洪进步 任少铎

（1.厦门市翔安区教师进修学校，福建 厦门 361101；2.厦门市海沧区东孚中学，福建 厦门 361000）

物理学科的核心素养是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质，是学生科学素养的关键成分.物理学科关键能力是学习者在面对与学科相关的生活实践或学习探索问题情境时，高质量地认识问题、分析问题、解决问题所必须具备的能力.教育部考试中心认为物理科关键能力包括理解能力、推理论证能力、模型建构能力、实验探究能力、创新能力等5种关键能力.［1］2021年苏州市中考试卷的压轴题第28题，以迈克尔逊测光速实验为背景，立意新颖，构思巧妙，合理建构物理模型，突出物理学科核心素养，重点考查学生理解能力和推理论证能力等物理学科关键能力，可谓是物理学科思维物化的典范之一.

1 原题呈现

例题.光速的测定在物理学中有多种方法.迈克耳逊曾用类似于下述方法在地球上较精确测定了光速.将激光发射器和接收装置按图1所示位置固定.装置a是4个侧面均镀有高反光涂层的正方体，可绕固定的中心轴转动（图1所示为俯视图）.当正方体转动到图示位置静止时，激光束恰能以45°角照射到某侧面中心P点处，反射到相距几十公里外的一个山顶上，经此处的光反射器（内部结构未画出，不计光在其中的传播时间）反射后，平行于原光线射到正方体另一侧面中心Q点处，最终被接收装置接收到.

图1 苏州中考题插图

（1）若光速为3×105km/s，正方体到光反射器之间的距离为30 km，则光从P点射出到射回Q点所用的时间为________s；

（2）正方体快速转动一周，光反射器能接收到________次激光的照射；

（3）当正方体的转速为n圈/秒时，接收装置可接收到激光，正方体与对面山顶光反射器间距离用d（单位：m）表示，则测得的光速可能为________m/s（填写选项符号）

（A）8nd. （B）12nd.

（C）16nd. （D）20nd.

参考答案：（1）2×10-4；（2）4；（3）（A）.

2 试题背景

光速是一个重要的物理常量，历史上不少科学家都进行过光速测量实验.伽利略首先意识到光传播需要时间（光有速度），并且用实验进行了测量，但由于条件所限，误差极大；罗默用天文法测得的光速为c=214000 km/s；斐索用“旋转齿轮”进行了光速测量实验（测得的光速为c=315300 km/s）；傅科改进了菲索的方法，用“旋转镜法”测出了更接近实际的值（测得光速为c=298000 km/s）.迈克尔逊在斐索和傅科等人的基础上，设计了“旋转八角棱镜法”测量光速，实验装置如图2所示.如果棱镜静止不动，强光源S发出的光经过图2箭头所示的路径后会进入望远镜R从而被观察到；如果正八角棱镜逆时针转动（读者的角度），那么被镜面1反射的光，再次回到八角棱镜时，镜面3已经不在原来的位置了，此时光被正八角棱镜反射后就不能进入望远镜R中了.适当调节正八角棱镜的转速，使被镜面1反射的光，被再次反射回八角棱镜时，正八角棱镜恰好转过一面，即镜面2刚好转到镜面3原来的位置，那么光就会被镜面2反射并刚好进入R中.根据光传播的路程和棱镜转过1/8转所用的时间，就可以算出空气中的光速.迈克尔逊测出的光速为c=299796 km/s，这是当时最精确的光速值.［2］

图2 迈克尔逊实验示意图

迈克尔逊精准的光速数据，为狭义相对论的建立打下了实验基础.由于在光学精密测量和光谱学上的研究，迈克尔逊获得了1907年的诺贝尔物理学奖，也是美国第一个获的诺贝尔奖的科学家.从1879年到1926年的几十年里，迈克尔逊不断地改进光速测量实验，孜孜不倦，精益求精，不断刷新着有自己创造的记录.最后，在一次精心设计的光学测定过程中，迈克尔逊因脑溢血不幸去世.可以说，迈克尔逊将毕生都献给了光速的测量.［2］

3 试题赏析

本题是2021年苏州中考物理试卷的压轴题，难点在第（3）问.试题主要考查光速的计算，解题的关键是能够理解为什么正方体转动时，接收装置也可以接收到激光.同时还要求学生能够用所给的条件推导得出光速的可能值.具体来看，本题有以下特点值得借鉴.

3.1 立足物理学史，渗透建模意识

本题立足物理学史中著名的迈克尔逊测量光速实验，并将原实验进行了一定的简化，以降低难度.在呈现给学生时，试题突出主要因素（光从正方体到反射器的距离），忽略次要因素（光在反射器中传播的距离），将整个光速测量过程建构成一个理想的物理模型.通过突出建构模型，简化了物理过程，使物理情景形象化，有助于在学生大脑中渗透建构物理模型的意识，掌握抓住主要矛盾的科学方法，提高实验探究等综合能力.

3.2 基于实验过程，突出物理观念

试题基于测量光速的实验过程，考查学生对运动学知识的理解情况.本题突出“物理观念”中“运动观念”的几个基本概念：路程（光往返的路程）；时间（光往返的时间、棱镜转过一定角度的时间）；速度（光传播的速度、棱镜转动的速度）.试题要求学生从运动与相互作用观念等视角来思考问题，能否推理得出光往返的时间刚好等于棱镜转过一定角度的时间是正确解答本题的关键.

3.3 紧扣动态分析，彰显科学推理

试题第（2）问考查动态分析，即正方体转动一周，光反射器能接收到多少次激光的照射.由于旋转是一个动态过程，需要分析正方体处于不同位置时光的具体路径，并推理正方体转动一周的过程中光可以到达接收器几次.通过分析，正方体绕轴转动时，当入射光与正方体的反射面［图3（a）中的1面］之间的夹角为45°时，激光刚好可以被水平向左反射，继而进入反射器（未画出）并被平行射回正方体（光传播的时间忽略不计），被正方体的另一反射面［图3（a）中的2面］反射后刚好进入接收器.当入射光与正方体的反射面之间的角度非45°时，激光便不能被水平向左反射，也就不能进入反射器，自然无法再进入接收器.经过科学推理，入射光与正方体之间的夹角为45°角的时刻，刚好有4个（如图3所示），所以第（2）问答案为4.

图3 旋转动态过程分析

通过动态过程，要求学生能够基于实际过程综合运用几何知识分析问题，灵活运用逻辑思维进行推导，并最终解决问题，彰显科学推理，突出核心素养.

4 创设开放问题，考查关键能力

图4

试题最后一问，要计算出光速，必须对测量原理有深刻的理解，这就要求学生具备一定的抽象思维和高阶思维能力；通过设置开放性问题，进一步考查学生的推理论证能力、实验探究能力等关键能力.

4 试题拓展

4.1 关于棱镜的选择

本题为了降低难度，特意把八棱镜换成了正方体.事实上，初中阶段数学已经学习了平面几何知识和正多边形知识，学生能够算出正多边形的各个内角大小，也能够进行一定的平面几何推导.笔者认为，可拓展设计如下问题.

拓展问题1.在不改变其他器材及其位置的情况下，用如图5所示几种正多角棱镜（横截面均为正多边形）替代题中的正方体，当棱镜静止时，接收器能够接收到激光的是

图5 拓展选项图

（A）正五角棱镜. （B）正六角棱镜.

（C）正七角棱镜. （D）正八角棱镜

由于不改变其他装置及其位置，要让接收器能够接收到激光，根据平面几何知识可以得出，两个反射面必须垂直，满足这个条件的只有（D）选项（正八角棱镜）.对于此问，如果没用几何知识合力推理，则很有可能会选择（B）选项（正六角棱镜）.因此，用本问能够较好地诊断学生是否具备一定的科学推理能素养.

4.2 关于选项的拓展

原题的第（3）小问，或许为了降低难度，正确选项只设置了一个.根据第3问的描述，光速计算的理论值为c=8nd/x（x=1、2、3……），只有（A）选项符合题意.为了进一步考查学生的思维能力，可以将第（3）变为多选题，并将选项改为如下内容：

（A）2nd. （B）4nd.

（C）8nd. （D）16nd

如此，答案就不只有一个了，而是（B）、（C）均可.对于此问，如果认为光往返的时间棱镜只旋转了90°，则答案不全对；只有分析到棱镜有可能转过90°的整数倍的角度，才能够完全答对.修改后的问题能够更好的考查学生的推理论证能力、实验探究能力等关键能力.

4.3 关于过程的考查

由于题目第（3）小问理论上可以计算出无数个光速值，那么如何明确光速究竟是多少呢？对此本题并未深究.事实上，之所以能够计算出多个光速值，就是因为光经过一个来回的时间棱镜只要转动90°的整数倍就接收器就可以接收到光.因此只要从0开始逐渐增大棱镜的转速，那么接收器第一次接收到激光的时候，棱镜必然只转动了90°，此时光速的计算值就是唯一的了，历史上迈克尔逊也是如此进行实验的.笔者认为，为了进一步彰显科学推理和考查思维能力，应当拓展设计如下问题.

拓展问题2.正方体与对面山顶光反射器间距离用d（单位：m）表示，实验中应当如何操作才能准确的测定出光速的具体数值呢？

答案：从静止开始慢慢加快棱镜的转速，直到接收装置再次接收到激光时，记下此时的转速为n圈/秒，则光速为8nd.

通过本问，不仅展现了完整的迈克尔逊测量光速实验思路，还可以考查学生的思维能力，并有助于发展学生的科学探究素养，培养学生的创新精神，提高逻辑思维、实验探究等综合能力.

5 试题启示

当前中学物理教学仍然存在重知识轻能力的现象，不少教师仍采取填鸭式教学，无视学习兴趣的激发，不顾学生的认识发展规律，机械地把学生的思维活动带进预定的轨道，忽视学生高阶思维的发展.这种教学自然无法适应如今灵活多变的中考.对于苏州中考第28题而言，若单纯的考查平面几何知识，学生或许很容易作答，但考查在物理情境中运用几何知识解决实际问题，学生就不适应了，可见学生学生从“解题”向“解决问题”转变还不够彻底.

学习不仅是知识技能的相加，还必须使学习者具备应对未来的能力.因此，我们在教学过程中，应注重实际问题的解决，将物理与科学技术进步、生产生活实际紧密联系起来，通过设置真实的问题情境，要求学生能够在复杂的、新颖的试题情境下，抓住核心要素构建物理模型，综合运用所学知识和技能解决问题，实现从“解题”向“解决问题”的转变，发展学生的物理学科核心素养，以便今后更加适应社会的发展.