曾毓斌

浙江省新昌中學(xué)，浙江 紹興 312500

高中物理核心素養(yǎng)的基本內(nèi)涵主要包括物理觀念的建立，科學(xué)思維的養(yǎng)成，實(shí)驗(yàn)探究真理的方式，遵循科學(xué)的態(tài)度與責(zé)任[1-2]。2015年浙江省實(shí)行新高考以來(lái)，到2019年4月，物理選考已經(jīng)實(shí)行了8次。根據(jù)對(duì)這8次物理選考真題的分析，筆者發(fā)現(xiàn)，在電磁感應(yīng)綜合問(wèn)題的考查中，含安培力的動(dòng)量定理考了6次，可見(jiàn)含安培力的動(dòng)量定理考的頻率非常高。動(dòng)量定理幾乎次次必考，而含安培力的動(dòng)量定理也是動(dòng)量定理考查中的重中之重，可以說(shuō)物理選考中對(duì)動(dòng)量定理的考查基本都是以含安培力的形式放在加試綜合題中，綜合性較強(qiáng)，靈活性較高，難度較大。從顯性角度的考查來(lái)看，這一部分綜合題主要考查學(xué)生對(duì)含安培力的動(dòng)量定理的靈活應(yīng)用；從隱形角度的考查來(lái)看，含安培力的動(dòng)量定理主要考查學(xué)生高中物理核心素養(yǎng)的幾個(gè)關(guān)鍵要素，集中體現(xiàn)了對(duì)物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究等核心素養(yǎng)的考查。

筆者在文中主要討論含安培力的動(dòng)量定理在電磁感應(yīng)綜合問(wèn)題中的巧妙應(yīng)用，以幫助學(xué)生對(duì)含安培力的動(dòng)量定理有一個(gè)更全面的總結(jié)，幫助廣大高中物理教師提高對(duì)含安培力的動(dòng)量定理在電磁感應(yīng)綜合問(wèn)題中靈活應(yīng)用的認(rèn)識(shí)。

1選考與素養(yǎng)——浙江省物理選考中含安培力的動(dòng)量定理與高中物理核心素養(yǎng)

1.1 高中物理核心素養(yǎng)

由北京師范大學(xué)林崇德教授領(lǐng)銜，華南師范大學(xué)、河南大學(xué)、山東師范大學(xué)、遼寧師范大學(xué)共同承擔(dān)的《我國(guó)基礎(chǔ)教育和高等教育階段學(xué)生核心素養(yǎng)總體框架研究項(xiàng)目》研究成果中，提出了“學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)體系”的總框架。其中，高中物理核心素養(yǎng)的基本內(nèi)涵主要包含四個(gè)維度：物理觀念的建立，科學(xué)思維的養(yǎng)成，科學(xué)探究真理的方式，遵循科學(xué)的態(tài)度與責(zé)任，具體見(jiàn)表1。

表1 高中物理核心素養(yǎng)體系

高中物理教學(xué)應(yīng)綜合反映人類在探索自然規(guī)律過(guò)程中取得的成果，以提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)為目標(biāo)。在高三物理復(fù)習(xí)教學(xué)中不僅要注重科學(xué)知識(shí)的傳授和技能的訓(xùn)練，更要注重對(duì)學(xué)生物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究以及科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神等核心素養(yǎng)各方面的培養(yǎng)。

1.2 浙江省物理選考中含動(dòng)量定理考點(diǎn)的核心素養(yǎng)的考查

從2015年10月到2019年4月，浙江省物理選考總共進(jìn)行了8次，其中有6次考查了動(dòng)量定理；考查的方式為與電磁感應(yīng)類問(wèn)題相結(jié)合，涉及安培力的沖量；難點(diǎn)在于對(duì)安培力沖量的變形，具體分析見(jiàn)表2。

表2 近四年浙江省物理選考對(duì)含安培力的動(dòng)量定理的考查

這一類型的綜合題以基本知識(shí)點(diǎn)為載體，主要關(guān)注學(xué)生對(duì)各部分知識(shí)點(diǎn)的靈活運(yùn)用，考查學(xué)生對(duì)物理過(guò)程的分析能力，考查學(xué)生處理問(wèn)題的思維能力，即考查學(xué)生高中物理核心素養(yǎng)的核心內(nèi)涵——科學(xué)思維中的模型構(gòu)建和科學(xué)推理以及科學(xué)探究中的問(wèn)題、證據(jù)與解釋。

2素養(yǎng)培養(yǎng)一角——通過(guò)對(duì)含安培力的動(dòng)量定理靈活變形來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)

從分析上看，含安培力的動(dòng)量定理對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的考查主要體現(xiàn)在對(duì)安培力的沖量BILΔt這一表達(dá)式的變形。安培力的沖量BILΔt主要有兩種變形：（1）BILΔt結(jié)合 q=IΔt變形為 BLq 來(lái)求電荷量，或者已知電荷量求速度，并進(jìn)而求能量等；（2）BILΔt結(jié)合 E=BLv 和變形為來(lái)巧求變加速運(yùn)動(dòng)中的位移。

這兩種變形對(duì)應(yīng)三種巧妙應(yīng)用，分析如下：

（1）安培力的沖量BILΔt變形為BLq巧求電荷量

含安培力的動(dòng)量定理簡(jiǎn)單表達(dá)式：BILΔt=mv-mv0， 結(jié)合表達(dá)式 q=IΔt可變形為：BLq=mvmv0，這一表達(dá)式可以巧求電量，也可以根據(jù)電量巧求能量。

例1（2015年10月浙江省普通高校招生選考科目考試物理試題加試題22題)如圖1所示，質(zhì)量m＝3.0×10－3kg的“ ”型金屬細(xì)框豎直放置在兩水銀槽中，“ ”型框的水平細(xì)桿CD長(zhǎng)l＝0.20 m，處于磁感應(yīng)強(qiáng)度大小 B1＝1.0 T、方向水平向右的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中。有一匝數(shù)n＝300匝、面積S＝0.01 m2的線圈通過(guò)開關(guān)K與兩水銀槽相連。線圈處于與線圈平面垂直的、沿豎直方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，其磁感應(yīng)強(qiáng)度B2的大小隨時(shí)間t變化的關(guān)系如圖2所示。

圖1 例1題目示意圖

圖2 B-t曲線

（1）（2）略。

（3）t＝0.22 s時(shí)閉合開關(guān) K，若安培力遠(yuǎn)大于重力，細(xì)框跳起的最大高度h＝0.20 m，求通過(guò)細(xì)桿CD的電荷量。

解析由動(dòng)量定理 FΔt＝mv－0

安培力F＝IB1l

ΔQ＝IΔt

v2＝2gh

由含安培力的動(dòng)量定理巧妙地將安培力中的電流和時(shí)間進(jìn)行了組合，從而求出某段時(shí)間內(nèi)流過(guò)導(dǎo)體的電荷量。

（2）安培力的沖量 BILΔt變形為 BLq，巧求運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的速度

含安培力的動(dòng)量定理變形表達(dá)式：BLq=mvmv0，這一表達(dá)式通過(guò)電量巧求運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的速度，進(jìn)而可以根據(jù)能量守恒定律求焦耳熱。

圖3 例2題目示意圖

例2（2016年4月浙江省普通高校招生選考科目考試物理試題加試題23題）某同學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)電磁推動(dòng)加噴氣推動(dòng)的火箭發(fā)射裝置，如圖3所示。豎直固定在絕緣底座上的兩根長(zhǎng)直光滑導(dǎo)軌，間距為L(zhǎng)。導(dǎo)軌間加有垂直導(dǎo)軌平面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)B。絕緣火箭支撐在導(dǎo)軌間，總質(zhì)量為m，其中燃料質(zhì)量為m′，燃料室中的金屬棒EF電阻為R，并通過(guò)電刷與電阻可忽略的導(dǎo)軌良好接觸。

引燃火箭下方的推進(jìn)劑，迅速推動(dòng)剛性金屬棒CD(電阻可忽略且和導(dǎo)軌接觸良好)向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)回路CEFDC面積減少量達(dá)到最大值ΔS，用時(shí)Δt，此過(guò)程激勵(lì)出強(qiáng)電流，產(chǎn)生電磁推力加速火箭。在Δt時(shí)間內(nèi)，電阻R產(chǎn)生的焦耳熱使燃料燃燒形成高溫高壓氣體。當(dāng)燃燒室下方的可控噴氣孔打開后，噴出燃?xì)膺M(jìn)一步加速火箭。

（1）（3）略。

（2）經(jīng)Δt時(shí)間火箭恰好脫離導(dǎo)軌。求火箭脫離時(shí)的速度v0。(不計(jì)空氣阻力)

解析由動(dòng)量定理得（BIL-mg）Δt=mv0

含安培力的動(dòng)量定理：BILΔt=mv-mv0，結(jié)合和E=BLv可變形為：Δ t=mv-mv0，根據(jù)這一表達(dá)式中的vΔt，再結(jié)合微元求和的思想可以巧求變速運(yùn)動(dòng)中的位移。

例3（改編）如圖4所示，兩根足夠長(zhǎng)的光滑金屬導(dǎo)軌G1、G2放置在傾角為α的斜面上，導(dǎo)軌間距為l，電阻不計(jì)。在導(dǎo)軌上端并聯(lián)接入兩個(gè)電阻均為R的小燈泡。整個(gè)系統(tǒng)置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度方向與導(dǎo)軌所在平面垂直，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B?，F(xiàn)將一質(zhì)量為m、電阻可以忽略的金屬棒MN從圖示位置由靜止開始釋放，經(jīng)過(guò)時(shí)間t0，兩燈泡開始并保持正常發(fā)光。金屬棒下落過(guò)程中保持與導(dǎo)軌垂直，且與導(dǎo)軌接觸良好。重力加速度為g。求：

（1）燈泡正常發(fā)光時(shí)，導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)的速率；

（2）在 t＝0 至 t＝t0期間，導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)的距離。

圖4 例3題目示意圖

解析（1）設(shè)燈泡額定電流為I0

流經(jīng)MN的電流I＝2I0

當(dāng)兩燈泡正常發(fā)光時(shí)，金屬棒勻速下滑。mgsinα＝2BI0l

金屬棒切割磁感線產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)為

（2）在 t＝0 至 t＝t0期間，對(duì)棒運(yùn)用動(dòng)量定理，有(mgsinα－iBl)Δt＝mΔv

3素養(yǎng)培養(yǎng)思考——含安培力的動(dòng)量定理變形對(duì)高三物理復(fù)習(xí)課中核心素養(yǎng)培養(yǎng)的啟示

2019年4月以后，浙江省物理選考與學(xué)考實(shí)行了分卷考試，物理選考單獨(dú)一張?jiān)嚲恚瑫r(shí)間90分鐘。這意味著今后浙江省物理選考綜合性將更強(qiáng)，對(duì)動(dòng)量定理等知識(shí)點(diǎn)綜合運(yùn)用的考查將更加深、更加復(fù)雜，對(duì)物理核心素養(yǎng)的考查將更加全面、要求將更高。筆者通過(guò)對(duì)前三年浙江省新高考物理選考含安培力的動(dòng)量定理的考查特點(diǎn)進(jìn)行分析，并結(jié)合自身對(duì)高中物理核心素養(yǎng)的理解，提出了以下幾條在高三復(fù)習(xí)中培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的措施：

（1）對(duì)物理概念和規(guī)律進(jìn)行復(fù)習(xí)時(shí)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行多方面、多角度的理解，以提高學(xué)生的科學(xué)推理能力

（2）在高三物理復(fù)習(xí)過(guò)程中，注意引導(dǎo)學(xué)生的問(wèn)題意識(shí)、證據(jù)意識(shí)，開發(fā)學(xué)生的科學(xué)探究能力

高三物理復(fù)習(xí)過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)物理概念和物理規(guī)律進(jìn)行質(zhì)疑，從而達(dá)到深層次的觀察和思考；將概念和物理規(guī)律中的物理量用其他具有等量關(guān)系的物理量進(jìn)行替換，實(shí)現(xiàn)概念和規(guī)律的蛻變，從而提高學(xué)生的科學(xué)探究能力，這是在物理概念和規(guī)律自身內(nèi)容上進(jìn)行思維發(fā)散；再將發(fā)散后的規(guī)律應(yīng)用到真實(shí)的物理情境中引導(dǎo)學(xué)生去體驗(yàn)，去建模，去提出質(zhì)疑，這樣可以發(fā)散學(xué)生的思維、培養(yǎng)學(xué)生物理概念和規(guī)律探究的好奇心，同時(shí)也可以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問(wèn)題、獨(dú)立解決問(wèn)題的能力。這樣的復(fù)習(xí)方法對(duì)高中物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)能提供豐厚的土壤。

（3）對(duì)物理復(fù)習(xí)中的典型題目進(jìn)行多角度改編，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)探究

高中物理核心素養(yǎng)中科學(xué)探究所包含的問(wèn)題、證據(jù)、解釋、交流等四個(gè)方面相輔相成。復(fù)習(xí)課中對(duì)學(xué)生科學(xué)探究這一核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，應(yīng)該以問(wèn)題為主導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生用問(wèn)題驅(qū)動(dòng)去尋找證據(jù)來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋的科學(xué)探究過(guò)程。為了達(dá)到這一核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，對(duì)一些典型題目如高考題進(jìn)行多角度改編，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)探究是一個(gè)非常好的措施。

4總結(jié)

2015年至2019年4月浙江新高考物理選考題目具有非常強(qiáng)的綜合性，對(duì)物理核心素養(yǎng)的考查更是重中之重，相信在今后物理選考分卷考試中更是如此。另外，物理概念和規(guī)律復(fù)習(xí)是高三物理復(fù)習(xí)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)研究新高考，借助對(duì)物理概念和規(guī)律的“變”，滲透一題多解，并對(duì)典型問(wèn)題進(jìn)行多角度改編，多方面設(shè)問(wèn)，能夠讓學(xué)生對(duì)看似不同類型的問(wèn)題進(jìn)行整合，進(jìn)而做到靈活運(yùn)用物理知識(shí)；一題多解和高考變式兩個(gè)物理復(fù)習(xí)策略能很好地避免題海戰(zhàn)術(shù)，還能很好地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，提高學(xué)生邏輯思維的準(zhǔn)確性和靈活性，增強(qiáng)學(xué)生邏輯思維的深刻性，在“變”中落實(shí)對(duì)高中生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)。