唐昌琳
[摘 要]2021年全國高考已經(jīng)結束,縱觀2021年全國高考物理試題,不論是新高考(3+1+2)模式物理試題,還是傳統(tǒng)的大文大理(3+X)模式物理試題,抑或是單獨命題的省市高考物理題都體現(xiàn)了“一核、四層、四翼”的命題要求。其中“一核”是高考的核心功能,即“立德樹人、服務選才、引導教學”;“四層”為高考的考查內(nèi)容,即“核心價值、學科素養(yǎng)、關鍵能力、必備知識”;“四翼”為高考的考查要求,即“基礎性、綜合性、應用性、創(chuàng)新性”。但具體到每一份試題上又各有側重,各具特點,仔細研究這幾份高考物理試題對來年高三物理教學有一定的積極作用。
[關鍵詞]高考物理試題;對比賞析;學科素養(yǎng)
[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058(2021)26-0033-06
作為一個高中教學工作者,關心每年高考,注重高考試題的導向性,是一件很正常的事。筆者對2021年高考的全國甲卷、乙卷,浙江卷,廣東卷,河北卷,湖南卷的知識覆蓋面、難易度、試題特點等做了一個簡單的片段式梳理,感覺2021年的高考試題特別注重對物理觀念、科學思維、科學探究素養(yǎng)的考查。2021年全國高考有新高考卷,傳統(tǒng)高考卷,還有上海、浙江等省市單獨命制的高考卷,試卷種類較多,但每一份試卷的命制都體現(xiàn)了“一核、四層、四翼”的命題要求。高中物理知識點多,題型各不相同,具體到每一道題,由于考查的要求、涉及的知識點、題目背景等都不同,因此,命題者可以根據(jù)高考命題要求,命制出千變?nèi)f化的試題(卷),但這些試卷的總體難度應當大致相當。廣大高三物理教師深入研究這些高考試題對做好來年高三物理教學工作具有積極的作用。本文從以下幾個方面進行分析探討。
一、試題考查的知識點與難易度
(一)選擇題考查的知識點與難易度
說明:浙江省高考模式,物理一年考兩次,一份試卷涉及的知識內(nèi)容較多,題目也較多,其中選擇題有16道,實驗題3道,計算題4道。多出的6道選擇題用列表的方式處理有所不便,在此用文字簡述。(本文所講的浙江卷指的是2021年6月浙江選考卷)
第11題考查動能定理,屬容易題;第12題考查光的反射、折射定律,屬容易題;第13題考查物質(zhì)波,屬中等題;第14題考查原子的核衰變及人工轉變,屬容易題;第15題考查電流間的相互作用及磁感應強度的疊加,屬容易題;第16題考查薄膜干涉,屬容易題。
(二)實驗題考查的知識點與難易度
(三)計算題考查的知識點與難易度
二、試題簡析
試題的覆蓋面和難易度從上表中可以看出大概。就覆蓋面而言,每套題均覆蓋了直線運動、曲線運動的條件及運動的描述,牛頓運動定律,功與能,動量與動量守恒,電路,電磁場,電磁感應等主干知識。每套題對非主干知識都有所考查,題量大的試題對非主干知識的考查面相對寬一些,試題均比較容易。其中單獨考物理的試卷,因題量多,覆蓋面更廣。
對比以上多套試卷,整體上看湖南卷難度稍大,其余5套試題的難度大致相當。在各卷中,難度較大的題是對大多數(shù)考生而言的,對優(yōu)等生來說不算很難。每套試卷均有高分出現(xiàn)。
(一)試題背景取材
1.關注科技前沿,鼓勵學生立志高遠
隨著我國北斗導航系統(tǒng)組網(wǎng)成功并投入使用,空間站的建設與使用,對月球、火星的探測不斷取得新的成果,相關知識在2021年各套試卷中均有考查。全國甲卷選擇題第4題取材于“天問一號”繞火星運動的停泊軌道;全國乙卷選擇題第5題取材于銀河系恒星S2繞某黑洞運行;浙江卷選擇題第4題取材于“天問一號”著陸火星表面場景;廣東卷選擇題第2題取材“天和”核心艙繞地球運行;河北卷選擇題第4題取材于“天問一號”繞火星運動的停泊軌道;湖南卷選擇題第7題取材于核心艙繞地球運行。這類高考題的背景材料都是我國在科學技術方面取得的偉大成就,學生通過閱讀這些試題,可潛移默化地影響他們?yōu)樽鎳目萍际聵I(yè)努力奮斗的意志。
2.體現(xiàn)“物理源自生活,物理服務社會”的理念
2021年高考物理試題中很多素材來源于生產(chǎn)、生活。如,全國甲卷選擇題第2題“旋轉紐扣”,就是一種傳統(tǒng)游戲;計算題第1題,取材于各小區(qū)、村莊常見的減速帶;全國乙卷計算題第1題,取材于打籃球的運球場景;浙江卷選擇題第2題就是常見動物貓的行走、鳥的飛翔、馬的奔跑,第7題取材于蕩秋千,第11題取材于建筑工地常見的泵車,第12題取材于常見的塑料光盤,第16題取材于小時候玩的肥皂膜。計算題第1題取材于車輛禮讓行人過馬路;廣東卷選擇題第3題取材于農(nóng)耕時代用的曲轅犁、直轅犁,第4題取材于車庫常見的曲桿道閘,計算題第1題取材于我國古老的計算工具——算盤;河北卷選擇題第2題取材于最精密的銫原子鐘,計算題第1題取材于滑雪道(現(xiàn)在南方許多地方也建有滑雪道或滑草道);湖南卷選擇題第3題取材于我國最先進的“復興號”動車組。這類試題的背景材料源自生產(chǎn)、生活,讓學生深刻理解物理就在我們的身邊,學好物理能有效解決生產(chǎn)生活中的實際問題。
(二)試題對學科素養(yǎng)的考查
高中物理核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學思維、科學探究、學科態(tài)度與責任幾個方面的內(nèi)容,2021年全國各套試卷在這四方面的檢測力度都是很大的,每一道試題都會對應考查一定的學科素養(yǎng),而且各自考查的側重點也有所不同,由于篇幅所限,本文僅以廣東、河北、湖南三套卷的計算題第2題為例,分享命題者用試題檢驗核心素養(yǎng)的策略。
【原題1】(2021年廣東卷第14題)圖1是一種花瓣形電子加速器簡化示意圖,空間有三個同心圓a、b、c圍成的區(qū)域,圓a內(nèi)為無場區(qū),圓a與圓b之間存在輻射狀電場,圓b與圓c之間有三個圓心角均略小于90°的扇環(huán)形勻強磁場區(qū)Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。各區(qū)感應強度恒定,大小不同,方向均垂直紙面向外。電子以初動能[Ek0]從圓b上P點沿徑向進入電場,電場可以反向,保證電子每次進入電場即被全程加速,已知圓a與圓b之間電勢差為U,圓b半徑為R,圓c半徑為[3R],電子質(zhì)量為m,電荷量為e,忽略相對論效應,取[tan 22.5°=0.4]。
(1)當[Ek0=0]時,電子加速后均沿各磁場區(qū)邊緣進入磁場,且在電場內(nèi)相鄰運動軌跡的夾角[θ]均為45°,最終從Q點出射,運動軌跡如圖1中帶箭頭實線所示,求Ⅰ區(qū)的磁感應強度大小、電子在Ⅰ區(qū)磁場中的運動時間及在Q點出射時的動能;
(2)已知電子只要不與Ⅰ區(qū)磁場外邊界相碰,就能從出射區(qū)域出射。當[Ek0=keU]時,要保證電子從出射區(qū)域出射,求k的最大值。
【原題2】(2021年河北卷第14題)如圖2,一對長平行柵極板水平放置,極板外存在方向垂直紙面向外、磁感應強度大小為B的勻強磁場,極板與可調(diào)電源相連,正極板上O點處的粒子源垂直極板向上發(fā)射速度為[v0]、帶正電的粒子束,單個粒子的質(zhì)量為m、電荷量為q,一足夠長的擋板[OM]與正極板成[37°]傾斜放置,用于吸收打在其上的粒子,C、P是負極板上的兩點,C點位于O點的正上方,P點處放置一粒子靶(忽略靶的大?。?,用于接收從上方打入的粒子,[CP]長度為[L0],忽略柵極的電場邊緣效應、粒子間的相互作用及粒子所受重力,[sin 37°=35]。
(1)若粒子經(jīng)電場一次加速后正好打在P點處的粒子靶上,求可調(diào)電源電壓[U0]的大小;
(2)調(diào)整電壓的大小,使粒子不能打在擋板[OM]上,求電壓的最小值[Umin];
(3)若粒子靶在負極板上的位置P點左右可調(diào),則負極板上存在H、S兩點([CH≤CP<CS],H、S兩點末在圖中標出),對于粒子靶在[HS]區(qū)域內(nèi)的每一點,當電壓從零開始連續(xù)緩慢增加時,粒子靶均只能接收到n([n≥2])種能量的粒子,求[CH]和[CS]的長度(假定在每個粒子的整個運動過程中電壓恒定)。
【原題3】(2021年湖南卷第14題)如圖3,豎直平面內(nèi)一足夠長的光滑傾斜軌道與一長為[L]的水平軌道通過一小段光滑圓弧平滑連接,水平軌道右下方有一段弧形軌道[PQ]。質(zhì)量為[m]的小物塊A與水平軌道間的動摩擦因數(shù)為[μ]。以水平軌道末端[O]點為坐標原點建立平面直角坐標系[xOy],[x]軸的正方向水平向右,[y]軸的正方向豎直向下,弧形軌道[P]端坐標為[2 μL, μL],[Q]端在[y]軸上。重力加速度為[g]。
(1)若A從傾斜軌道上距[x]軸高度為[2 μL]的位置由靜止開始下滑,求[A]經(jīng)過[O]點時的速度大小;
(2)若A從傾斜軌道上不同位置由靜止開始下滑,經(jīng)過[O]點落在弧形軌道[PQ]上的動能均相同,求[PQ]的曲線方程;
(3)將質(zhì)量為[λm]([λ]為常數(shù),且[λ≥5])的小物塊[B]置于[O]點,A沿傾斜軌道由靜止開始下滑,與B發(fā)生彈性碰撞(碰撞時間極短),要使A和B均能落在弧形軌道上,且A落在B落點的右側,求A下滑的初始位置距[x]軸高度的取值范圍。
1.物理觀念
(1)運動觀
【原題1】電子從P點進入a、b圓之間,在輻向電場中做變加速直線運動,進入a圓后沿直徑做勻速直線運動,再次進入b、c圓間后,再次做變加速直線運動,進入b、c圓間后,做勻速圓周運動,經(jīng)過幾次周期性運動從Q點射出。
【原題2】粒子從O到C做勻加速直線運動,從C到P做勻速圓周運動。調(diào)節(jié)電壓后,粒子過C點在負極板上方做勻速圓周運動,進入兩極板間做勻減速直線運動,過正極板后做勻速圓周運動,軌跡與OM相切時恰好不能打到擋板上。若改變P的接收位置,粒子多次往復運動最終要打到P上,則粒子不能被擋板OM吸收。
【原題3】物塊A從光滑斜面上勻加速下滑,進入水平軌道后做勻減速直線運動,從O點飛出后做平拋運動而落在弧形軌道上。若在O點放置B物塊,物塊A與物塊B在O點發(fā)生彈性碰撞后物塊B向右飛出做平拋運動落到弧形軌道上,物塊A被反彈,向左勻減速沖上光滑斜面,然后返回從O點水平飛出做平拋運動落到弧形軌道上。
(2)相互作用觀念
【原題1】電子在ab間受電場力作用,在bc之間受洛侖磁力作用,并且洛侖磁力提供做圓周運動所需要的向心力。
【原題2】粒子從正極板到負極板所受電場力方向與速度方向相同,在正、負極板外側受洛侖磁力作用,并且洛侖磁力提供做圓周運動所需要的向心力,從負極板到正極板所受電場力方向與速度方向相反。
【原題3】物塊A在斜面上受重力、支持力作用,合力沿斜面向下,在水平面上受重力、支持力、摩擦力作用,合力方向與速度方向相反。從O點水平飛出后僅受重力作用。
(3)能量觀念
【原題1】電子在ab、ba間電場力均做正功,動能均增加。
【原題2】粒子從正極板到負極板電場力做正功,動能增加,從負極板到正極板電場力做負功,動能減少。
【原題3】物塊A在斜面上下滑,重力做正功,重力勢能減少,動能增加。在水平面上摩擦力做負功,動能減少。從O點飛出后重力做正功,重力勢能減少,動能增加。
2.科學思維
(1)模型構建
【原題1】電子每次經(jīng)過電場均做變加速直線運動,每次進入磁場時速度不同,為保證在磁場中做勻速圓周運動的偏轉角度和軌道半徑相同,則各個區(qū)域的磁感強度大小必不一樣。
【原題2】粒子從正極板到負極板做勻加速直線運動,在負極板外側做勻速圓周運動,從負極板到正極板粒子做勻減速直線運動,在正極板外側做勻速圓周運動。因粒子在負極板外側速度大于正極板外側,所以在負極板外側圓周半徑大于在正極板外側的圓周半徑。
【原題3】物塊A在斜面上做勻加速直線運動,在水平軌道上做勻減速直線運動,過O點后做平拋運動。
(2)科學推理與論證
梳理好與各個環(huán)節(jié)相關的物理觀念,構建出物理模型后,可根據(jù)題目所給的條件,對各個環(huán)節(jié)逐步推理論證得出結論。
【原題1】(1)電子經(jīng)P在電場中加速進入磁場Ⅰ區(qū)速度為v,則: [2eU=12mv2-0]
在磁場Ⅰ區(qū)中,電子運動軌跡如圖4所示;由幾何關系可得:[r=Rtan22.5°]
且有[B1ev=mv2r]
聯(lián)立解得:[B1=5eUmeR]
電子在磁場Ⅰ區(qū)中的運動周期為:[T=2πmeB1]
電子在磁場Ⅰ區(qū)中運動的圓心角為:[φ=54π]
電子在磁場Ⅰ區(qū)中的運動時間為:[t=φ2πT]
解得:[t=πRmeU4eU]
從P點進入到從Q點射出,共經(jīng)過8次加速,從Q點射出的動能為:[EK=8Ue]
(2)電子在磁場Ⅰ區(qū)中不與邊界相碰,當圓周的軌跡與Ⅰ區(qū)邊界相切時,對應最大半徑為[rm],由幾何關系可得:[3R-rm2=R2+rm2]
解得:[rm=33R]
[B1evm=mvm2rm]
[2eU=12mvm2-keU] 解得:[k=136]
【原題2】(1)假設從C點射出的粒子速度為v,則[U0q=12mv2-12mv20],粒子在負極板外側磁場中做圓周運動,半徑為[r=L02],且有:[Bqv=mv2r]
解得:[U0=B2qL208m-mv202q]
(2)如圖5所示,粒子在正極板外側的圓軌道與擋板OM相切時,粒子恰好不能打到擋板上,此時電壓有最小值,若從C點射出的粒子速度為[v1],則:[Uminq=12mv21-12mv20]
粒子在負極板上方的磁場中做圓周運動,故有:[Bqv1=mv21r1]
粒子穿過正極板進入其外側磁場時速度減小到v0,則有[Bqv0=mv20r2] ,解得:[r2=mv0Bq]
由幾何知識有:[2r1=r2+r2sin37°]
解得:[v1=4v03] [Umin=7mv2018q]
(3)如圖6所示,調(diào)整粒子靶P的位置到P′,靶能接收到n種能量的粒子中能量最小的粒子,在負極板外側磁場區(qū)域偏轉的軌跡半徑為r3,粒子在正、負極板外側經(jīng)k次循環(huán)后打到粒子靶。設C到P′的距離為L,則由幾何知識有:[k(2r3-2r2)+2r3=L],其中[k=n-1]
[r2=mv0Bq]為定值,要想粒子不被OM板吸收,必須滿足[2r3≥r2+r2sin37°],即[r3≥4mv03qB]。
[r3]越小,k越小,粒子靶[P']離C點越近。[r3]最小為[r′3=4mv03qB],由于要求[n≥2],則k取1時,L最小,即C、H點的距離[CH=4r′3-2r2=10mv03qB]。
當粒子靶[P']向右移動時,L增大,粒子靶[P']一定能接收到多種能量的粒子,故[CS→∞]。
【原題3】(1)物塊A從開始下滑到[O]點速度為v,根據(jù)動能定理有:[mg·2μL-μmgL=12mv2]
解得:[v=2μgL]
(2)物塊[A]從任意位置下滑,到[O]點以速度v飛出做平拋運動,落在弧形軌道上的坐標為[(x, y)],由平拋運動知識有:
[x=vt] [y=12gt2]
落到弧形軌道上動能為[Ek],則:[mgy=Ek-12mv2]
聯(lián)立以上3個方程可得:[Ek=mgy+mgx24y]
考慮到落到弧形軌道上動能均相同,即等于落到[P(2μL, μL)]點的動能,將P點坐標代入上式可得:
[Ek=2μmgL]
聯(lián)立兩式可得軌道方程為:[x=22μyL-y2](其中,[μL≤y≤2μL])
(3)物塊A從距[x]軸高[h]處由靜止滑下,到達[O]點與[B]物塊碰前,其速度為[v0],則有[mgh-μmgL=12mv20],解得:[v0=2gh-2μgL]
物塊A在O點與物塊[B]發(fā)生彈性碰撞,碰后速度分別為[v1],[v2],則有:
[mv0=mv1+λmv2]
[12mv20=12mv21+12λmv22]
解方程可得:[v1=1-λ1+λv0] [v2=2λ1+λv0]
考慮到[λ>5],[v1<0],即碰后物塊A被反彈,再次從O點水平飛出速度為[v3],則:
[-μmg2L=12mv23-12mv21] 解得:[v3=v21-4μgL]
要物塊A落在物塊B的右側,則:[v3>v2]
要物塊A和物塊B均能落在弧形軌道上,則物塊A必須落在P點的左側,即
[2μL≥v3t] [μL=12gt2] 解得:[v3≥2μgL]
綜合以上各式,可得距x軸的高度[h]的取值范圍為:[3λ-1λ-3μL<h≤λ2+λ+1(λ-1)2(4μL)]
3.科學態(tài)度與責任
以上三道題均要求考生能將各個過程所滿足的物理規(guī)律準確表達出來,檢測考生實事求是地分析問題的能力,面對復雜問題敢于挑戰(zhàn)的精神。
三、對教學的啟示
2021年高考物理試題的知識覆蓋面廣,對主干知識檢測力度大。不但要求考生掌握好基礎知識,更要求考生知道這些基礎知識的來源與本真,并能用這些基礎知識分析解決生產(chǎn)、生活、科技等方面的具體問題。題目在注重基礎知識的同時,更關注能力考查。選擇題注重考查考生掌握基礎知識的廣度與解決具體問題的能力,實驗題注重考查考生的動手能力、探究精神、對物理規(guī)律的理解與應用,計算題通過主干知識考查考生的科學思維。
題目的素材多來源于現(xiàn)實生活,工農(nóng)業(yè)生產(chǎn),科技前沿。關注理論聯(lián)系實際,關注科技動態(tài),關注國家大事。
從2021年高考物理試題來看,高中物理教師不但要掌握教材中的基礎知識,更要懂得這些知識的來源,學會重組教材,構建知識網(wǎng)絡,采用大單元教學策略,利用好教材這一載體,創(chuàng)造性地進行物理教學。讓學生準確理解物理概念、規(guī)律內(nèi)涵,同時能適當把握其外延,從而使學生能有效應用物理概念、規(guī)律綜合分析解決問題。對某些復雜的實際問題,學生也能依據(jù)所給條件結合物理概念、物理規(guī)律進行科學推理與論證,應用數(shù)學知識處理具體物理問題;讓學生通過設計與實操探究提升實驗探究能力。在平時教學過程中多選用學生常見的素材與案例,如游樂場的蹦極、旋轉木馬、轟天雷、海盜船、秋千,校門口的減速帶,地下車庫的坡道、車庫門口的曲桿道閘,建筑工地的吊車、泵車,小汽車、動車組,拉索橋,等等。把這些素材、案例與相應的物理規(guī)律聯(lián)系起來,讓學生理論聯(lián)系實際,提升學生解決實際問題的能力。關注科技發(fā)展動態(tài),利用我國高科技成果進行愛國主義教育的同時,盡可能多地挖掘與物理有聯(lián)系的環(huán)節(jié),讓學生利用所學物理概念、規(guī)律對相應的環(huán)節(jié)進行解釋。
(責任編輯 易志毅)