毛鸿鸣

【摘要】2021年广东省初中物理学业水平考试第23题以超声波测速为载体，有效地考查了学生复杂情境中的模型建构能力，综合物理问题的分析、推理能力，以及实践创新能力。题目新颖别致，凸显学科素养的考查，对初中物理教学具有导向性作用。本文在解析、素养考查分析的基础上，提出对今后教学的启示。

【关键词】初中物理;中考试题;素养考查;教学启示

原题  阅读下列短文，回答问题。

超声波测速

测距是测速的基础。如图1甲所示，超声波测速仪向静止的汽车发射超声波信号（简称信号），同时开始计时。信号传播过程中遇到汽车会被反射，测速仪接收到返回的信号就停止计时。根据记录的时间及其与路程、速度的关系，可计算出汽车与测速仪之间的距离。图乙是信号传播过程的s-t图象，s表示信号与测速仪之间的距离，t表示信号传播的时间。

测速仪测量汽车速度的原理是：测速仪向运动的汽车先后发射两次信号，根据汽车在两次遇到信号之间所通过的路程及所用的时间，由速度公式可得出汽车的平均速度。

测速仪在公路上对某跑车进行测速时，向匀速驶来的跑车发射两次信号，两次发射信号的时间间隔是1.0s，第一次发射信号到接收用时0.6s，第二次发射信号到接收用时0.3s。经测速仪测定，该跑车超速，驾驶员将受到交警部门处罚。（超声波速度取340m/s）

（1）如图乙所示，若t0=0.4s，则静止的汽车与测速仪之间的距离为_______m。

（2）通过计算，在图2中，大致画出测速仪对该跑车发射的两次信号传播过程的s-t图象（t从第一次发射信号开始计时）。跑车在两次遇到信号之间通过的路程为______m，跑车的速度大小为_______m/s。

一、试题难度分析

试题的难度主要集中在测速问题的求解上，具体分析下表。

问题 情境 求解问题 已知条件 知识与能力结构化程度

测距 单一：信号在测速仪与静止汽车间往返运动 简单：测速仪与汽车的距离 单一：信号从发射到接收的时间;声速 程度低：知识与技能的结构化程度低

测速 复杂：两列信号先后与运动的跑车相遇后返回测速仪 复杂：跑车运动的速度;信号传播的s-t图象 复杂：两次信号从发射到接收的时间;两次发射的间隔时间;声速 程度高：知识结构化程度低，技能的结构化程度、思维方式的综合程度高

二、学科素养考查分析

1.模型建构能力

要解决超声测速问题，需要将这一复杂情境中的对象和过程，转换成熟悉的测量物体运动速度的物理模型——测速仪向运动的跑车发射第一列信号，与跑车相遇反射回测速仪，“记下”第一次相遇的位置及时间;继续向跑车发射第二列信号，与跑车相遇反射回测速仪，“记下”第二次相遇的位置及时间。通过两次相遇的位置及时间，间接“测出”跑车在两次遇到信号之间通过的路程和时间，由此可测速跑车的速度。

2.分析、推理能力

如何求得跑车两次遇到信号之间通过的距离以及经过的时间呢？这需要进一步的分析、推理和判断，得出结论。

（1）相遇时间、距离的分析判断

由于超声波信号在发射仪与汽车往返运动时传播介质相同，所以传播的速度相同;而往返运动通过的路程相同，由t=s/v可知，所用的时间相同，为总传播时间的一半。由s=vt可得以下三段相遇距离。

①静止的汽车与测速仪之间的距离：

②第一次信号与跑车相遇时跑车与测速仪之间的距离：

③第二次信号与跑车相遇时跑车与测速仪之间的距离：

（2）跑车两次遇到信号通过距离的分析判断

如图3所示，跑车在两次遇到信号之间通过的路程S车，为跑车两次遇到信号时与测速仪距离的差。

s车=s1相遇-s2相遇=102m-51m=51m

（3）跑车两次遇到信号运动时间的分析判断

如图4所示，跑车在两次遇到信号之间经过的时间t车，为跑车两次遇到信号的时间差。

从第一次发射信号开始计时，0.3s后跑车第一次与信号相遇;经1.0s后发射第二次信号，0.15s后跑车与信号第二次发相遇，第二次与信号相遇的时间为1.0s+0.15s=1.15s，则：

t车=1.15s-0.3s=0.85s

（4）跑车速度的计算

由速度公式可得，v=s车/t车=51m/0.85s=60m/s

3.绘图用图能力

题目给出的s-t图象，纵坐标s表示的是信号与测速仪之间的距离（不是路程），其最值表示的是信号与跑车相遇时跑车与测速仪之间的距离，对应的时间为相遇时间。

根据上面的分析结果，可画出两次信号传播过程的s-t图象，如图5所示。由图可求得跑车两次遇到信号经过的时间为0.85s。

4.实践创新能力

测距是超声波的一个具体应用，测速是测距的创新实践，通过超声波连续两次的测距，得到汽车两次遇到信号所经过的路程与时间，从而测出汽车行驶的速度。这一过程有效考查了学生的创新实践能力。

三、对教学的启示

第一，夯实基础。超声波测距源于教材，是测速的基础。无论测距还是测速，都要用到匀速直线运动的基本规律、超声波测距的物理模型，去分析、解决问题。因此，学生必须牢固掌握这些基础知识，清晰、全面的认识超声波测距这一物理模型，如信号往返传播过程中具有的等速、等距、等时的特性等，只有这样，才能创造性的应用这些基础知识、基本模型解决更复杂的实际问题。

第二，发展思维。物理教学除让学生掌握必备的知识，还要形成关键能力，如建构模型、分析推理等科學思维能力。在平时的教学中不单要重视结果，更要重视思维的过程，这个结论是如何得来的，经过怎样的分析、推理的过程，多问几个为什么？比如，超声波在发射仪与反射物之间来回运动的时间是相等的，为什么？因为路程与速度均相同;为什么传播速度相同？因为传播的介质相同。这些问题看起来简单，但确实有利于学生的思辨能力的形成和思维深刻性的培养。

第三，提高识图用图能力。物理图象能形象表征复杂的物理过程或物理规律，图象法是一种重要的物理科学思维方法。本题中，一方面要求考生画出两次信号传播的s–t图象，用图象描述信号传播过程;另一方面，考生可以通过画图，如图3、图4和图5，将物理过程可视化，有效降低思维难度，有利于复杂问题的解决。在平时的教学当中，要重视物理图象的教学，多让学生运用物理图象表述物理过程或物理规律，如用方直图表示两个数量的关系、用图象表示晶体的熔化（凝固）过程、用I–U图象表示导体的电流与电压的关系等，让学生理解图象的物理含义，提高学生的识图、用图能力。

第四，培养实践创新能力。创新实践能力是物理核心素养的重要方面。测速是测距的创新应用，重点考查学生运用基础物理知识、规律以及熟悉的物理模型，创造性地解决实际问题。在平时的教学中，要加强与生活、生产实际、新科技的联系，让学生多经历实际问题的解决过程，如加油机如何实现空中加油、电冰箱如何制冷、人面识别技术如何进行人面识别等等，以培养和发展学生的实践创新的能力。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：45.

[2]李冬裕.一类含“时”的初中物理运动学问题例析[J].物理教学，2021（4）.