的內容。高中生首次學習重力加速度,是在必修第一冊第二章《勻變速直線運動的研究》中第4節(jié)“自由落體運動”,教材提出用打點計時器研究自由落體運動,測量重物下落的加速度,這是對這一章第一節(jié)“實驗：探究小車的速度隨時間變化的規(guī)律”的鞏固。在教學中還可以用豎直放置的光電門或用頻閃照相的方法測量重力加速度,得到更精確的加速度值。而在“做一做”欄目介紹了使用手機測自由落體加速度的方法,這是利用智能手機內置的加速度傳感器來實現(xiàn)的,需要學生在手機上安裝能顯示加速度的應用程序,如Phyphox App,使學生的探究活動以智能電子設備為載體,利用生活中的器材測量重力加速度。

《中國高考評價體系》強調高考命題必須堅持引導教學,筆者選取近幾年高考物理題中有關測量重力加速度實驗的試題,通過對比、剖析其引導教學的功能,達到理順教、考關系,實現(xiàn)“以考促教、以考促學”的目的。

2 測量重力加速度的創(chuàng)新實驗

2.1 滴漏

滴漏是古代用水滴來計時的裝置,我國最早記載見于《周禮》,元、清時期有較完整的漏刻流傳于世,計時的準確度取決于水流的均勻程度。2018年海南省高考物理卷第11題中利用分液漏斗進行滴水計時,由于斗體較大,短時間內滴水速度幾乎不受壺中液面高度變化的影響。

例1(2018年海南)：學生課外實驗小組使用如圖1所示的實驗裝置測量重力加速度大小。實驗時,他們先測量分液漏斗下端到水桶底部的距離s;然后使漏斗中的水一滴一滴地下落,調整閥門使水滴落到桶底發(fā)出聲音的同時,下一滴水剛好從漏斗的下端滴落;用秒表測量第1個水滴從漏斗的下端滴落至第n個水滴落到桶底所用的時間t。

圖1

(1) 重力加速度大小可表示為g=(用s、n、t表示)。

(2) 如果某次實驗中,s=0.90 m,n=30,t=13.0 s,則測得的重力加速度大小g=m/s2(保留2位有效數(shù)字)。

(3) 寫出一條能提高測量結果準確程度的建議。

(3) 由上述表達式可知,適當增大n可以提高時間T測量的準確度,多次測量取平均值可以提高測量結果的準確度。

該題首先要求學生理解分液漏斗滴水是均勻的,能將水滴的下落運動建構為自由落體運動,且能用自由落體運動規(guī)律解決問題,考查了學生的科學思維能力。最后開放式的設問,旨在引導一線教師注重真實的實驗探究。

2.2 傳感器

傳感器在中學物理實驗中的應用已經非常廣泛,光電門傳感器常應用于計數(shù)、計時、測速等方面,2022年遼寧物理卷第12題考查了光電傳感器的基本應用。

例2(2022年遼寧)：某同學利用如圖2所示的裝置測量重力加速度,其中光柵板上交替排列著等寬度的遮光帶和透光帶(寬度用d)表示。實驗時將光柵板置于光電傳感器上方某高度,令其自由下落穿過光電傳感器。光電傳感器所連接的計算機可連續(xù)記錄遮光帶、透光帶通過光電傳感器的時間間隔Δt。

(1) 除圖中所用的實驗器材外,該實驗還需要(選填“天平”或“刻度尺”)。

(2) 該同學測得遮光帶(透光帶)的寬度為4.50 cm,記錄時間間隔的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1

根據(jù)上述實驗數(shù)據(jù),可得編號為3的遮光帶通過光電傳感器的平均速度大小為v3=m/s(結果保留兩位有效數(shù)字)。

(3) 某相鄰遮光帶和透光帶先后通過光電傳感器的時間間隔為Δt1、Δt2,則重力加速度g=(用d、Δt1、Δt2表示)。

(4) 該同學發(fā)現(xiàn)所得實驗結果小于當?shù)氐闹亓铀俣?請寫出一條可能的原因：。

解析：(1)該實驗不需要天平,需要用刻度尺測量遮光帶(透光帶)的寬度,故選刻度尺。

(4) 光柵板受到空氣阻力的作用。

本題需要學生熟知用光電門傳感器測速的原理,知道光柵板的下落是自由落體運動,特別是第(3)問需要學生正確運用該運動的某段時間內中間時刻的瞬時速度與該段時間內的平均速度相等的結論,畫出運動的過程示意圖,才能準確求出時間間隔,充分體現(xiàn)了高考對科學思維能力的考查要求。

改革時期是華語解禁與復蘇的時期。印尼2009年第24號法律頒布以后，印尼語、地方語和外語有了更明確的定位。目前印尼華語的法律地位是外語，政府維護華人以華語為家庭用語的權利，但在教育體系中必須作為外語進行教學。因此，華校只能以三語學校的形式辦學，華語只是學校的辦學特色之一。與舊秩序末期一樣，印尼語作為教學用語的規(guī)定限制了華語在學校的使用。華語只是一門課程，華語的使用范圍也僅限于該課程。

2.3 智能手機

智能手機的拍照、攝像功能在輔助物理教學方面應用廣泛,智能手機都內置了多種傳感器,結合手機軟件可實現(xiàn)多個物理量的測量,為開展物理實驗教學提供了新的方法和途徑。2020年江蘇卷第11題和山東卷第13題應用了手機的攝像功能,2022年江蘇卷第11題則是聲學秒表軟件的應用。智能手機的運用豐富了中學物理實驗教學手段,提升了學生的核心素養(yǎng)。

例3(2020年江蘇)：疫情期間“停課不停學”,小明同學在家自主開展實驗探究。用手機拍攝物體自由下落的視頻,得到分幀圖片,利用圖片中小球的位置來測量當?shù)氐闹亓铀俣?實驗裝置如圖3所示。

圖3

(1) 家中有乒乓球、小塑料球和小鋼球,其中最適合用作實驗中下落物體的是。

(2) 下列主要操作步驟的正確順序是(填寫各步驟前的序號)。

① 把刻度尺豎直固定在墻上

② 捏住小球,從刻度尺旁靜止釋放

③ 手機固定在三角架上,調整好手機鏡頭的位置

④ 打開手機攝像功能,開始攝像

圖4

(4) 在某次實驗中,小明釋放小球時手稍有晃動,視頻顯示小球下落時偏離了豎直方向。從該視頻中截取圖片,(選填“仍能”或“不能”)用(3)問中的方法測出重力加速度。

解析：(1) 為了使物體的運動盡可能地接近自由落體運動,應該盡量減少空氣阻力的影響,所以下落物體選小鋼球。

(2) ①、③為實驗前的準備工作,應以刻度尺位置為參照調整鏡頭位置,故①在③前面。先開始攝像,再釋放小球,可以順利獲得小球下落過程的錄像,故④在②前面,即操作步驟正確的順序為①③④②。

(4) 由于手機的晃動,小球下落時偏離了豎直方向,但小球在豎直方向上的分運動仍是加速度為g的勻加速直線運動,仍可以用Δh=gT2求出重力加速度,結果不受影響。

對于該題第(1)問,要想順利得出用小鋼球做實驗所受空氣阻力的影響較小,就需要開展真實的實驗探究。第(2)問考查學生實驗方法的遷移運用能力,將“先接通電源,再釋放紙帶”遷移轉換為先開始攝像后釋放小球。第(3)問類比紙帶問題的處理方法,考查了學生的科學思維能力。第(4)問設計了一個實際問題,因手機的晃動導致小球運動偏離豎直方向,讓學生通過科學論證得出結論：小球在豎直方向上的分運動仍是加速度為g的勻加速直線運動。

例4(2022年江蘇)：小明利用手機測量當?shù)氐闹亓铀俣?實驗場景如圖5所示,他將一根木條平放在樓梯臺階邊緣,小球放置在木條上,打開手機的“聲學秒表”軟件,用鋼尺水平擊打木條使其轉開后、小球下落撞擊地面,手機接收到鋼尺的擊打聲開始計時,接收到小球落地的撞擊聲停止計時,記錄下?lián)舸蚵暸c撞擊聲的時間間隔t,多次測量不同臺階距離地面的高度h及對應的時間間隔t。

圖5

(1) 現(xiàn)有以下材質的小球,實驗中應當選用。

A. 鋼球 B. 乒乓球 C. 橡膠球

(2) 用分度值為1 mm的刻度尺測量某級臺階高度h的示數(shù)如圖6所示,則h=cm。

圖6

(3) 畫出2h-t2圖像(圖7),則可得到重力加速度g=m/s2。

圖7

(4) 在圖5中,將手機放在木條與地面間的中點附近進行測量,若將手機放在地面A點, 設聲速為v,考慮擊打聲的傳播時間,則小球下落時間可表示為t′=(用h、t和v表示)。

(5) 有同學認為,小明在實驗中未考慮木條厚度,用圖像法計算的重力加速度g必然有偏差。請判斷該觀點是否正確,簡要說明理由。

解析：(1) 實驗中應當選用A(鋼球)。

(2) 測得該級臺階高度61.20 cm。

前三問為基礎要求,后兩問對科學思維的要求較高,需要學生在考慮聲速的前提下重新建構物理模型,并對實驗結論作出解釋,體現(xiàn)了科學探究的思想。

江蘇省2020年的高考實驗題中使用的是手機的拍照功能,而2022年的高考實驗題則需要通過視頻逐幀處理技術進行數(shù)據(jù)處理,用到了手機軟件和內置傳感器。將智能手機應用于高中物理實驗中,這是實驗器材方面的創(chuàng)新,也對學生的科學思維能力和實驗探究能力提出了更高的要求。

以上幾道高考題充分體現(xiàn)了高考命題引導教學的核心功能,推動信息技術與中學物理實驗教學的整合,是改進和優(yōu)化傳統(tǒng)實驗教學的重要途徑,可以激發(fā)學生的求知欲,培養(yǎng)學生的科學思維和科學探究能力,實現(xiàn)中學物理實驗教學的創(chuàng)新。