2021年江苏高考物理第11题的赏析与思考

蒋 鑫

（江苏省溧阳中学，江苏常州 213300）

1 原题再现

例题.（2021年江苏高考物理第11题）小明利用如图1所示的实验装置验证动量定理.将遮光条安装在滑块上，用天平测出遮光条和滑块的总质量M=200.0g，槽码和挂钩的总质量m=50.0g.实验时，将滑块系在绕过定滑轮悬挂有槽码的细线上.滑块由静止释放，数字计时器记录下遮光条通过光电门1和2的遮光时间Δt1和Δt2，以及这两次开始遮光的时间间隔Δt，用游标卡尺测出遮光条宽度，计算出滑块经过两光电门速度的变化量Δv.

图1

（1）游标卡尺测量遮光条宽度如图2所示，其宽度d=______mm；

图2

（2）打开气泵，待气流稳定后调节气垫导轨，直至看到导轨上的滑块能在短时间内保持静止，其目的是________；

（3）多次改变光电门2的位置进行测量，得到Δt和Δv的数据如表1，请根据表中数据，在图3所示方格纸上作出图线_________；

图3 图线

（4）查得当地的重力加速度g=9.80 m／s2，根据动量定理，图线斜率的理论值为_________m／s2；

（5）实验结果发现，图线斜率的实验值总小于理论值，产生这一误差的两个可能原因是________.

（A）选用的槽码质量偏小.

（B）细线与气垫导轨不完全平行.

（C）每次释放滑块的位置不同.

（D）实验中Δt的测量值偏大.

表1__滑块经过两光电门的Δv及Δt

2 试题分析

2.1 命题意图

试题以验证动量定理为命题背景，设问考查基本仪器的读数、气垫导轨的使用、图像的描绘、运用定理分析图像的斜率、处理实验数据及实验误差的分析等实验能力.着重突出以能力为主导，兼顾对“运用线性关系处理数据法、整体法和隔离法”等思想方法的考查，突出对学生基于科学思维的科学探究素养的考查.

2.2 试题特点

2.3 解题技巧

（1）游标卡尺的读数应当等于主尺上的整毫米与主尺和游标尺对齐的格数乘以精确度两部分之和，不难看出主尺的整毫米数为10mm，主尺与游标尺第4 条线对齐，游标尺为20分度，故游标卡尺的读数为10mm+4×0.05mm=10.20mm.

（2）滑块调节稳定后，即表明气垫导轨水平.

（3）根据表格中所采集的数据在坐标纸中先描点，再连成直线（尽量让大多数点在直线上，实际拟合时可以让点均匀分布在直线两侧），如图4所示.

图4 图线

（4）设绳中拉力为F，忽略空气和导轨对滑块的阻力，对滑块应用动量定理有

因槽码和挂钩通过绳与滑块相连，同一时刻两者速度大小相等，故槽码和挂钩与滑块有相同的速度增量Δv，在忽略滑轮摩擦和槽码所受空气阻力时，对槽码和挂钩应用动量定理有

由（1）（2）式消去F可得

整理此式得

3 试题赏析

试题的亮点在于验证动量定理时具有器材装备的经典性、考查内容的层次性、科学方法的融合性、验证方案的创新性及实验结果的准确性等显著特点，简要阐述如下.

器材装备的经典性.用槽码借助于细绳拉滑块这一装置图在物理中非常经典，研究小车速度随时间变化规律实验、测定匀变速直线运动加速度实验、探究加速度与力、加速度与质量实验、验证动能定理实验及验证系统机械能守恒定律实验等众多经典实验都用到此类装置图.试题以此装置图验证动量定理，学生并不感觉陌生，具有很强的代入感，显示出经典性的优势.

考查内容的层次性.试题注重对学生基本实验技能的考查.如游标卡尺的读数、滑块调节平衡的目的、图像的描绘等基本实验技能都设问进行了考查，确保学生拿到一定的分值.与此同时，试题设问考查图线斜率的理论值及在此基础上的误差分析，显然是对学生运用此种验证方法的实质进行深层次的考查.考生如不能领悟到“通过比较绘出的图线的实际斜率值（即斜率的实验值）与图线斜率的理论值的方法验证动量定理”，便不能准确解答第4 和第5 小问，从这一角度看，试题的命制体现出一定的层次性，显示出较好的区分度.

验证方案的创新性.众所周知，传统的验证动量定理的方法都从获得研究对象所受合外力对时间的冲量及研究对象动量的变化量两方面验证，设问时都围绕得出合力对时间的冲量Ft及研究对象的增量mΔv两方面展开.以合力冲量Ft的得出为例，可以借助探究加速度与力、质量关系的实验装置，平衡摩擦力后，在小车质量远大于槽码质量的情形下，以槽码重力近似代替小车合力的方法得出合力，再通过数字计时器测出相应过程所用时间从而得出合力的冲量.然而，2021年江苏高考第11题这道验证动量定理的实验题在验证方案上打破了传统的验证方法，代之以当前较为流行的运用线性关系中的图像斜率法进行验证.根据采集到的数据描绘出线性图线，计算图线的斜率作为实验值，再根据系统的动量定理推导出斜率的理论值，通过比较实验值与理论值进行验证，彰显创新性.

实验结果的准确性.凡实验必有误差，而误差又分系统误差和偶然误差，以验证动量定理这一实验为例，若按传统的实验方法验证，在获得研究对象的合力冲量这一物理量时，先要测出研究对象的合力.以试题中的实验装置为例，常见的处理方法是将槽码的重力近似替代绳中的拉力，而这一替代的前提必须要满足滑块的质量M远远大于槽码及挂钩的总质量m，显然无论怎样远大于，槽码及挂钩的总重力mg必定大于绳中的拉力（试题中绳中拉力仅为槽码及挂钩重力mg的0.8倍）.这便是系统误差的来源.然而利用试题中的验证方案（通过比较绘出的图线的实际斜率，即斜率的实验值与图线斜率的理论值的方法验证动量定理）便很好地回避了这一系统误差，表明这种验证方案更加准确.对于偶然误差，例如数字计时器采集的时间，在此基础上计算出的速度增量Δv必然产生偶然误差.误差理论表明，当两物理量之间存在一一对应的线性关系时，运用采集到的数据描点并拟合成一条直线，便能有效地减小这种偶然误差，可见试题中利用画线性图线来验证动量定理的方法可以很好地减小偶然误差，提高结果的准确性.

4 思考与启示

4.1 对试题的引导思路思考

4.2 对试题中图像斜率的理论值思考

对槽码与挂钩应用动量定理其方程式不再是本文所列的（2）式，而应当修正为

联立（4）、（5）式可得

（6）式中f阻、f阻′分别表示滑块及槽码的阻力.显然（6）式是在忽略绳与滑轮间摩擦、考虑滑块和槽码所受阻力的前提下斜率的近似理论值，依然是一种近似.（6）式表明斜率的理论值与两者所受阻力有一定的关系，这两阻力非常小且表现出不稳定性，故很难将其测定得出，因而图线斜率的理论值永远是一个无法获取的值.从这个角度看，建议试题在文字表述时应当将相关影响因素交代清楚以显示其严谨性.

4.3 对一线教师课堂教学与复习的启示思考

作为新一轮高考改革的首届考生，江苏省2021届高考考生面对的是新高考、老教材的特殊局面.老教材新高考是本届高考物理考查最大的特点.新高考对选修模块的考查完全打破了传统的考查方式，考查内容之多（必修1、必修2、选修3-1、3-2、3-3、3-4、3-5共7本书内容）、考查方式之灵活、考查面之广泛（不分选修与必修，所有内容均为必考内容）是江苏新高考物理学科的主要特点.2021江苏新高考物理试题的命制成功地落实了“高考对学生必备知识、关键能力、学科素养的全面考查及对一线物理课堂教学的正确导向作用”这一目标，这在全卷和部分试题的命制上体现得淋漓尽致.以全卷的第11题为例，动量定理内容隶属于老教材中的3-5模块内容，江苏传统的考查方式中仅在全卷中固定题号的选考部分设问考查，一般分值不高，且动量部分的考查以动量守恒定律为主，动量定理属于冷门考点，较少设问考查，即使考查，也不可能以实验题的形式予以考查.江苏高考实验题的命题风格10多年来一直非常稳定，“一力一电”两道实验题，力学部分通常在“探究平行四边形定则、探究加速度与力、质量关系、验证机械能守恒定律、测定动摩擦因数”等经典力学实验中设问考查.电学部分通常在选修3-1恒定电流一章中“伏安法测电阻、描绘灯泡的伏安特性曲线、测电池电动势和内阻、测定金属的电阻率”等电学实验中设问考查，考查内容和形式非常稳定，实验题考查选修模块从未出现过，而新高考的第1次突破就在实验题部分，将老高考中不可能出现的考查内容和考查方式在新高考中重点考查.这一创举要求我们一线教师在教学过程中及时转变思维习惯，革新复习备考方法.一切皆有可能，不可投机取巧，不要抱有“这个恐怕不考，那个可能也不会考，所以这些内容就不讲或不复习”的应试思想，这与新一轮高考改革的理念完全背道而驰，万万要不得.

5 结束语

物理学是一门以实验为基础的自然科学，物理现象、物理规律通常都由实验呈现，因而培养学生的实验能力是物理教学中非常重要的内容.学生设计实验、操作实验、分析实验、处理数据及误差分析等实验技能究竟掌握得如何，需要对学生进行现场式操作考查，然而受条件限制，对学生进行实验的现场式实际操作考查非常困难.近年来有些省份对考生进行现场操作式的实验考查耗费了大量人力、物力和财力，而且只局限于学业水平合格性过关的考查，多数依然流于形式，很难达到预期效果.长期以来，高考对考生实验能力的考查仍停留在纸笔测试阶段.这一考查方式存在一定的局限性，例如学生在日常学习过程中究竟有没有走进实验室切切实实地做实验？或学生即使做了新课标所规定的必做实验，学生的实验水平达到什么样的程度？纸笔测试无法达到检测学生真实实验水平的效果，相反，学生只要多刷题便可轻松应付考试，显然这不利于学生物理核心素养的形成，因而，高考实验题的命题要指向一线实验教学的实际，切切实实能将做过实验、会做实验的考生和未做过实验或应付做实验的两类考生甄别出来，以促进一线的物理实验教学.这才是高考实验题命制的指导思想和意义所在.