陈 燕 王加元

(江苏省江阴市成化高级中学,江苏 无锡 214423)

1 引言

“用单摆测量重力加速度的大小”是选择性必修第一册第二章《机械振动》的内容。高中生首次学习重力加速度,是在必修第一册第二章《匀变速直线运动的研究》中第4节“自由落体运动”,教材提出用打点计时器研究自由落体运动,测量重物下落的加速度,这是对这一章第一节“实验：探究小车的速度随时间变化的规律”的巩固。在教学中还可以用竖直放置的光电门或用频闪照相的方法测量重力加速度,得到更精确的加速度值。而在“做一做”栏目介绍了使用手机测自由落体加速度的方法,这是利用智能手机内置的加速度传感器来实现的,需要学生在手机上安装能显示加速度的应用程序,如Phyphox App,使学生的探究活动以智能电子设备为载体,利用生活中的器材测量重力加速度。

《中国高考评价体系》强调高考命题必须坚持引导教学,笔者选取近几年高考物理题中有关测量重力加速度实验的试题,通过对比、剖析其引导教学的功能,达到理顺教、考关系,实现“以考促教、以考促学”的目的。

2 测量重力加速度的创新实验

2.1 滴漏

滴漏是古代用水滴来计时的装置,我国最早记载见于《周礼》,元、清时期有较完整的漏刻流传于世,计时的准确度取决于水流的均匀程度。2018年海南省高考物理卷第11题中利用分液漏斗进行滴水计时,由于斗体较大,短时间内滴水速度几乎不受壶中液面高度变化的影响。

例1(2018年海南)：学生课外实验小组使用如图1所示的实验装置测量重力加速度大小。实验时,他们先测量分液漏斗下端到水桶底部的距离s;然后使漏斗中的水一滴一滴地下落,调整阀门使水滴落到桶底发出声音的同时,下一滴水刚好从漏斗的下端滴落;用秒表测量第1个水滴从漏斗的下端滴落至第n个水滴落到桶底所用的时间t。

图1

(1) 重力加速度大小可表示为g=(用s、n、t表示)。

(2) 如果某次实验中,s=0.90 m,n=30,t=13.0 s,则测得的重力加速度大小g=m/s2(保留2位有效数字)。

(3) 写出一条能提高测量结果准确程度的建议。

(3) 由上述表达式可知,适当增大n可以提高时间T测量的准确度,多次测量取平均值可以提高测量结果的准确度。

该题首先要求学生理解分液漏斗滴水是均匀的,能将水滴的下落运动建构为自由落体运动,且能用自由落体运动规律解决问题,考查了学生的科学思维能力。最后开放式的设问,旨在引导一线教师注重真实的实验探究。

2.2 传感器

传感器在中学物理实验中的应用已经非常广泛,光电门传感器常应用于计数、计时、测速等方面,2022年辽宁物理卷第12题考查了光电传感器的基本应用。

例2(2022年辽宁)：某同学利用如图2所示的装置测量重力加速度,其中光栅板上交替排列着等宽度的遮光带和透光带(宽度用d)表示。实验时将光栅板置于光电传感器上方某高度,令其自由下落穿过光电传感器。光电传感器所连接的计算机可连续记录遮光带、透光带通过光电传感器的时间间隔Δt。

(1) 除图中所用的实验器材外,该实验还需要(选填“天平”或“刻度尺”)。

(2) 该同学测得遮光带(透光带)的宽度为4.50 cm,记录时间间隔的数据如表1所示。

表1

根据上述实验数据,可得编号为3的遮光带通过光电传感器的平均速度大小为v3=m/s(结果保留两位有效数字)。

(3) 某相邻遮光带和透光带先后通过光电传感器的时间间隔为Δt1、Δt2,则重力加速度g=(用d、Δt1、Δt2表示)。

(4) 该同学发现所得实验结果小于当地的重力加速度,请写出一条可能的原因：。

解析：(1)该实验不需要天平,需要用刻度尺测量遮光带(透光带)的宽度,故选刻度尺。

(4) 光栅板受到空气阻力的作用。

本题需要学生熟知用光电门传感器测速的原理,知道光栅板的下落是自由落体运动,特别是第(3)问需要学生正确运用该运动的某段时间内中间时刻的瞬时速度与该段时间内的平均速度相等的结论,画出运动的过程示意图,才能准确求出时间间隔,充分体现了高考对科学思维能力的考查要求。

改革时期是华语解禁与复苏的时期。印尼2009年第24号法律颁布以后，印尼语、地方语和外语有了更明确的定位。目前印尼华语的法律地位是外语，政府维护华人以华语为家庭用语的权利，但在教育体系中必须作为外语进行教学。因此，华校只能以三语学校的形式办学，华语只是学校的办学特色之一。与旧秩序末期一样，印尼语作为教学用语的规定限制了华语在学校的使用。华语只是一门课程，华语的使用范围也仅限于该课程。

2.3 智能手机

智能手机的拍照、摄像功能在辅助物理教学方面应用广泛,智能手机都内置了多种传感器,结合手机软件可实现多个物理量的测量,为开展物理实验教学提供了新的方法和途径。2020年江苏卷第11题和山东卷第13题应用了手机的摄像功能,2022年江苏卷第11题则是声学秒表软件的应用。智能手机的运用丰富了中学物理实验教学手段,提升了学生的核心素养。

例3(2020年江苏)：疫情期间“停课不停学”,小明同学在家自主开展实验探究。用手机拍摄物体自由下落的视频,得到分帧图片,利用图片中小球的位置来测量当地的重力加速度,实验装置如图3所示。

图3

(1) 家中有乒乓球、小塑料球和小钢球,其中最适合用作实验中下落物体的是。

(2) 下列主要操作步骤的正确顺序是(填写各步骤前的序号)。

① 把刻度尺竖直固定在墙上

② 捏住小球,从刻度尺旁静止释放

③ 手机固定在三角架上,调整好手机镜头的位置

④ 打开手机摄像功能,开始摄像

图4

(4) 在某次实验中,小明释放小球时手稍有晃动,视频显示小球下落时偏离了竖直方向。从该视频中截取图片,(选填“仍能”或“不能”)用(3)问中的方法测出重力加速度。

解析：(1) 为了使物体的运动尽可能地接近自由落体运动,应该尽量减少空气阻力的影响,所以下落物体选小钢球。

(2) ①、③为实验前的准备工作,应以刻度尺位置为参照调整镜头位置,故①在③前面。先开始摄像,再释放小球,可以顺利获得小球下落过程的录像,故④在②前面,即操作步骤正确的顺序为①③④②。

(4) 由于手机的晃动,小球下落时偏离了竖直方向,但小球在竖直方向上的分运动仍是加速度为g的匀加速直线运动,仍可以用Δh=gT2求出重力加速度,结果不受影响。

对于该题第(1)问,要想顺利得出用小钢球做实验所受空气阻力的影响较小,就需要开展真实的实验探究。第(2)问考查学生实验方法的迁移运用能力,将“先接通电源,再释放纸带”迁移转换为先开始摄像后释放小球。第(3)问类比纸带问题的处理方法,考查了学生的科学思维能力。第(4)问设计了一个实际问题,因手机的晃动导致小球运动偏离竖直方向,让学生通过科学论证得出结论：小球在竖直方向上的分运动仍是加速度为g的匀加速直线运动。

例4(2022年江苏)：小明利用手机测量当地的重力加速度,实验场景如图5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5

(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6所示,则h=cm。

图6

(3) 画出2h-t2图像(图7),则可得到重力加速度g=m/s2。

图7

(4) 在图5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) 实验中应当选用A(钢球)。

(2) 测得该级台阶高度61.20 cm。

前三问为基础要求,后两问对科学思维的要求较高,需要学生在考虑声速的前提下重新建构物理模型,并对实验结论作出解释,体现了科学探究的思想。

江苏省2020年的高考实验题中使用的是手机的拍照功能,而2022年的高考实验题则需要通过视频逐帧处理技术进行数据处理,用到了手机软件和内置传感器。将智能手机应用于高中物理实验中,这是实验器材方面的创新,也对学生的科学思维能力和实验探究能力提出了更高的要求。

以上几道高考题充分体现了高考命题引导教学的核心功能,推动信息技术与中学物理实验教学的整合,是改进和优化传统实验教学的重要途径,可以激发学生的求知欲,培养学生的科学思维和科学探究能力,实现中学物理实验教学的创新。