关于物理教学中科学探究的思考

关于物理教学中科学探究的思考

随着课程改革的深入，人们对课程改革的理念有了更深的理解，人才评价的概念、人才选拔的方法和方法发生了变化。综合分析2008年高考物理试题,我们发现高考命题在越来越多地渗透课程改革的新理念。1重视科学探究,实现学习的重新定位和核心科学探究,是指科学家在研究自然界的科学规律时所进行的科学研究活动。20世纪80年代后,我国和一些发达国家将科学探究作为一种教学方法引入到教学过程中,让学生处于动态、开放、生动、多元的学习环境中,使学生通过类似科学家的探究过程理解科学概念和科学探究的本质,并培养科学探究能力,从而将学习重心从过分强调知识的传承和积累向知识的探索过程转化,使学生从被动接受知识向自主学习转化。重视科学探究是我国新一轮基础教育改革的核心。科学探究的形式是多种多样的,有提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作等几个要素。科学探究既是物理课程的重要内容,又是重要教学方式;既是学生学习的学习目标,又是物理学习的重要方法。1.1.斜面的长度和倾角[例1](2008年上海高考物理试题)在伽利略羊皮纸手稿中发现的斜面实验数据如表1所示,人们推测第二、三列数据可能分别表示时间和长度。伽利略的一个长度单位相当于现在的mm,假设一个时间单位相当于现在的0.5s。由此可以推算实验时光滑斜面的长度至少为＿＿＿m;斜面的倾角约为＿＿＿度。(g取10m/s2)[解析]从表格可以看出,伽利略实验时光滑斜面的长度至少为。由得斜面的倾角θ=1.5°。[点评]该题以伽利略羊皮纸手稿中的斜面实验数据为命题素材,让考生顺着科学家的足迹探究问题,考查考生从表格中提取信息的能力;考查考生处理实验数据的能力;考查考生的估算能力。由于高考不允许使用计算器,本题只能由求出sinθ的数值。如由第一组数据知:斜面长度,时间t1=0.5s,求得sinθ=0.0247。怎样求出θ呢?考生不难发现sinθ数值很小,则联想到此时sinθ=θ,于是找到了问题的突破口。值得注意的是本题有8组数据,需要根据每一组数据求出θ值(见表2),然后取其平均值作为斜面的倾角。这道题看似简单,实则是一道考查考生能力的好题。1.2磁敏电阻实验电路原理图设计[例2](2008年山东高考物理试题)2007年诺贝尔物理学奖授予了两位发现“巨磁电阻”效应的物理学家。材料的电阻随磁场的增加而增大的现象称为磁阻效应,利用这种效应可以测量磁感应强度。若图1为某磁敏电阻在室温下的电阻—磁感应强度特性曲线,其中RB、R0分别表示有、无磁场时磁敏电阻的阻值。为了测量磁感应强度B,需先测量磁敏电阻处于磁场中的电阻值RB。请按要求完成下列实验。(1)设计一个可以测量磁场中该磁敏电阻阻值的电路,在图2的虚线框内画出实验电路原理图(磁敏电阻及所处磁场已给出,待测磁场磁感应强度大小约为0.6～1.0T,不考虑磁场对电路其它部分的影响)。要求误差较小。提供的器材如下:A.磁敏电阻,无磁场时阻值R0=150ΩB.滑动变阻器R,全电阻约20ΩC.电流表,量程2.5mA,内阻约30ΩD.电压表,量程3V,内阻约3kΩE.直流电源E,电动势3V,内阻不计F.开关S,导线若干(2)正确接线后,将磁敏电阻置入待测磁场中,测量数据如表:根据上表可求出磁敏电阻的测量值RB=＿＿＿＿Ω,结合图1可知待测磁场的磁感应强度B=＿＿＿＿T。(3)试结合图1简要回答,磁感应强度B在0～0.2T和0.4～1.0T范围内磁敏电阻阻值的变化规律有何不同?(4)某同学查阅相关资料时看到了图3所示的磁敏电阻在一定温度下的电阻-磁感应强度特性曲线(关于纵轴对称),由图像可以得到什么结论?[解析](1)设计实验电路原理图如图4所示。(3)在0～0.2T范围内,磁敏电阻的阻值随磁感应强度非线性变化(或不均匀变化);在0.4～1.0T范围内,磁敏电阻的阻值随磁感应强度线性变化(或均匀变化)。(4)由图像可知,磁场反向,磁敏电阻的阻值不变。[点评]本题考查利用磁阻效应测量磁感应强度,这是中学物理没有的新颖实验。题目要求考生设计实验方案,处理实验数据,利用图表解决问题,根据图像分析问题,这正是科学探究的要素。考生如果能熟练掌握科学探究的要素,就具备较强的科学探究能力。2维目标是科学的反映《普通高中物理课程标准(实验)》明确指出:“高中物理课程旨在进一步提高学生的科学素养,从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个方面培养学生,为学生终身发展、应对现代社会和未来发展的挑战奠定基础。”张维善教授在《课程改革的追求与物理教育的责任》中指出:“三维目标是科学完整内涵在科学教育中的反映。”“三维目标使学生真正懂科学,对科学产生敬畏之情。”“三维目标的关系,不是互相独立的,而是相互关联的。基本维度是知识技能,知识目标是基础,只有知识目标的落实,才有过程、方法、情感态度价值观。”2.1u3000关于重力加速度a[例3](2008年北京高考理科综合试题)有一些问题你可能不会求解,但是你仍有可能对这些问题的解是否合理进行分析和判断。例如从解的物理量单位,解随某些已知量变化的趋势,解在一些特殊条件下的结果等方面进行分析,并与预期结果、实验结论等进行比较,从而判断解的合理性或正确性。举例如下:如图5所示。质量为M、倾角为θ的滑块A放于水平地面上。把质量为m的滑块B放在A的斜面上。忽略一切摩擦,有人求得B相对地面的加速度,式中g为重力加速度。对于上述解,某同学首先分析了等号右侧量的单位,没发现问题。他进一步利用特殊条件对该解做了如下四项分析和判断,所得结论都是“解可能是对的”。但是,其中有一项是错误的。请你指出该项。A.当θ=0°时,该解给出a=0,这符合常识,说明该解可能是对的B.当θ=90°时,该解给出a=g,这符合实验结论,说明该解可能是对的C.当M垌m时,该解给出a=gsinθ,这符合预期的结果,说明该解可能是对的D.当m垌M时,该解给出,这符合预期的结果,说明该解可能是对的[解析]从应试的角度求解这道题并不困难。考生只要发现滑块B相对地面的加速度a不可能大于重力加速度g,显然题中错误的一项为(D)。[点评]《普通高中物理课程标准(实验)》在知识与技能、过程与方法、情感态度价值观三个维度上,提出了高中物理课程的具体目标:培养学生“能尝试运用有关的物理知识与技能解释一些自然现象和生活中的问题”;培养学生“具有一定的质疑能力,信息收集和处理能力、分析解决问题能力和交流合作能力”;培养学生“具有敢于坚持真理、勇于创新和实事求是的科学态度和科学精神,具有判断大众传媒有关信息是否科学可靠的意识”。本题要求考生判断他人的观点是否科学可靠,这需要考生具备相关的物理知识与技能,具有一定的质疑能力,具有判断有关信息是否科学可靠的意识。这正是从知识与技能、过程与方法、情感态度价值观三个维度对考生的考查,体现了新课程改革的理念。2.2方法导致汽车负载减少[例4](2008年高考广东物理试题)为了响应国家的“节能减排”号召,某同学采用了一个家用汽车的节能方法。在符合安全行驶要求的情况下,通过减少汽车后备箱中放置的不常用物品和控制加油量等措施,使汽车负载减少。假设汽车以72km/h的速度匀速行驶时,负载改变前、后汽车受到的阻力分别为2000N和1950N,请计算该方法使汽车发动机输出功率减少了多少?[解析]v=72km/h=20m/s,由P=Fv得故△P=P1-P2=(f1-f2)v=1×103W[点评]本题通过设置一个“节能减排”的实际问题,引导考生“尝试运用物理原理和研究方法解决一些与生产和生活相关的实际问题”;“了解并体会物理学对经济、社会发展的贡献,关注并思考与物理学相关的热点问题,有可持续发展的意识,能在力所能及的范围内,为社会的可持续发展做出贡献”。这就是新课程关于三维目标的理念。3现实生活的科技思想《普通高中物理课程标准(实验)》强调:“高中物理课程应加强与学生生活、现代社会及科技发展的联系,反映当代科学技术发展的重要成果和新的科学思想,关注物理学的技术应用所带来的社会热点问题,培养学生的社会参与意识和对社会负责任的态度。”3.1回转角速度匀速转动[例5](2008年高考广东物理试题)有一种叫“飞椅”的游乐项目,示意图如图6所示,长为L的钢绳一端系着座椅,另一端固定在半径为r的水平转盘边缘,转盘可绕穿过其中心的竖直轴转动。当转盘以角速度ω匀速转动时,钢绳与转轴在同一竖直平面内,与竖直方向的夹角为θ,不计钢绳的重力,求转盘转动的角速度ω与夹角θ的关系。[解析]设转盘转动的角速度为ω时,钢绳与竖直方向的夹角为θ。座椅到中心轴的距离为:R=r+Lsinθ对座椅分析有:F心=mgtanθ=mRω2[点评]本题以考生熟悉的游乐项目“飞椅”为背景,考查圆周运动和牛顿运动定律。飞椅的外圈是圆,具有对称性;飞椅的辐条具有对称性;飞椅在做圆周运动,具有对称性。本题设置的物理背景不仅常见有趣,而且对称优美。3.2小物体的运动过程[例6](2008年高考山东理科综合试题)某兴趣小组设计了如图7所示的玩具轨道,其中“2008”四个等高数字用内壁光滑的薄壁细圆管弯成,固定在竖直平面内(所有数字均由圆或半圆组成,圆半径比细管的内径大得多),底端与水平地面相切。弹射装置将一个小物体(可视为质点)以va=5m/s的水平初速度由a点弹出,从b点进入轨道,依次经过“8002”后从p点水平抛出。小物体与地面ab段间的动摩擦因数μ=0.3,不计其它机械能损失。已知ab段长L=1.5m,数字“0”的半径R=0.2m,小物体质量m=0.01kg,g=10m/s2。求:(1)小物体从p点抛出后的水平射程。(2)小物体经过数字“0”的最高点时管道对小物体作用力的大小和方向。[解析](1)设小物体运动到p点时的速度大小为v,对小物体由a到p过程应用动能定理得:小物体从p点抛出后做平抛运动:解得:s=0.8m(2)设在数字“0”的最高点时管道对小物体的作用力大小为F,有:解得:F=0.3N方向竖直向下。[点评]现代社会,象题中这样的宣传字、画,随处可见。本题设置的物理情景有趣、对称。物体的运动依次经过“8002”,而从左往右看则是今年高考的年份“2008”。高考命题专家利用对称的数字设置出对称有趣的物理情景,体现其独到的匠心,也反映出课程改革的新理念。3.3风力发电机输出电功率计算[例7](2008年北京高考理科综合试题)风能将成为21世纪大规模开发的一种可再生清洁能源。风力发电机是将风能(气流的动能)转化为电能的装置,其主要部件包括风轮机、齿轮箱,发电机等。如图8所示。(1)利用总电阻R=10Ω的线路向外输送风力发电机产生的电能。输送功率P0=300kW,输电电压U=10kV,求导线上损失的功率与输送功率的比值;(2)风轮机叶片旋转所扫过的面积为风力发电机可接受风能的面积。设空气密度为ρ,气流速度为v,风轮机叶片长度为r。求单位时间内流向风轮机的最大风能Pm;在风速和叶片数确定的情况下,要提高风轮机单位时间接受的风能,简述可采取的措施。(3)已知风力发电机的输出电功率P与Pm成正比。某风力发电机的风速v1=9m/s时能够输出电功率P1=540kW。我国某地区风速不低于v2=6m/s的时间每年约为5000小时,试估算这台风力发电机在该地区的最小年发电量是多少千瓦时。[解析](1)导线上损失的功率为损失的功率与输送功率的比值(2)风垂直流向风轮机时,提供的风能功率最大。单位时间内垂直流向叶片旋转面积的气体质量为:m=ρSv,S=πr2风能的最大功率可表示为:采取措施合理,如增加风轮机叶片长度,安装调向装置保持风轮机正面迎风等。(3)按题意,风力发电机的输出功率为最小年发电量约为W=P2t=160×5000kW·h=8×105kW·h[点评]本题考查风力发电。风能作为21世纪大规模开发的一种可再生清洁能源,必将受到人们的青睐。考生通过对该题的研究,提高了科学与经济、社会互动作用的认识,增强了将科学服务于人类的社会责任感和使命感。3.4u3000关于卫星周期与质量无关的问题[例8](2008年高考广东物理试题)图9是“嫦娥一号奔月”示意图,卫星发射后通过自带的小型火箭多次变轨,进入地月转移轨道,最终被月球引力捕获,成为绕月卫星,并开展对月球的探测,下列说法正确的是A.发射“嫦娥一号”的速度必须达到第三宇宙速度B.在绕月圆轨道上,卫星周期与卫星质量有关C.卫星受月球的引力与它到月球中心距离的平方成反比D.在绕月圆轨道上,卫星受地球的引力大于受月球的引力[解析]卫星达到第三宇宙速度就会脱离太阳系的束缚,飞到太阳系以外的空间里去。显然,选项(A)错误。在绕月圆轨道上,月球对卫星的万有引力提供卫星绕月球做圆周运动的向心力:,卫星的周期与其质量无关。可见,本题只有选项(C)正确。[点评]“嫦娥一号”发射不久,高考命题专家就选来作为命题素材,及时反映了我国科学技术发展最新、最重要的成果。“嫦娥一号奔月”运行轨道对称优美,让人一看就想探究其中的奥秘。3.5两推动间的相互作用力[例9](2008年高考海南物理试题)质子和中子是由更基本的粒子即所谓“夸克”组成的。两个强作用电荷相反(类似于正负电荷)的夸克在距离很近时几乎没有相互作用(称为“渐近自由”);在距离较远时,它们之间就会出现很强的引力(导致所谓“夸克禁闭”)。作为一个简单的模型,设这样的两夸克之间的相互作用力F与它们之间的距离r的关系为:式中F0为大于零的常量,负号表示引力。用U表示夸克间的势能,令U0=F0(r2—r1),取无穷远为势能零点。下列U-r图示中正确的是()[解析]由于当r>r2时,两夸克之间的相互作用力F=0,则把一夸克从无穷远处移到距另一夸克r2处,不需做功,所以距另一夸克r2处的势能与无穷远处的势能相等,均为零。同理,距另一夸克r1处的势能与距另一夸克为零处的势能也相等。由于取无穷远为势能零点,而两夸克之间为引力,当r1≤r≤r2,相互靠近过程中引力做正功,势能减少,势能为负值。综上所述,本题正确选项为(B)。[点评]高中物理并没有研究夸克间的势能,考生如果灵活地把正负电荷间势能的知识迁移过来就可以解决问题。高考命题注重渗透新的科学思想,考查考生灵活应变能力,体现了课程改革的新理念。4注重专业知识的提高《普通高中物理课程标准(实验)》明确指出:“高中物理课程在精选终身学习必备的基础知识与技能,关注物理学与其他学科的联系,培养学生基本能力的同时,应促进学生自主学习,让学生积极参与,乐于探究,勇于实验,勤于思考。通过多样化的教学方式,帮助学生学习物理知识与技能,培养其科学探究能力,使其逐步形成科学态度与科学精神。”4.1外接圆上最低、最高电势[例10](2008年高考海南物理试题)如图11所示,匀强电场中有a、b、c三点。在以它们为顶点的三角形中,∠a=30°、∠c=90°,电场方向与三角形所在平面平行。已知a、b和c点的电势分别为V和2V。该三角形的外接圆上最低、最高电势分别为()[解析]如图12所示,由对称性知外接圆的圆心O与d点、c点的电势相等,均为2V,则cOd为一条电势为2V的等势线,且。过O作直线mn垂直于cOd,则mn为匀强电场中的电场线。由图中几何关系知,∠bOm=30°。求得UmO=2V,UOn=2V。由c点的电势为2V,得m点的电势最高为4V,n点的电势最低为0V。本题正确选项为(B)。[点评]主张学生开展跨学科的研究活动,主张学生把物理知识和其它学科知识结合起来研究周围的生活和社会现象,这是课程改革的新理念。该题就是一道典型的与数学学科相联系的物理试题。4.2u3000近旁资金测试[例11](2008年高考海南物理试题)法拉第通过精心设计的一系列试验,发现了电磁感应定律,将历史上认为各自独立的学科“电学”与“磁学”联系起来。在下面几个典型的实验设计