楊曉宇 張述亮 趙 堅

(1. 四川省成都市龍泉中學(xué),四川 成都 610100;2. 云南省昆明市五華區(qū)基礎(chǔ)教育發(fā)展研究院,云南 昆明 650031)

縱觀2022年全國高考物理試題,不乏體現(xiàn)先進(jìn)命題思想和理念的試題,發(fā)揮了高考的育人功能和積極的導(dǎo)向作用,依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn),加強(qiáng)對核心素養(yǎng)的考查,引導(dǎo)學(xué)生摒棄死記硬背和“機(jī)械刷題”的學(xué)習(xí)方式。本文從試題賞析和命題溯源的角度,分析2022年全國高考物理甲卷第25題,從中獲得有益的教學(xué)啟示。

1 試題呈現(xiàn)和解析

1.1 試題呈現(xiàn)

光點(diǎn)式檢流計是一種可以測量微小電流的儀器,其簡化的工作原理示意圖如圖1所示。圖中A為輕質(zhì)絕緣彈簧,C為位于紙面上的線圈,虛線框內(nèi)有與紙面垂直的勻強(qiáng)磁場;M為置于平臺上的輕質(zhì)小平面反射鏡,輕質(zhì)剛性細(xì)桿D的一端與M固連且與鏡面垂直,另一端與彈簧下端相連,PQ為圓弧形的、帶有均勻刻度的透明讀數(shù)條,PQ的圓心位于M的中心。使用前需調(diào)零：使線圈內(nèi)沒有電流通過時,M豎直且與紙面垂直;入射細(xì)光束沿水平方向經(jīng)PQ上的O點(diǎn)射到M上后沿原路反射。線圈通入電流后彈簧長度改變,使M發(fā)生傾斜,入射光束在M上的入射點(diǎn)仍近似處于PQ的圓心,通過讀取反射光射到PQ上的位置,可以測得電流的大小。已知彈簧的勁度系數(shù)為k,磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B,線圈C的匝數(shù)為N、沿水平方向的長度為l,細(xì)桿D的長度為d,圓弧PQ的半徑為r﹐r?d,d遠(yuǎn)大于彈簧長度改變量的絕對值。

圖1

(1) 若在線圈中通入的微小電流為I,求平衡后彈簧長度改變量的絕對值Δx及PQ上反射光點(diǎn)與O點(diǎn)間的弧長s;

(2) 某同學(xué)用此裝置測一微小電流,測量前未調(diào)零,將電流通入線圈后,PQ上反射光點(diǎn)出現(xiàn)在O點(diǎn)上方,與O點(diǎn)間的弧長為s1;保持其他條件不變,只將該電流反向接入,則反射光點(diǎn)出現(xiàn)在O點(diǎn)下方,與O點(diǎn)間的弧長為s2。求待測電流的大小。

1.2 評析

從知識方面看,該試題考查了學(xué)生對安培力、胡克定律、物體平衡、光的反射定律等的理解;從方法方面看,考查了物體微小形變的光學(xué)放大法(光杠桿);從數(shù)學(xué)工具的應(yīng)用方面看,考查了小量的近似計算。而試題涉及的這些知識、方法、技巧都是學(xué)生學(xué)習(xí)過的,試題只是將它們關(guān)聯(lián)整合在一起。這一做法既體現(xiàn)重視基礎(chǔ)、又發(fā)揮出高考對教學(xué)的積極導(dǎo)向作用,考查了學(xué)生對實驗原理的理解、實驗裝置圖的解讀、實驗數(shù)據(jù)的處理、實驗的關(guān)聯(lián)整合等實驗探究能力和創(chuàng)新遷移能力,以此引導(dǎo)學(xué)生重視實驗探究,提高實驗技能和創(chuàng)新能力。

1.3 解答

對PQ上反射光點(diǎn)與O點(diǎn)間的弧長s的求解采用以下兩種方法。

2 命題立意

該試題將實驗探究類問題相關(guān)聯(lián)整合,融合了教材中測磁感應(yīng)強(qiáng)度B的實驗方法、光學(xué)放大法、小量計算近似處理的數(shù)學(xué)方法。把科學(xué)方法融入試題,將實驗探究與科學(xué)思維有效結(jié)合,進(jìn)一步凸顯了物理實驗在發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)方面的重要地位和作用。

對試題給出的裝置進(jìn)行拆解發(fā)現(xiàn),裝置左側(cè)的A、C部分通入微小電流產(chǎn)生微小形變來自教材的 “測磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小” 實驗,第(1)問中求平衡后彈簧長度改變量的絕對值Δx,體現(xiàn)了設(shè)問的基礎(chǔ)性,考查了物理觀念中的相互作用觀念;第(2)問中電流分別正向和反向通入,求電流的大小,體現(xiàn)了設(shè)問的綜合性,考查了相互作用觀念、科學(xué)思維中的科學(xué)推理和科學(xué)論證等要素。裝置的右側(cè)部分運(yùn)用了光學(xué)放大法,光學(xué)放大法可分為視角放大和微小變化量(包括微小長度、微小角度)放大,這兩種放大方法在物理教材中均有所體現(xiàn),其中初中學(xué)習(xí)的放大鏡(凸透鏡)和高中利用光的折射原理的“貓眼”均屬于視角放大,高中物理教材 “彈力”一節(jié)中安排了演示實驗：觀察桌面在壓力作用下的微小形變,采用了微小長度放大法,庫倫扭秤、卡文迪許扭秤實驗則采用了微小角度放大法。第(1)問中求PQ上反射光點(diǎn)與O點(diǎn)間的弧長s體現(xiàn)了設(shè)問的綜合性和創(chuàng)新性,考查了科學(xué)探究中的問題、證據(jù)、解釋和科學(xué)思維中的模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證等素養(yǎng),要求學(xué)生具備對實驗原理的理解、對實驗裝置圖的解讀、實驗數(shù)據(jù)的處理、實驗的關(guān)聯(lián)整合等能力,體現(xiàn)了高考實驗題源于教材而不拘泥于教材的要求,引導(dǎo)學(xué)生不僅要掌握物理實驗基本技能,更要領(lǐng)悟科學(xué)方法。

本題失分原因之一是學(xué)生對小量計算的數(shù)學(xué)方法不夠熟練,原因之二是對D、M部分實驗裝置的理解不到位,空間想象能力、模型構(gòu)建能力不足,原因之三是學(xué)生的實驗整合能力和遷移能力存在欠缺之處。

3 試題溯源

3.1 磁感應(yīng)強(qiáng)度的測量

3.1.1 源于教材內(nèi)容

教科版高中物理教材中“測量磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小”的實驗原理如圖2所示,人教版高中物理教材中“磁場對通電導(dǎo)線的作用力”的習(xí)題第3題設(shè)置了用天平精確測量磁感應(yīng)強(qiáng)度的習(xí)題,其原理如圖3所示。

圖2

圖3

3.1.2 源于往年高考試題

如1993年普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試第7題,用如圖4所示的天平來測定磁感應(yīng)強(qiáng)度。天平的右臂下面掛有一個矩形線圈,線圈寬為l,共N匝,線圈的下部懸在勻強(qiáng)磁場中,磁場方向垂直于紙面。當(dāng)線圈中通有如圖所示方向的電流I(方向如圖4所示)時,在天平左、右兩邊加上質(zhì)量分別為m1、m2的砝碼,天平平衡。當(dāng)電流反向(大小不變)時,右邊再加上質(zhì)量為m的砝碼后,天平重新平衡。由此可知( )。

圖4

3.2 光學(xué)放大法

3.2.1 源于教材內(nèi)容

作為承載放大思想的重要實驗,微小形變放大實驗(圖5)在各個版本的高中物理教材上都有呈現(xiàn)。為了不“沖淡”彈力的主題教學(xué),有的教師在桌面放上重物,讓學(xué)生觀察光點(diǎn)的移動,便得出結(jié)論：光點(diǎn)移動反映了桌面的微小形變,對于實驗的放大原理并未進(jìn)行深入探究。實際上,學(xué)生對該實驗是有很多疑惑的,該實驗方法為什么叫光學(xué)放大法?放大倍數(shù)與哪些因素有關(guān)?究竟將微小形變放大了多少倍?能否通過理論推導(dǎo)予以解釋?學(xué)生一閃而過的思維亮點(diǎn)往往被教師按部就班的教學(xué)所淹沒,這種現(xiàn)象在當(dāng)前的教學(xué)中仍然存在,筆者以為,此試題的設(shè)計就是提醒教師在教學(xué)中要善于捕捉這些教育契機(jī),培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題的能力。

圖5

從這道高考試題的設(shè)計思路反思教學(xué),在教學(xué)中教師如果能夠在學(xué)生定性觀察的基礎(chǔ)上,引導(dǎo)學(xué)生探究光斑移動距離的決定因素(兩平面鏡的距離、重物的質(zhì)量等),從中構(gòu)建模型,運(yùn)用幾何知識和光的反射定律定量推導(dǎo)微小形變的放大倍數(shù),既可以加深學(xué)生對光杠桿放大法的理解,又可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

圖6

3.2.2 扭秤實驗中微小角度放大

在庫侖扭秤和卡文迪許扭秤的教學(xué)中,不能簡單地讓學(xué)生識記“卡文迪許扭秤實驗測量了萬有引力常量G”“庫侖用扭秤實驗測量了帶電物體間的靜電力”這樣的物理史實,而應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生重演科學(xué)家的探究過程,感悟他們思維的閃光點(diǎn)。筆者翻閱近20年高考物理題發(fā)現(xiàn),對扭秤實驗的考查主要有以下兩個方向：(1) 考查學(xué)生對“卡文迪許測出引力常量”的識記,如2007年廣東卷第1題;(2) 考查學(xué)生對實驗原理的理解,如2010年上海卷第27題,顯然上海高考命題導(dǎo)向與當(dāng)今課標(biāo)要求更為契合。

3.3 源于教材內(nèi)容的近似計算

高中物理教材中火車轉(zhuǎn)彎例題、向心加速度公式的理論推導(dǎo)、單擺簡諧振動的證明及雙縫干涉條紋間距公式的推導(dǎo)等均運(yùn)用了近似計算,這道高考試題中涉及的數(shù)學(xué)運(yùn)用并不超出教學(xué)要求。

4 教學(xué)啟示

4.1 關(guān)聯(lián)整合,夯實基礎(chǔ)

類似光學(xué)放大法、近似計算法等的介紹在教材中是分散的、碎片化的,這是新授課中限于章節(jié)和板塊教學(xué)所造成的。在備考復(fù)習(xí)過程中,教師應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生深層次挖掘教材內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系,關(guān)聯(lián)、整合教材中思想方法相似的內(nèi)容設(shè)計,以培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力。

4.2 組合應(yīng)用,遷移創(chuàng)新

2022年全國高考物理甲卷25題很好地體現(xiàn)了力學(xué)實驗和電學(xué)實驗的整合創(chuàng)新,啟示教師要引導(dǎo)學(xué)生在概括論證的基礎(chǔ)上結(jié)合實驗思想、數(shù)據(jù)處理方法,有意識地對相關(guān)實驗進(jìn)行關(guān)聯(lián)整合或組合創(chuàng)新,以有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和遷移創(chuàng)新能力。

4.3 拓展實驗,深入探究

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》在“實施建議”部分強(qiáng)調(diào)：注重教材的科學(xué)性,正確納入物理實驗,重視科學(xué)的發(fā)展過程,關(guān)注科學(xué)探究活動的設(shè)計,關(guān)注科學(xué)家在科學(xué)探索過程中所凝練、升華的科學(xué)思維方式和科學(xué)研究方法,讓學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家的科學(xué)思維、研究方法及科學(xué)態(tài)度。高中各版本物理教材中設(shè)置了豐富的實驗活動,既體現(xiàn)了對實驗結(jié)果的重視,又重視實驗過程中蘊(yùn)含的科學(xué)方法和思想?！吨袊荚嚒吩?022年高考物理全國卷試題評析中強(qiáng)調(diào)：加強(qiáng)實驗設(shè)計,發(fā)展學(xué)生實驗探究能力,引導(dǎo)高中開足開好實驗課。開足是指實驗課應(yīng)覆蓋教材實驗,可開設(shè)探究性物理實驗校本課程,以加強(qiáng)對學(xué)生實驗探究和科學(xué)思維能力的培養(yǎng)。開好是指基于教材實驗,深度挖掘?qū)嶒灡尘昂驮矸椒?體會科學(xué)家的辛苦付出和實驗器材的巧妙設(shè)計。同時要拓寬實驗問題視角,引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷定性—半定量—定量的科學(xué)探究過程,基于新技術(shù)手段對原有的實驗裝置進(jìn)行改進(jìn)、創(chuàng)新,感悟用科學(xué)方法解決問題的巧妙之處,培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題的能力。