成樹(shù)明

(山東省濱州市第一中學(xué))

高考評(píng)價(jià)體系是物理高考命題的根本指南,也是一線高中教師指導(dǎo)學(xué)生備考的綱領(lǐng)性文件。高考評(píng)價(jià)體系在高考命題實(shí)踐中最為明顯的特征是三線貫通:“核心價(jià)值金線”是一份試卷的靈魂,“能力素養(yǎng)銀線”是一份試卷的骨骼,“情境載體串聯(lián)線”是一份試卷的形體?！盁o(wú)價(jià)值,不入題” “無(wú)思維,不命題” “無(wú)情境,不成題”已成為高考命題的主要特征。

近幾年的高考物理試題是在高考評(píng)價(jià)體系理論指導(dǎo)下,由命題專家集體打磨出的智慧結(jié)晶,既考查了高中物理的必備知識(shí)和關(guān)鍵能力,也注重了物理思想和方法的考查,是高三物理教學(xué)和備考的好素材。對(duì)高考物理試題進(jìn)行變式訓(xùn)練,做到一題多變,多題歸一,是培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)、邏輯推理與批判性思維等高階思維的有效途徑。一線教師在對(duì)高考試題進(jìn)行改編和模擬題的命制過(guò)程中,也要以高考評(píng)價(jià)體系為依據(jù),努力落實(shí)好“三線貫通”。

1 基于生活實(shí)踐情境的高考試題賞析與改編

1.1 原題呈現(xiàn)

【例1】(2021·廣東卷·13)算盤(pán)是我國(guó)古老的計(jì)算工具,中心帶孔的相同算珠可在算盤(pán)的固定導(dǎo)桿上滑動(dòng),使用前算珠需要?dú)w零,如圖1所示,水平放置的算盤(pán)中有甲、乙兩顆算珠未在歸零位置,甲靠邊框b,甲、乙相隔s1=3.5×10-2m,乙與邊框a相隔s2=2.0×10-2m,算珠與導(dǎo)桿間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.1。現(xiàn)用手指將甲以0.4 m/s的初速度撥出,甲、乙碰撞后甲的速度大小為0.1 m/s,方向不變,碰撞時(shí)間極短且不計(jì),重力加速度g取10 m/s2。

圖1

(1)通過(guò)計(jì)算,判斷乙算珠能否滑動(dòng)到邊框a;

(2)求甲算珠從撥出到停下所需的時(shí)間。

【解析】(1)設(shè)甲、乙算珠的質(zhì)量為m,滑動(dòng)時(shí)由牛頓第二定律,得

μmg=ma

設(shè)甲珠與乙珠碰前速度為v1,從甲珠以v0=0.4 m/s的初速度撥出到與乙珠碰撞前,由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式,得

由題意知碰撞后甲珠的速度為

v2=0.1 m/s

設(shè)碰撞后乙珠的速度為v3,甲、乙碰撞時(shí)由動(dòng)量守恒定律得

mv1=mv2+mv3

碰撞后乙珠做勻減速直線運(yùn)動(dòng),設(shè)乙珠速度減為零時(shí)的位移為x,由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式,得

聯(lián)立解得x=0.02 m

因x=s2,故乙珠恰好運(yùn)動(dòng)到邊框a

(2)設(shè)甲珠與乙珠碰前運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t1,由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式,得

v1=v0-at1

設(shè)碰撞后甲珠運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t2,由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式,得

0=v2-at2

則甲運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間為

t=t1+t2

聯(lián)立解得t=0.2 s

1.2 試題賞析

題目以中華傳統(tǒng)文化中的算盤(pán)為生活實(shí)踐情境進(jìn)行命制,考查多物體、多過(guò)程問(wèn)題。本題在落實(shí)“三線”的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)突出了“核心價(jià)值金線”的考查?！昂诵膬r(jià)值金線”主要是圍繞立德樹(shù)人來(lái)考查學(xué)生的政治立場(chǎng)和思維觀念、世界觀和方法論以及道德品質(zhì)。愛(ài)國(guó)主義情懷、世界觀和方法論、科學(xué)精神這三個(gè)方面構(gòu)建起物理學(xué)科具體的“核心價(jià)值金線”。近幾年高考物理試題,常以我國(guó)的重大科技成果、航天巨大成就等為情境,展示我國(guó)科技日新月異的進(jìn)步,激發(fā)學(xué)生的進(jìn)取意識(shí)、實(shí)現(xiàn)中國(guó)夢(mèng)的使命感和責(zé)任感。也常以中國(guó)古代科技和物理學(xué)史為情境,感受我國(guó)古代發(fā)達(dá)的科學(xué)技術(shù)、弘揚(yáng)中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化,激發(fā)民族自豪感,厚植愛(ài)國(guó)主義情感。通過(guò)分析解答近幾年的高考物理試題,有助于學(xué)生形成科學(xué)的世界觀和正確的方法論,有助于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是、求真務(wù)實(shí)、開(kāi)拓創(chuàng)新的科學(xué)精神。

1.3 試題改編

【改編1】某冰壺隊(duì)為了迎接北京冬奧會(huì),積極開(kāi)展訓(xùn)練。某次訓(xùn)練中使用的紅色冰壺A和藍(lán)色冰壺B質(zhì)量均為20 kg,開(kāi)始兩壺之間的距離為s=7.5 m,運(yùn)動(dòng)員以v0=2 m/s初速度將紅色冰壺A擲出,與靜止的藍(lán)色冰壺B碰撞后紅色冰壺A的速度大小為vA=0.2 m/s,方向不變,碰撞時(shí)間極短且不計(jì)。已知兩冰壺與冰面間的動(dòng)摩擦因數(shù)均為μ=0.02,重力加速度g取10 m/s2。求:

(1)紅色冰壺A從開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到停下所需的時(shí)間;

(2)兩冰壺碰撞過(guò)程中損失的機(jī)械能。

【解析】(1)兩冰壺在冰面上滑動(dòng)時(shí),由牛頓第二定律,得

μmg=ma

設(shè)紅色冰壺A與藍(lán)色冰壺B碰前的速度v,由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式,得

v=v0-at1

0=vA-at2

紅色冰壺A運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間為

t=t1+t2

聯(lián)立解得t=6 s

(2)碰撞過(guò)程,由動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律,得

mv=mvA+mvB

聯(lián)立解得ΔE=3.2 J

【改編2】(多選)2022年2月4日北京冬奧會(huì)開(kāi)幕,冰壺是冬奧會(huì)的傳統(tǒng)比賽項(xiàng)目。如圖2所示,某次比賽中運(yùn)動(dòng)員將紅色冰壺A擲出,與靜止的藍(lán)色冰壺B碰撞,碰撞后兩冰壺的v-t圖像如圖3所示。已知重力加速度g為10 m/s2,下列說(shuō)法正確的是

圖2

圖3

( )

A.紅色冰壺A與冰面的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.2

B.藍(lán)色冰壺B與冰面的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.02

C.開(kāi)始紅藍(lán)兩冰壺之間的距離為7.5 m

D.碰后紅色冰壺A運(yùn)動(dòng)的距離為1.6 m

【答案】BC

1.4 改編小結(jié)

以北京冬奧會(huì)這一重大歷史事件和冰壺體育運(yùn)動(dòng)為情境進(jìn)行改編和命制,仍突出了“核心價(jià)值金線”的考查,通過(guò)北京冬奧會(huì)的舉辦,使學(xué)生進(jìn)一步感受到了體育精神和奧林匹克精神,進(jìn)一步增強(qiáng)了民族自豪感和對(duì)國(guó)家未來(lái)的信心。改編1是通過(guò)情境設(shè)置與設(shè)問(wèn)角度的改變進(jìn)行的創(chuàng)作,這是試題改編常用的兩種技術(shù)。由算盤(pán)改為北京冬奧會(huì),由兩個(gè)算珠改為兩個(gè)冰壺,都是一個(gè)運(yùn)動(dòng)的物體去碰一個(gè)靜止的物體,碰后都做勻減速直線運(yùn)動(dòng),兩題的本質(zhì)是一樣的。學(xué)生通過(guò)對(duì)兩題的解答,可以透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì),提升模型建構(gòu)能力,有利于高階思維的養(yǎng)成;改編2是由改編1將文本信息改編為圖像信息,并由計(jì)算題改編成選擇題進(jìn)行的創(chuàng)作,從而將試題難度也進(jìn)行了降低。文本信息與圖表信息的相互轉(zhuǎn)換,計(jì)算題與選擇題兩種題型的相互轉(zhuǎn)換,都是試題改編的常用技術(shù)。

2 基于學(xué)習(xí)探索情境的高考試題賞析與改編

2.1 原題呈現(xiàn)

圖4

(1)求B、C向左移動(dòng)的最大距離x0和B、C分離時(shí)B的動(dòng)能Ek;

(2)為保證A能離開(kāi)墻壁,求恒力的最小值Fmin;

(3)若三物塊都停止時(shí)B、C間的距離為xBC,從B、C分離到B停止運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過(guò)程,B克服彈簧彈力做的功為W,通過(guò)推導(dǎo)比較W與fxBC的大小;

(4)若F=5f,請(qǐng)?jiān)趫D5所給坐標(biāo)系中,畫(huà)出C向右運(yùn)動(dòng)過(guò)程中加速度a隨位移x變化的圖像,并在坐標(biāo)軸上標(biāo)出開(kāi)始運(yùn)動(dòng)和停止運(yùn)動(dòng)時(shí)的a、x值(用f、k、m表示),不要求推導(dǎo)過(guò)程。以撤去F時(shí)C的位置為坐標(biāo)原點(diǎn),水平向右為正方向。

圖5

【解析】(1)從開(kāi)始到B、C向左移動(dòng)到最大距離的過(guò)程中,以B、C和彈簧為研究對(duì)象,由功能關(guān)系得

彈簧恢復(fù)原長(zhǎng)時(shí)B、C分離,從彈簧最短到B、C分離,以B、C和彈簧為研究對(duì)象,由能量守恒定律得

聯(lián)立方程解得

(2)當(dāng)A剛要離開(kāi)墻時(shí),設(shè)彈簧的伸長(zhǎng)量為x,以A為研究對(duì)象,由平衡條件得

kx=f

若A剛要離開(kāi)墻壁時(shí)B的速度恰好等于零,這種情況下恒力為最小值Fmin,從彈簧恢復(fù)原長(zhǎng)到A剛要離開(kāi)墻的過(guò)程中,以B和彈簧為研究對(duì)象,由能量守恒定律得

(3)從B、C分離到B停止運(yùn)動(dòng),設(shè)B的路程為xB,C的位移為xC,以B為研究對(duì)象,由動(dòng)能定理得

-W-fxB=0-Ek

以C為研究對(duì)象,由動(dòng)能定理得

-fxC=0-Ek

由B、C的運(yùn)動(dòng)關(guān)系得

xB>xC-xBC

聯(lián)立解得W

(4)小物塊B、C向左運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,由動(dòng)能定理得

解得撤去恒力瞬間彈簧彈力為

kx1=6f

則坐標(biāo)原點(diǎn)的加速度為

之后C開(kāi)始向右運(yùn)動(dòng)過(guò)程(B、C系統(tǒng)未脫離彈簧)加速度為

可知加速度隨位移x為線性關(guān)系,隨著彈簧逐漸恢復(fù)原長(zhǎng),x減小,a減小,彈簧恢復(fù)原長(zhǎng)時(shí),B和C分離,之后C只受地面的滑動(dòng)摩擦力,加速度為

負(fù)號(hào)表示C的加速度方向水平向左;從撤去恒力之后到彈簧恢復(fù)原長(zhǎng),以B、C為研究對(duì)象,由動(dòng)能定理得

脫離彈簧瞬間后C速度為v,之后C受到滑動(dòng)摩擦力減速至0,由能量守恒定律得

解得脫離彈簧后,C運(yùn)動(dòng)的距離為

則C最后停止的位移為

所以C向右運(yùn)動(dòng)的a-x圖像如圖6所示

圖6

2.2 試題賞析

題目以常見(jiàn)的物塊和彈簧為學(xué)習(xí)探索情境進(jìn)行命制,考查了多物體、多過(guò)程問(wèn)題。本題在落實(shí)“三線”的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)突出了“能力素養(yǎng)銀線”的考查。物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任為物理學(xué)科的學(xué)科素養(yǎng)。本題考查了物理觀念中的物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念、能量觀念等;解答本題需要運(yùn)用抽象與聯(lián)想、模型與建模、推演與計(jì)算等思維方法。本題還考查了考生的理解能力、模型建構(gòu)能力、邏輯推理能力、分析綜合能力、信息加工能力等,這些都是物理學(xué)科的關(guān)鍵能力。

2.3 試題改編

圖7

(1)求小物塊A、B碰后瞬時(shí)速度的大小;

(2)求小物塊B向下運(yùn)動(dòng)的最大位移;

(3)小物塊B向下運(yùn)動(dòng)至最低點(diǎn)時(shí),求小物塊C對(duì)水平面壓力的大小;

(4)若小物塊B向上運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí),小物塊C恰好離開(kāi)地面,求小物塊A開(kāi)始下落時(shí)距小物塊B的高度。

【解析】(1)小物塊A下落過(guò)程,由動(dòng)能定理得

小物塊A、B碰撞過(guò)程,由動(dòng)量守恒定律得

mv1=2mv2

解得小物塊A、B碰后瞬時(shí)速度的大小為

(2)設(shè)彈簧開(kāi)始時(shí)的壓縮量為x0,則

mg=kx0

設(shè)小物塊A、B一起運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)的過(guò)程中發(fā)生的位移大小為x,由能量守恒定律得

(3)小物塊B向下運(yùn)動(dòng)至最低點(diǎn)時(shí),以小物塊C為研究對(duì)象,由受力平衡得

FN=mg+k(x0+x)

由牛頓第三定律知小物塊C對(duì)水平面壓力的大小為

(4)小物塊C為研究對(duì)象,有

mg=kx1

設(shè)此時(shí)小物塊A開(kāi)始下落時(shí)距小物塊B的高度為H,下落過(guò)程與碰撞過(guò)程有

mv3=2mv4

小物塊A、B在彈簧原長(zhǎng)處分離,設(shè)分離時(shí)的速度大小為v5,由能量守恒定律得

小物塊A、B分離后,小物塊B向上運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)的過(guò)程中,由能量守恒定律得

圖8

(1)求小物塊B碰后瞬時(shí)速度的大小;

(2)求小物塊B向下運(yùn)動(dòng)的最大位移;

(3)小物塊B向下運(yùn)動(dòng)至最低點(diǎn)時(shí),求小物塊A對(duì)擋板的壓力大小;

(4)若小物塊B沿斜面向上運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí),小物塊A恰好離開(kāi)擋板,求小物塊C開(kāi)始下落時(shí)距小物塊B的距離。

【解析】(1)小物塊C下落過(guò)程,由動(dòng)能定理得

小物塊B、C碰撞過(guò)程,由動(dòng)量守恒定律得

mv1=2mv2

解得小物塊B碰后瞬時(shí)速度的大小為

(2)設(shè)彈簧開(kāi)始時(shí)的壓縮量為x0,則

mgsinθ=kx0

設(shè)小物塊B、C一起運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)的過(guò)程中發(fā)生的位移大小為x,由能量守恒定律得

(3)小物塊B向下運(yùn)動(dòng)至最低點(diǎn)時(shí),以小物塊A為研究對(duì)象,由受力平衡得

FN=mgsinθ+k(x0+x)

聯(lián)立解得

由牛頓第三定律知小物塊A對(duì)擋板的壓力大小為

(4)以小物塊A為研究對(duì)象,有

mgsinθ=kx1

解得x1=x0=2Lsinθ

設(shè)小物塊C開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)距小物塊B的距離為L(zhǎng)0,下落過(guò)程與碰撞過(guò)程有

mv3=2mv4

小物塊B、C在彈簧原長(zhǎng)處分離,設(shè)分離時(shí)的速度大小為v5,由能量守恒定律得

小物塊B、C分離后,小物塊B向上運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)的過(guò)程中,由能量守恒定律得

聯(lián)立解得L0=18Lsinθ

2.4 改編小結(jié)

改編題情境與原題相同,改編方法是進(jìn)行的空間轉(zhuǎn)換,原題三個(gè)小物塊及彈簧水平放置,改編1題將三個(gè)小物塊及彈簧豎直放置,改編2題是將三個(gè)小物塊及彈簧沿斜面放置。相同點(diǎn)都是兩小物塊與彈簧相連,另一小物塊在恒力作用下運(yùn)動(dòng),不同點(diǎn)改編題開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的小物塊的重力不能撤去。改編題與原題的設(shè)問(wèn)角度也不相同,但都突出了“能力素養(yǎng)銀線”的考查。

3 教學(xué)啟示

3.1 加強(qiáng)高考試題研究

高考試題是理解和把握高考評(píng)價(jià)體系的重要載體,也是進(jìn)行高中物理教學(xué)的好素材。教師對(duì)高考試題的研究和解讀,要依據(jù)高考評(píng)價(jià)體系,善于從三線的角度去分析和研究,從而選擇恰當(dāng)?shù)母呖荚囶}用于教學(xué)的不同階段,在高三教學(xué)和備考中更要精選高考試題。

3.2 提升教師命題能力