物理源于生活

徐心悅　李豐果

摘? ? 要：通過情境設(shè)置考查學(xué)生的關(guān)鍵能力和核心素養(yǎng)，是當(dāng)前高考改革和國際考試測量的基本方向。以2022年廣東高考物理第13題為例，賞析該試題的命題情境，對該情境所對應(yīng)的生活真實(shí)情境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，發(fā)現(xiàn)試題模型與實(shí)際測量有所不同，以此深入探討題目呈現(xiàn)的物理模型和真實(shí)情境的差異。

關(guān)鍵詞：情境化試題；實(shí)驗(yàn)測量；物理模型

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2023）6-0035-5

創(chuàng)設(shè)情境教學(xué)、結(jié)合情境考查對培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出了物理學(xué)習(xí)評價(jià)應(yīng)圍繞物理學(xué)科核心素養(yǎng)的具體要求，創(chuàng)設(shè)真實(shí)而有價(jià)值的問題情境［1］。已有不少學(xué)者針對物理問題進(jìn)行了情境立體化［2］和情境可視化［3］等方面的研究。以情境為載體實(shí)現(xiàn)“四層”考查內(nèi)容和“四翼”考查要求是高考評價(jià)體系的實(shí)施路徑［4］。近兩年的廣東省高中學(xué)業(yè)水平選擇性考試（高考）物理試題也很好地凸顯了情境化，基于情境的試題占比更是達(dá)到80%以上［5］。

在2022年廣東高考物理試卷第13題中，以生活中的自動(dòng)雨傘開傘過程為命題情境，考查學(xué)生拆解多個(gè)運(yùn)動(dòng)階段、依次構(gòu)建物理模型、針對情境進(jìn)行物理觀念思維加工等物理學(xué)科關(guān)鍵能力?？疾榈闹R(shí)主要涉及受力分析、動(dòng)力學(xué)問題等，該題以生活中的真實(shí)問題為情境，與實(shí)際生活情境結(jié)合程度高，難度適中。該題所構(gòu)建的物理模型和真實(shí)的問題情境存在怎樣的不同也是教學(xué)中關(guān)注的熱點(diǎn)。本文首先呈現(xiàn)2022年廣東高考物理試卷第13題的原題并賞析命題情境，接著用自動(dòng)長柄雨傘進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，深入探討題目中呈現(xiàn)的物理模型和真實(shí)情境的差異，以深入體會(huì)并感悟物理試題與生活的密切性，幫助理解相關(guān)知識(shí)。

1? ? 原題呈現(xiàn)與情境分析

1.1? ? 原題呈現(xiàn)及解答

【2022年廣東高考物理第13題】（11分）某同學(xué)受自動(dòng)雨傘開傘過程的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了如圖1所示的物理模型。豎直放置在水平桌面上的滑桿上套有一個(gè)滑塊，初始時(shí)它們處于靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)滑塊從A處以初速度v0為10 m/s向上滑動(dòng)時(shí)，受到滑桿的摩擦力f為1 N，滑塊滑到B處與滑桿發(fā)生完全非彈性碰撞，帶動(dòng)滑桿離開桌面一起豎直向上運(yùn)動(dòng)。已知滑塊的質(zhì)量m=0.2 kg，滑桿的質(zhì)量M=0.6 kg，A，B間的距離l=1.2 m，重力加速度g取10 m/s²，不計(jì)空氣阻力。求：

（1）滑塊在靜止時(shí)和向上滑動(dòng)的過程中，桌面對滑桿支持力的大小N1和N₂；

（2）滑塊碰撞前瞬間的速度大小v；

（3）滑桿向上運(yùn)動(dòng)的最大高度h。

解析 （1）滑塊靜止時(shí)和向上滑動(dòng)過程中，分別根據(jù)平衡條件得

N₁=mg+Mg（1）

N₂+f=Mg （2）

由（1）和（2）式解得

N₁=8 N

N₂=5 N

（2）滑塊從開始滑動(dòng)至碰撞過程中，根據(jù)動(dòng)能定理有

-mgl-fl=1/2mv²-1/2mv₀²（3）

解得

v=8 m/s

（3）滑塊滑到B處與滑桿發(fā)生完全非彈性碰撞，根據(jù)動(dòng)量守恒定律有

mv=（M+m）v'（4）

碰撞后滑塊帶動(dòng)滑桿離開桌面一起做豎直上拋運(yùn)動(dòng)，根據(jù)豎直上拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律有

v'²=2gh（5）

聯(lián)立（4）（5）式解得

h=0.2 m

1.2? ? 情境賞析

該題基于自動(dòng)長柄雨傘開傘時(shí)彈簧沿傘柄運(yùn)動(dòng)建立情境。這類問題的求解對學(xué)生的物理模型建構(gòu)能力要求較高，需要學(xué)生有擷取關(guān)鍵信息、結(jié)合物理知識(shí)綜合分析、明晰研究對象與運(yùn)動(dòng)階段、構(gòu)建合適的模型、推演計(jì)算等綜合能力。自動(dòng)長柄雨傘結(jié)構(gòu)中的傘面、傘骨、傘柄和彈簧等部件聯(lián)動(dòng)機(jī)制較為復(fù)雜，為了符合高考中考查學(xué)生受力分析、勻加速直線運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)問題等知識(shí)點(diǎn)的要求，該題將開傘時(shí)帶動(dòng)傘面彈起的滑塊與彈簧抽象為豎直放置的沿滑桿向上運(yùn)動(dòng)的滑塊模型。

然而，在實(shí)際場景中，不考慮雨傘的傘面和傘骨作用時(shí)，將傘柄、傘帽朝上豎直放置，按動(dòng)雨傘開關(guān)讓滑塊與彈簧共同沿傘柄向上運(yùn)動(dòng)，彈簧由壓縮狀態(tài)釋放直至與傘柄末端限位碰撞。由于傘柄長度有限，彈簧與傘柄限位碰撞前，其長度始終恢復(fù)不到原長?；瑝K與彈簧由靜止釋放，沿傘柄運(yùn)動(dòng)時(shí)受到自身重力、摩擦力及彈簧彈力。由于彈簧硬度大，彈簧彈力始終大于重力與摩擦力的合力。因此，滑塊和彈簧的運(yùn)動(dòng)速度在與傘柄限位碰撞時(shí)應(yīng)達(dá)到最大。

彈簧與傘柄限位碰撞后，彈簧帶動(dòng)傘柄一起豎直向上運(yùn)動(dòng)，則整體做加速度為重力加速度的豎直上拋運(yùn)動(dòng)，因此碰撞后位移-時(shí)間關(guān)系圖應(yīng)呈拋物線，速度-時(shí)間關(guān)系圖應(yīng)呈直線。

2? ? 實(shí)驗(yàn)測量

2.1? ? 實(shí)驗(yàn)器材

自動(dòng)長柄雨傘（小蜜蜂牌，型號(hào)為1A10045），攝像機(jī)，Tracker軟件，砝碼，游標(biāo)卡尺。

2.2? ? 實(shí)驗(yàn)過程

2.2.1? ? 帶傘面的完整雨傘測量

將雨傘如圖2（a）懸掛。先將傘柄上的滑塊用白色紙條作出標(biāo)記，以便Tracker軟件分析視頻時(shí)追蹤目標(biāo)。接著，用三腳架固定手機(jī)，拍攝按動(dòng)雨傘開關(guān)后滑塊與彈簧由靜止開始運(yùn)動(dòng)的過程，如此重復(fù)拍攝多次。拍攝時(shí)需注意不能使用廣角鏡頭，使用廣角鏡頭會(huì)使視頻畫面邊緣產(chǎn)生畸變，會(huì)使尺寸定標(biāo)時(shí)產(chǎn)生較大誤差。將拍攝好的視頻導(dǎo)入Tracker軟件，對滑塊逐幀進(jìn)行目標(biāo)追蹤得到位移、速度信息。

2.2.2? ? 除去傘面帶傘骨測量

將傘面剪去，保留傘柄與傘骨（傘骨架）結(jié)構(gòu)，如圖2（b）所示。視頻拍攝和測量過程與帶傘面的完整雨傘的情況相同。

2.2.3? ? 除去傘面和傘骨測量

將雨傘上與滑塊相連的傘骨拆除，僅保留傘柄、彈簧、滑塊，如圖2（c）所示。由于滑塊與彈簧沒有傘骨的作用，且彈簧勁度系數(shù)很大，無法徒手將其壓縮并釋放彈起，因此無法測量。由于彈簧是自動(dòng)長柄雨傘的關(guān)鍵部件，雨傘的傘面就是靠彈簧強(qiáng)大的彈力將其撐開。利用胡克定律測量傘柄上彈簧的勁度系數(shù)。

2.3? ? 測量結(jié)果與分析

2.3.1? ? 帶傘面的完整雨傘

處理用完好雨傘進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)。先將多組數(shù)據(jù)取平均值，導(dǎo)出繪圖。繪圖時(shí)為便于校準(zhǔn)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，將滑塊彈簧與傘柄限位碰撞處作為縱坐標(biāo)零點(diǎn)；為減小逐幀追蹤時(shí)手動(dòng)取點(diǎn)造成的誤差，將繪制的圖線作了平滑處理。得到了完好雨傘開傘過程的位移-時(shí)間圖像（圖3）與速度-時(shí)間圖像（圖4）。圖3中選取了彈簧與傘柄限位碰撞處為零點(diǎn)，則縱坐標(biāo)y表示為滑塊到碰撞處的距離，橫坐標(biāo)則為運(yùn)動(dòng)時(shí)間t。

從圖3可以看出：當(dāng)時(shí)間t=0.518 33 s時(shí)，y=0，彈簧與傘柄限位碰撞；當(dāng)時(shí)間t=0.942 50 s時(shí)，雨傘運(yùn)動(dòng)至最高點(diǎn)，上升高度為y=0.364 42 m。

從圖4可以看出：當(dāng)雨傘上升時(shí)間t=0.433 85 s時(shí)，彈簧和滑塊速度達(dá)到最大值。因碰撞時(shí)刻為t=0.518 33 s，說明在彈簧與傘柄限位碰撞前，彈簧與滑塊的速度就已達(dá)到最大值。

2.3.2? ? 除去傘面帶傘骨測量

處理用拆除傘面的傘骨架進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，將所得數(shù)據(jù)取平均值，導(dǎo)出繪圖并將圖像平滑處理，得到位移-時(shí)間圖像（圖5）與速度-時(shí)間圖像（圖6）。

從圖5可以看出：

當(dāng)時(shí)間t=0.166 67 s時(shí)，y=0，彈簧與傘柄限位碰撞；當(dāng)時(shí)間t=0.486 48 s時(shí)，雨傘運(yùn)動(dòng)至最高點(diǎn)，上升高度為y=0.721 04 m。

從圖6可以看出：

當(dāng)雨傘上升時(shí)間t=0.114 07 s時(shí)，為彈簧和滑塊速度達(dá)到最大值。因碰撞時(shí)刻為t=0.166 67 s，說明在彈簧與傘柄限位碰撞前，彈簧與滑塊的速度就已達(dá)到最大值。碰撞后滑塊、彈簧與傘整體共同向上做加速度為重力加速度的減速運(yùn)動(dòng)。與情境分析中得到的“運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)在碰撞時(shí)達(dá)到最大值”推論不符，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示滑塊與彈簧在碰撞前運(yùn)動(dòng)速度已達(dá)到最大。碰撞后，滑塊（傘）運(yùn)動(dòng)速度的減小趨勢呈周期性起伏，與情境分析中得到的“碰撞后速度與時(shí)間關(guān)系圖呈直線”推論不符。這是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中，原本用于支撐傘面的傘骨在向上運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)周期性上下振動(dòng)，從而影響傘的運(yùn)動(dòng)。

在傘骨被撐起的過程中，彈簧逐漸伸長，同時(shí)將自身“舉起來”沿著傘柄向上運(yùn)動(dòng)。彈簧之所以能夠克服自身重力并撐起傘面、傘骨，得益于其與傘骨組成的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并在起始時(shí)要有足夠的壓縮量，及其勁度系數(shù)要足夠大。因此，若拆除傘骨，彈簧無法彈起。用直線擬合出該彈簧所受拉力與形變量關(guān)系圖（圖7），得該彈簧勁度系數(shù)約為4 750 N/m。

分別將圖3—圖6的位移-時(shí)間圖像與速度-時(shí)間圖像進(jìn)行合并（圖8、圖9），比較完好雨傘與除去傘面的傘骨架的運(yùn)動(dòng)過程。

從圖8可以看出：除去傘面的傘骨架在t=0.486 48 s時(shí)到達(dá)運(yùn)動(dòng)最高點(diǎn)y=0.721 04 m處，完好雨傘則在t=0.942 50 s時(shí)到達(dá)運(yùn)動(dòng)最高點(diǎn)y=0.364 42 m處。

從圖9可以看出：除去傘面的傘骨架在t=0.114 07 s時(shí)其滑塊與彈簧運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到最大值v=6.119 53 m/s，完好雨傘在t=0.433 85 s時(shí)其滑塊與彈簧運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到最大值v=2.760 49 m/s。

對比發(fā)現(xiàn)，傘骨架運(yùn)動(dòng)的最高點(diǎn)比完好雨傘運(yùn)動(dòng)的最高點(diǎn)高將近一倍，其運(yùn)動(dòng)過程中達(dá)到的最大速度比完好雨傘的最大速度要大，運(yùn)動(dòng)至最高點(diǎn)的用時(shí)比完好雨傘的用時(shí)短。傘骨架沒有傘面，相比完好雨傘受到的空氣阻力小，傘骨架的空氣阻力可以忽略不計(jì)，計(jì)算傘面克服空氣阻力做功約為0.882 18 J。

完好的雨傘在豎直方向的運(yùn)動(dòng)過程中，速度變化基本對稱。而傘骨架在加速過程中加速度很大，到達(dá)最大速度用時(shí)比完好雨傘的短。但由于其減速過程中傘骨會(huì)周期性上下振動(dòng)，受傘骨振動(dòng)影響，其加速度比加速過程中的加速度要小。

3? ? 教學(xué)啟示

3.1? ? 重視教材，品味思想

自2020年起，教育部考試中心不再制定高考考試大綱，以課程標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)編寫的教材應(yīng)被教師充分重視。以2022年廣東高考物理試卷第13題為例，考生對第（1）問的作答情況并不理想。該問的考查內(nèi)容涉及牛頓第三定律的理解與應(yīng)用，很多考生無法將求解桌面對滑桿的支持力大小運(yùn)用牛頓第三定律轉(zhuǎn)換為求滑桿對桌面的壓力大小，從而導(dǎo)致失分。其實(shí)該問可溯源自粵教版高中物理教材必修第一冊“牛頓第三定律”這節(jié)中練習(xí)第3題的底座、直立桿、套環(huán)模型。其次，牛頓第三定律內(nèi)容簡單，教師在教學(xué)中更應(yīng)突出的是其為解決力學(xué)問題時(shí)轉(zhuǎn)換研究對象提供理論基礎(chǔ)的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。教師應(yīng)將物理學(xué)科在研究和解決問題時(shí)的思想方法、價(jià)值取向等通過課堂教學(xué)傳達(dá)給學(xué)生?？偟膩碚f，教師在日常教學(xué)中應(yīng)理清教材邏輯，落實(shí)基本概念，奠定思想基礎(chǔ)。 3.2? ? 發(fā)現(xiàn)生活，感知體驗(yàn)

情境化試題是指以自然界及社會(huì)生活、生產(chǎn)中客觀存在的物理現(xiàn)象或過程為背景，考查學(xué)生運(yùn)用物理概念、規(guī)律解決問題的試題。解決這類問題對學(xué)生的物理模型建構(gòu)能力提出高要求。物理模型建構(gòu)能力在以情境為考查載體的趨勢下尤為關(guān)鍵，以能發(fā)現(xiàn)可建構(gòu)模型的生活現(xiàn)象為前提，以理解物理概念和規(guī)律為基礎(chǔ)。因此，提升模型建構(gòu)能力對于提高學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)、引導(dǎo)學(xué)生的物理視野回歸真實(shí)生活有著不可取代的作用，也引導(dǎo)著物理教學(xué)走向情境化教學(xué)。

除此之外，情境也可以三維立體空間形式呈現(xiàn)，更大程度地體現(xiàn)具體真實(shí)問題。解決三維問題則需要學(xué)生先“降維”處理。因此，教師應(yīng)利用好課程標(biāo)準(zhǔn)與教材提供的典型問題情境，設(shè)置真實(shí)有價(jià)值的生活情境，幫助學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中感知生活、體驗(yàn)生活，同時(shí)也要避免在教學(xué)中堆砌情境，避免使情境化教學(xué)變成新型“情境題?！薄?/p>

4? ? 結(jié)? 語

高考中所考查的物理模型多是從真實(shí)生活情境中有層次地進(jìn)行抽象和簡化過的。學(xué)生在學(xué)習(xí)物理的過程中需要更多的生活經(jīng)歷與體驗(yàn)。教師應(yīng)充分研讀教材，充分利用并合理發(fā)散教材中的問題情境，帶給學(xué)生多元的物理視角。教師要有發(fā)現(xiàn)生活中物理元素的敏銳度，將教材中的模型與真實(shí)生活相結(jié)合，從而引導(dǎo)學(xué)生感知生活中無處不在的物理痕跡。

參考文獻(xiàn)：

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（欄目編輯? ? 陳? 潔）