2022年高考物理江苏卷第11题的评析、溯源及其拓展——管窥智能手机在高考实验题中的应用研究

王金兵

(江苏省南通市天星湖中学)

1 试题解析

【例1】(2022·江苏卷·11)小明利用手机测量当地的重力加速度,实验场景如图1所示,他将一根木条平放在楼梯台阶边缘,小球放置在木条上,打开手机的“声学秒表”软件,用钢尺水平击打木条使其转开后,小球下落撞击地面,手机接收到钢尺的击打声开始计时,接收到小球落地的撞击声停止计时,记录下击打声与撞击声的时间间隔t,多次测量不同台阶距离地面的高度h及对应的时间间隔t。

图1

(1)现有以下材质的小球,实验中应当选用________。

A.钢球 B.乒乓球 C.橡胶球

(2)用分度值为1 mm的刻度尺测量某级台阶高度h的示数如图2所示,则h=________cm。

图2

(3)作出2h-t2图线,如图3所示,则可得到重力加速度g=________m/s2。

图3

(4)在图1中,将手机放在木条与地面间的中点附近进行测量,若将手机放在地面A点,设声速为v,考虑击打声的传播时间,则小球下落时间可表示为t′=________(用h、t和v表示)。

(5)有同学认为,小明在实验中未考虑木条厚度,用图像法计算的重力加速度g必然有偏差。请判断该观点是否正确,简要说明理由。

【解析】(1)小球材料的选择主要是要考虑空气阻力等影响,应该选用材质密度较大的小钢球,故选A。

(2)刻度尺的分度值为1 mm,估读到分度值的下一位,由题图可知h=61.20 cm。

2 试题命题评析及备考启示

2.1 试题命题意图

2.1.1 以真实的生活情境为信息载体,考查考生的科学素养和探究能力。

本题以最受大众欢迎的智能手机为题目信息载体,具有强烈的亲和力和前沿性,激发考生解题兴趣,在紧张严肃的高考情境中送来一丝暖意。使用手机的“声学秒表”软件,从名称上一目了然,考生不难理解。本题以科学探究为主线,给出实验步骤和图像,通过图像进行数据处理,从而解决物理问题,考查考生获取和处理信息的科学素养和探究能力。

2.1.2 联系生活实际,运用高科技手段,考查考生的科学思维和学科关键能力。

本题主要考查考生的关键能力有器材读数能力、公式变形能力、图像处理能力,同时还有较高层次的理解能力和推理论证能力。考查考生科学思维中的科学推理和科学论证等学科素养。使用这个软件,顺利解决了在实验中不能准确测量时间的难题。

2.1.3 彰显“立德树人、引导教学、服务选材”的高考核心功能,发挥高考的引领作用。

测定重力加速度是必做实验,本题用手机和身边的物品进行实验,并没有利用课堂上提供的常规器材,引导考生在新情境、新器材中解决问题,考查知识迁移和创新能力,凸显高考的三大核心功能。

2.2 设计思路

本题以手机为信息载体,一改现有的陈题中利用手机拍摄照片或视频来处理实验的题目情境,将手机视频处理改为声音处理,具有创新性。对实验能力的考查不能局限于死记硬背,要考查出考生的动手能力和切合实际的思维能力,因此设计出第(1)小问要求考生选择恰当的小球,考生需要考虑减小阻力对实验的影响从而选择钢球。测量类实验器材的读数是实验能力考查的基本要求,因此设计出第(2)小问,这个小题属于送分题。第(3)小问图像题是高考实验的基本能力考点,由图像的纵坐标、横坐标要能联想出基本公式,从而明白图像的意义。图像题一般要求考生把握住图像的纵坐标、横坐标的意义,图像的斜率、截距、交点、面积、变化趋势等问题,而本题考的是常见斜率问题。会对基本公式进行变形,这也是实验的基本能力之一。第(4)小问时间的计算,知道声音传播的时间和小球下落的时间,考生要厘清他们的关系从而求解。要解决第(5)小问必须能够真正理解斜率的意义,考查的难度有所提升,体现高考题的人才选拔功能。理解厚度只会影响图像的截距,并不会影响斜率,所以对实验的测量没影响。这道实验题情境新、考查的能力点不难,有一定的思维深度,体现核心素养的考查。

2.3 备考启示

2.3.1 加强对手机应用APP的研究,更要重视其中与物理生活密切相关的软件,多反思其与物理题目中高考知识点的关联,在命制模拟题时有针对性地训练,让考生对手机APP在高考中的可能运用有更进一步的认识。

2.3.2 在日常实验复习教学中,要多研究新课标,多反思新高考的理念,对全国各地近几年的新高考实验题,进行分析和拓展反思,特别是有关高科技情境的题目,进而探讨分析实施实验教学的有效策略。多让考生动手去做实验,多启发考生思考实验,创新实验方案,而不是空讲实验、死记常规实验。

2.3.3 多加强常规实验的操作与创新,训练基本实验能力和学科关键能力。在经典的实验学习中探索新情境、设计更贴近生活热点的实验,巧妙创设问题链,引导考生发散思维与深度思考,强化关键能力的培养。对实验问题情境信息的呈现方式力求新颖化、多样化,训练在新颖奇特的信息呈现方式下进行有用信息的科学解读和转化,培养考生的信息加工能力。

2.3.4 多研究高考试题对复习的引领和导向作用。从本题管窥发现2022年江苏高考物理卷依托高考评价体系,聚焦物理学科主干内容,体现操作性、创新性、生活性等特点,加强学科关键能力的考查,突出体现对物理观念,科学思维,科学探究的考查,在命题导向中彰显物理学科核心素养,对今后的复习起到正确的引导作用。

3 试题溯源与分析

3.1 试题溯源

【例2】(2021·山东卷·13)某乒乓球爱好者,利用手机研究乒乓球与球台碰撞中能量损失问题的情况。实验步骤如下：

①固定好手机,打开录音功能;

②从一定高度由静止释放乒乓球;

③手机记录下乒乓球与台面碰撞的声音,其随时间(单位：s)的变化图像,如图4所示。

图4

根据声音图像记录的碰撞次序及相应碰撞时刻,如下表1：

表1

根据实验数据,回答下列问题：

(1)求出球第3次碰后乒乓球的弹起高度为________m(保留2位有效数字,当地重力加速度g=9.80 m/s2)。

(2)设碰撞前瞬间速度大小与碰后瞬间速度大小的比值为k,则每次碰撞损失的动能是碰撞前动能的________(用k表示)倍,第3次碰撞过程中k=________(保留2位有效数字)。

(3)由于存在空气阻力,第(1)问中弹起高度________(填“高于”或“低于”)实际弹起高度。

3.2 溯源分析

2021年山东卷第13题与2022江苏卷第11题高度相似,都是以手机为信息载体,不拘泥于课本实验。时间的获得均来源于手机声音文件,改变现有陈题中用手机视频来做数据处理的方式,立足生活中的真实情境来考查物理知识,抓牢考生的好奇心和时代热点,发挥育人导向作用。都是研究小球下落过程。充分利用手机,考查在新情境中的解题能力和创新能力。都是考查自由落体运动、匀变速运动的规律灵活运用情况,联系生活实际和现代科技,考查科学探究能力。山东卷采用手机录音方式记录下落过程,然后对声音文件进行分析,从声音文件的波形图上找到各阶段准确时间,江苏卷更好地利用智能手机能够安装APP的特点,别出心裁地选用“声学秒表”软件。情境上唯一的变化是下落后是否研究反弹过程。山东卷考查了时间及能量问题,江苏卷只考了时间问题,将题目难度下调,一改江苏高考物理试卷难度很大的局面。江苏卷充分考查了图像的斜率问题。两道题的具体考查对比如表 2所示。

表2

3.3 溯源启示

3.3.1 要转变实验教学理念,明确高考对关键能力的考查要求。

实验教学基于基本技能,但更要立足运用身边的物品来探究实验,体现创新性的要求,上述两道试题都是联系生活,运用科学技术,注重时代性。利用手机、乒乓球等考生身边熟悉的器材,考查考生的物理学科核心素养,发挥考题对日常教学的导向作用。

3.3.2 要重视历年高考题中新情境题目的分析,特别是关乎社会热点及高科技产品的运用。

日常备考复习中,对涉及的相关历年高考题,多分析反思,多揣摩相关的可能命题点,并运用到复习备考的模拟训练中去,让考生熟悉新情境,感悟高科技。

3.3.3 要重视命题者对历年高考试题尤其是高考新题的溯源工作,挖出潜在的考点。

领会命题人的意图,切合高考对核心素养的考查要求,重视关键能力的培养和科学思维方法的分析。在学习物理的做题过程中出错是难免的,重要的是找到出错的根源,学会从追溯到最初的观察和实验、追溯到新旧知识的内在关联。另外,在中学物理教学过程中,要重视模型、规律和方法的溯源,从而为知识的融会贯通打下坚实的基础。领会高考卷起到的正本清源、培元固本的积极导向作用。

4 试题拓展

智能手机运用到物理实验与高考考查中,这是与时俱进的表现,现代社会手机使用频率非常高,运用范围非常广。在2022年各地高考试卷中,除了江苏卷第11题外,其他地区的高考卷也有考查,比如2022年北京卷第16题,用手机作为计时工具,2022年全国乙卷第18题,在手机上安装磁传感器APP来测量磁场等等,各地模拟试题中关于手机的题目更是数不胜数。

拓展1：分析弹簧振动。将智能手机作为振子随着弹簧一起在竖直方向上运动,利用智能手机加速度传感器Accelogger软件记录振动过程中三维空间的加速度,并作出图像。通过分析加速度随时间的变化曲线,再结合弹簧做简谐运动的相关理论求出在单个弹簧和多个弹簧串联两种情况下的振动周期、劲度系数和重力加速度。

拓展2：测量向心加速度和角速度。基于手机内置加速度传感器与陀螺仪,使用“SPARKvue” “Sensorkinetics”两款手机软件。在距转轴两侧相同距离的地方固定两部手机,手机的转动半径不变。两部手机分别安装SPARKvue软件和SensorKinetics 软件来记录向心加速度和角速度的大小。将记录的数值导入Excel中进行数据处理与分析。本方案突破了仅仅通过理论推导向心加速度表达式的局限,切实促进考生核心素养能力的提升。

拓展3：研究二维光栅衍射。手机屏幕的像素点阵可以视为二维光栅,当激光入射时,会产生类似简单晶格衍射的图样。实验引入了手机软件phyphox进行光路的共轴调节,提高了测量精度,此处不再赘述。

拓展4：测速度。

【例3】(2022·河北省期末考试)某品牌手机配置有速度传感器,可以测定手摆动的速度。某同学手握手机,手臂伸直,以肩为轴自然下摆,手机显示,手臂先后两次摆到竖直方向时的速度大小之比为k(k>1)。若手机的质量不可忽略,不计空气阻力,则手臂这两次摆到竖直位置时,手机受到手竖直方向的作用力大小之比 ( )

A.为kB.为k2

C.大于k2D.小于k2

5 结语