高考物理江蘇卷回旋加速器“三部曲”的賞析與啟示

蔣霖峰 陸建隆

(南京師范大學教師教育學院,江蘇 南京 210097)

·高考命題研究·

高考物理江蘇卷回旋加速器“三部曲”的賞析與啟示

蔣霖峰 陸建隆*

(南京師范大學教師教育學院,江蘇 南京 210097)

縱覽近40年的高考物理試題發現,帶電粒子在電磁場中的運動一直是考查重點,而以回旋加速器為試題情景更是高頻發生．本文以2009、2011、2016高考物理江蘇卷中三道回旋加速器計算題為例,賞析其在能力立意下傳統模型的創新和物理原汁原味的體現,在此基礎上探討進一步提高高中物理教學與復習質量的建議．

高考物理江蘇卷;回旋加速器;帶電粒子在電磁場中的運動;物理教學建議

1 引言

一年一度的高考出現了許多優秀試題,他們在終端檢驗高中教學質量和科學區分考生能力從而選拔人才的同時,為我們的教學研究提供了很好的平臺和切入點．

自1977年恢復高考以來,縱覽1978—2016年的近40份高考物理真題江蘇卷(2004年以前為全國卷或教育部單為江蘇命制的卷,2004年以后則為江蘇省獨立命題)發現,關于帶電粒子在電磁場中的運動一直是高考考查的重點．近40份的高考真題卷中,有25份以計算題的形式考查了帶電粒子在電磁場中運動的相關知識,尤其從2003年以來,每年都會有相應的計算題出現,分值趨于穩定,大約為全卷總分值的15%,體現終端評價對該部分內容的重視程度．縱覽這些真題卷,發現在題干敘述方面亦有鮮明的特色變化,2000年之前的真題卷不重視試題情景的構建,題干敘述顯得較理論化,缺乏生活氣息．而2000年之后,尤其是江蘇省獨立命題以來,試題傾向于通過簡潔的敘述,為學生提供一個真實的問題背景,給考生完成思維任務或操作活動提供一個平臺,所有考生在這個平臺上展現自己解決問題的能力．值得關注的是,2008年高考改革以來共出現3次以回旋加速器作為該部分計算題試題情景,且每次都在原有模型上有所創新,得到廣大一線教師的認可與好評．

2 高考物理江蘇卷回旋加速器“三部曲”賞析

回旋加速器作為電磁學教學內容之一,其在科研、醫療、工業等領域有著廣泛應用,符合情景化試題的素材要求,其相應原理在高中物理教學中也是電磁學重點知識．我們欣喜地注意到近些年來江蘇卷就以簡單的回旋加速器模型為例,命制出3道新題(表1),素材選擇的背后是對回旋加速器“三細節”的仔細考量,從而奏出“回旋加速器三部曲”．

表1 高考物理江蘇卷回旋加速器“三部曲”概述

正如表1所述,在物理教學中為了讓回旋加速器模型更加簡單從而簡化思維過程,通常對回旋加速器模型做出簡化,常見的簡化有忽略高能粒子的相對論效應、忽略帶電粒子的加速時間等．這些簡化隨著時間的推移在教學中已形成了“潛規則”,從而讓部分教師和學生產生思維定勢:高能粒子就是該忽略相對論效應、帶電粒子的加速時間當然不用考慮等．2009年、2011年和2016年的高考物理江蘇卷就針對中學教學長期形成的“固化認識”進行反撥,從而讓試題情景更具現實意義,彰顯試題的原汁原味．

2.1 三部曲之一:回旋頻率與加速頻率的匹配

2008年高考新方案的實施,強化了電磁學在高中物理教學的地位,電磁學部分的計算也成為3道計算題中的壓軸題．在當時,回旋加速器模型的重要性還沒有引起教師足夠的重視,對加速度問題的考查也基于對模型的過多簡化,例如回旋頻率永遠與加速電壓的頻率相匹配,這樣一來,粒子每回旋一個周期將恰好被加速,粒子出射的最大動能只取決于磁感應強度和D型盒的半徑等外在條件．事實上,磁感應強度的增大會導致回旋頻率的增大,從而需要頻率更高的加速電壓與其匹配,在現實情況中,磁感應強度與加速電壓的頻率都有最大值的限制．在2009年的物理高考卷中就考查了這種現實情況(2009年第14題),讓一線教師充分認識到很多“理所當然”的簡化在高考中會成為命題切入點．該題背景源于選修3-1課本中回旋加速器的相關內容,考慮到回旋加速器是現代科學研究和生產中的重要設備,試題對回旋頻率與加速頻率匹配這一現實問題做了一次創新性的考查．總的說來,本題基于回旋加速器基本工作原理設置3個問題,第(1)問考查考生對帶電粒子在電場、磁場中運動規律的理解,較簡單;第(2)問要求考生知道粒子在回旋加速器中運動的周期性,通過求解粒子被加速的總圈數得到相應結果;第(3)問要求考生知道粒子通過狹縫一次次被加速的原理,通過邏輯推理,得到最大磁感應強度和最高加速電場頻率之間的約束關系,分別討論粒子能獲得的最大動能.要求考生具有較強的思維能力、綜合分析問題的能力和應用物理規律初步解決實際問題的能力,屬較高要求．

本題對引導中學物理教學關注現代科學技術的發展,加強與生產生活的實際應用相聯系有重要的導向意義.本題的提問方式新穎,層次分明,應有較高的區分度.

2.2 三部曲之二:高能粒子相對論效應的取與舍

本題的情景以質量的相對論效應為切入點,看似超綱實則完全符合考綱要求,通過對相對論效應的簡化,較好地考查考生的分析綜合能力和應用數學解決物理問題的能力,對優秀學生有很高的區分度．這對引導考生重視基本概念規律的學習,摒棄“題海戰術”、“機械訓練”有積極意義．

2.3 三部曲之三:考慮帶電粒子的加速時間

根據中學階段回旋加速器常規模型,由于帶電粒子動能較大,D型盒之間的縫隙寬度較小,所以將帶電粒子在D型盒之間的加速時間忽略不計,從而降低學生的思維層次,簡化了相應的物理模型．考慮現實情況下的回旋加速器:帶電粒子在D型盒之間的加速時間會導致每次回旋周期發生微小的改變,多次回旋之后,由于累加效應,回旋周期的改變將會導致回旋頻率與加速電壓頻率之間發生相移,從而限制粒子的出射動能．在兩次以回旋加速器為考查背景之后,很多一線教師認為加速器模型已經開發殆盡,其作為壓軸計算題出現的可能性不大,但繼第2次考查回旋加速器后的5年,即2016年的江蘇高考物理卷,又以粒子的加速過程為切入點,考慮粒子被加速過程所需時間,從而命制出一道區分度很高的壓軸題(2016年第15題)．本題作為2016年江蘇高考物理卷的壓軸題,在題干敘述中明確強調“現考慮粒子在狹縫中的運動時間”,這與教學中常規加速器模型有很大不同,讓學生較為陌生,也是本題創新所在．當然,本題在對模型進行創新之余也對其創新之處做了相應簡化,其考慮“能夠出射的粒子每次經過狹縫均做加速運動”,這讓考查既原汁原味又給考生提供解題“抓手”,規避部分由于考慮加速時間所帶來復雜情況的討論．基于以上考慮,本題設置3個小問,第(1)問是常規問題,難度較小;第(2)、(3)問需要考慮粒子被加速時間不可忽略所帶來的相移,區分度較大．

從本題的物理模型可以看出,這是對回旋加速器模型的再次創新，在課堂教學中,我們一般不考慮粒子在電場中的加速時間,但本題以此為切入點,考慮粒子在電場中的加速過程．

圖1 回旋加速器三部曲

如圖1所示，其實回旋加速器三部曲之間是互相關聯而非各自獨立的,若不考慮帶電粒子在電場中的加速時間那么將會導致帶電粒子的相移,從而使得加速頻率與回旋頻率不匹配,另一方面,高能粒子的相對論效應會使粒子質量發生改變,影響粒子回旋頻率,從而也會導致加速頻率與回旋頻率不匹配的問題．所以,加速頻率與回旋頻率的匹配問題是提高加速器效率的終端問題,頻率匹配度的提高將會大幅度提高回旋加速器的效率,這也是在科研活動中待解決的問題之一．這3道高考題通過試題情景的構建,將傳統模型進行創新,為學生提供現實的物理問題情景,體現了試題的原汁原味,彰顯了試卷的學科品味與科學內涵,讓學生在解決真實問題的過程中展現能力,體會物理知識的學以致用．

3 基于回旋加速器“三部曲”的對高中物理學習與復習的一點教學啟示

江蘇高考物理卷對回旋加速器的3次考查,表象上意在讓加速器模型更接近現實情景,彰顯試題的原汁原味;從更深層次的意義上來說,是想通過加速器的3次終端評價,反撥中學物理教學尤其是高三復習課教學的改革深化,在逐步走出題海戰術的誤區同時,扎實推進基于物理核心素養的物理教學．由前面對基于回旋加速器 “三部曲”試題的分析,有下列啟示供教師們參考．

(1) 深刻領會高考作為基礎教育終端評價對高中物理教學改革的反撥作用.

自江蘇省2004年自主命題以來,命題工作已經走過12個年頭,尤其從2008年“08方案”實施至今,高考物理江蘇卷已經形成其穩定的結構與鮮明的特色,命題質量和水平逐步提高．高考作為一項為高等學校錄取新生服務的選拔性考試,一直是社會的熱點問題,高考的改革牽動著億萬百姓的神經．高考江蘇卷切合高中課程與教學改革時機,堅持大膽探索,試題堅持能力立意,形成了具有獨特風格的江蘇卷．

以往,人們總是將考試與應試教育聯系在一起,認為只要有考試,素質教育就不可能實現．實則不然,高考作為基礎教育的總指揮棒,一線教師和學校管理者在指揮棒的引導下安排相應教學任務,若指揮棒指揮合理,將中學教育向能力培養方向指揮,讓試卷真正能考查出考生的相應能力,讓“刷題”也不一定能拿高分,那么一線教師也將會逐漸摒棄題海戰術,從教學意識層面逐步實現從“應試教育”向“素養教育”的轉變,這便是高考作為終端評價的正向反撥作用,所以一張高質量的高考卷將促進中學教育制度的改革,有利于教學實踐的優化提升．作為中學教師,應該深刻認識到高考對教學改革不斷深化的正向作用,在高考物理江蘇卷的核心命題思想和相應試卷特色的指導下改進教學工作,切實提高學生物理學習與復習的質量．

(2) 巧用優質高考題資源進行深度備課從而促進學生深度學習.

恢復高考40年、分省命題12年涌現了一大批優質的高考試題．作為教師,研究這些好題,將好題中的思路方法帶入課堂,將好題的命題思路帶入教研活動,不僅有利于學生能力的培養更有利于教師自身的專業化發展．近年來首都師大的邢紅軍教授提出了高端備課的概念,其強調在教學設計中體現“從物理知識傳授到物理方法教育,再到物理思想形成的核心理念”,邢紅軍教授提出的高端備課本質上是凸顯科學方法教育的備課．從中我們可以得到這樣的啟發,物理教學設計一定要有自己的核心理念．那么對于高三的復習課教學,我們自然應該凸顯評價的正向作用．不可否認,高三的復習教學就是為了迎戰高考,為了復習課的高效開展,從評價入手,深入研究高考優秀題,做到用一道優秀題串起一堂優質復習課．例如帶電粒子在電磁場中運動的復習課上,教師可以將高考物理江蘇卷的回旋加速器三部曲作為3個范例,串起整節復習課,教師通過對范例的解讀,培養學生在近似真實的情景中解決問題的能力,促進學生高效學習、深度學習．在此,我們提出高考復習課備課的新范式:組織一線教師通過教研活動的形式研究優秀高考題,通過改編、提煉等方式總結出優秀題的思想方法,最后將其帶入課堂．簡而言之,高三復習課的備課應該是基于高考評價的深度備課．

(3) 積極探索江蘇卷試題特色和變化規律,力圖使考生的高三復習與最后高考無縫對接.

從回旋加速器“三部曲”的考查我們可以窺探出一些高考壓軸題的部分命題思路,其針對平常教學中常規的回旋加速器模型進行創新:默認粒子質量不變,卻在2011年高考中考慮了相對論效應;默認粒子加速時間不計,卻在2016年高考中考慮了加速時間帶來的相移．所以,對舊素材進行深度挖掘,從物理模型的簡化點入手挖掘命題點,將物理模型部分去理想化,從而將舊素材創新化,一道新穎質高的試題就誕生了．

切實領悟到江蘇高考物理卷試題特色和變化規律的一線教師將會自然意識到,在能力立意指導下的高考物理命題旨在反撥高三物理復習教學走出題海戰術．只有真正讓學生走進實驗室、讓學生親歷探究過程、讓學生解題中體會學以致用、讓學生系統復習中感悟到物理對現代社會的重要影響,我們的物理教學與復習就真正落實了基于物理核心素養的教學,我們的考生就能在高考中發揮出自己的高水平,真正做到贏在高考．

1 張大昌,張維善，等.高中物理選修3-4[M].人民教育出版社,2010:106.

2 邢紅軍.高中物理高端備課[M]. 北京：中國科技出版社, 2014.

3 江蘇省教育考試院試題分析編寫組.2015年高考(江蘇卷)試題分析[M].南京：東南大學出版社,2015:107-109.

4 丁岳林.例說相移對回旋加速器的影響[J]. 物理教師, 2012(3)：40-42.

5 黃紅波.物理高考中的試題情境[J]. 物理教師, 2016, 37(6)：83-87.

6 李維兵.對回旋加速器中運動軌跡相關問題的分析[J].物理教師，2012(4)：14-15.

7 卞志榮.回旋加速器與高考[J].物理教師，2010(12)：51-52.

2016-08-15)

* 通訊作者：陸建隆，E-mail: 723538706@qq.com.