深入挖掘能量關(guān)系 展現(xiàn)學(xué)科核心素養(yǎng)
——評(píng)析2017年北京高考?jí)狠S題

崔 琰 馬朝華

(1. 北京市海淀區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校，北京 100195； 2. 北航實(shí)驗(yàn)學(xué)校中學(xué)部，北京 100083)

深入挖掘能量關(guān)系展現(xiàn)學(xué)科核心素養(yǎng)
——評(píng)析2017年北京高考?jí)狠S題

崔 琰1,2馬朝華1

(1. 北京市海淀區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校，北京 100195； 2. 北航實(shí)驗(yàn)學(xué)校中學(xué)部，北京 100083)

2017年北京高考理綜卷第24題,即物理壓軸題,以發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)為基本素材,結(jié)合中學(xué)物理教學(xué)實(shí)際,對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)改造和簡(jiǎn)化.不僅將電流、電源、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、功能關(guān)系、電磁感應(yīng)等基本概念和規(guī)律融入其中,深入考查學(xué)生對(duì)概念和規(guī)律的理解,還重點(diǎn)考查了學(xué)生建立適當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ筒⒂们‘?dāng)?shù)难芯糠椒ㄟM(jìn)行推理和論證的能力．其設(shè)計(jì)思路體現(xiàn)了物理觀念(運(yùn)動(dòng)觀念、相互作用和能量觀念)和科學(xué)思維(模型建構(gòu)、科學(xué)推理和科學(xué)論證)兩大物理學(xué)科核心素養(yǎng),對(duì)今后物理教學(xué)起到了非常好的指引作用．

原題.發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)具有裝置上的類似性,源于它們機(jī)理上的類似性．直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)的工作原理可以簡(jiǎn)化為如圖1、圖2所示的情景．

圖1 圖2

在豎直向下的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,兩根光滑平行金屬軌道MN、PQ固定在水平面內(nèi),相距為L(zhǎng),電阻不計(jì)．電阻為R的金屬導(dǎo)體棒ab垂直于MN、PQ放在軌道上,與軌道接觸良好,以速度v(v平行于MN)向右做勻速運(yùn)動(dòng)．

圖1軌道端點(diǎn)MP間接有阻值為r的電阻,導(dǎo)體棒ab受到水平向右的外力作用．圖2軌道端點(diǎn)MP間接有直流電源,導(dǎo)體棒ab通過(guò)滑輪勻速提升重物,電路中的電流為I．

(1) 求在Δt時(shí)間內(nèi),圖1“發(fā)電機(jī)”產(chǎn)生的電能和圖2“電動(dòng)機(jī)”輸出的機(jī)械能．

(2) 從微觀角度看,導(dǎo)體棒ab中的自由電荷所受洛倫茲力在上述能量轉(zhuǎn)化中起著重要作用．為了方便,可認(rèn)為導(dǎo)體棒中的自由電荷為正電荷．

① 請(qǐng)?jiān)趫D3(圖1中的導(dǎo)體棒ab)、圖4(圖2中的導(dǎo)體棒ab)中,分別畫出自由電荷所受洛倫茲力的示意圖．

圖3 圖4

② 我們知道,洛倫茲力對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷不做功．那么,導(dǎo)體棒ab中的自由電荷所受洛倫茲力是如何在能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中起到作用的呢?請(qǐng)以圖2“電動(dòng)機(jī)”為例,通過(guò)計(jì)算分析說(shuō)明．

1 解析

(2) ① 如圖5、圖6所示．

圖5 圖6

② 設(shè)自由電荷的電荷量為q,沿導(dǎo)體棒定向移動(dòng)的速率為u．

如圖5所示,沿棒方向的洛倫茲力f1′=qvB,做負(fù)功為

W1=-f1′·uΔt=-qvBuΔt.

垂直棒方向的洛倫茲力f2′=quB,做正功為

W2=f2′·vΔt=quBvΔt.

所以W1=-W2,即導(dǎo)體棒中一個(gè)自由電荷所受的洛倫茲力做功為0．

f1′做負(fù)功,阻礙自由電荷的定向移動(dòng),宏觀上表現(xiàn)為“反電動(dòng)勢(shì)”,消耗電源的電能;f2′做正功,宏觀上表現(xiàn)為安培力做正功,使機(jī)械能增加．大量自由電荷所受洛倫茲力做功的宏觀表現(xiàn)是將電能轉(zhuǎn)化為等量的機(jī)械能,在此過(guò)程中洛倫茲力通過(guò)兩個(gè)分力做功起到“傳遞”能量的作用．

2 深入挖掘

該試題涉及在“電動(dòng)機(jī)”工作過(guò)程中洛倫茲力通過(guò)兩個(gè)分力做功起到“傳遞”能量的作用,而參考答案中的解析并沒(méi)有詳細(xì)推導(dǎo)電能是如何通過(guò)洛倫茲力的兩個(gè)分力做功轉(zhuǎn)化為電動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)能.我們可以繼續(xù)構(gòu)建模型,深入挖掘“發(fā)電機(jī)”模型中各個(gè)能量轉(zhuǎn)化、“傳遞”的過(guò)程．設(shè)圖5中導(dǎo)體棒橫截面積為S,單位體積內(nèi)自由電荷的個(gè)數(shù)為n,自由電荷電荷量為q,沿導(dǎo)體棒定向移動(dòng)的速率為u,則導(dǎo)體棒中電流為I=nSqu,沿棒方向所有“載流子”所受洛倫茲力做功為

Wy=-nSLf1′uΔt=-nSLBqvuΔt=

-BILvΔt,

水平方向所有“載流子”所受洛倫茲力做功為

Wx=nSLf2′vΔt=nSLBquvΔt=BILvΔt.

對(duì)比第(1)問(wèn)中得到的電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能為E機(jī)=BILvΔt,與導(dǎo)體棒中所有載流子的水平方向洛倫茲力分力做功,在數(shù)值上相等,從而可以得出:系統(tǒng)機(jī)械能的增加是由于洛倫茲力水平分力做功轉(zhuǎn)化而來(lái)的．

到這里,我們只是弄清楚了電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能來(lái)自于所有載流子的洛倫茲力分力做功,但是如何理解“f1′做負(fù)功,阻礙自由電荷的定向移動(dòng),宏觀上表現(xiàn)為“反電動(dòng)勢(shì)”,消耗電源的電能”呢?

E機(jī)=EIΔt-I2RΔt=BILvΔt．

圖7

進(jìn)一步從微觀角度分析,可以建立如圖7所示的模型,其中F電為導(dǎo)體棒內(nèi)載流子所受電場(chǎng)力,f為載流子沿導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的“阻力”．電場(chǎng)力F電做功對(duì)應(yīng)電源消耗的總能量,阻力f做功對(duì)應(yīng)焦耳熱．通過(guò)前面推導(dǎo)可知,洛倫茲力沿棒分力f1′所做的負(fù)功,是將電源消耗的總能量的一部分轉(zhuǎn)化為了電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能．這個(gè)過(guò)程與2014和2015年北京卷24題的分析過(guò)程是非常類似的,都是通過(guò)對(duì)宏觀現(xiàn)象(電阻生熱)的微觀解釋(電子受到阻礙)進(jìn)行建模推導(dǎo)．

3 思考

綜合來(lái)看,本題對(duì)問(wèn)題情景的設(shè)置綜合性較強(qiáng),對(duì)不同層次的能力進(jìn)行了較為全面的考查．發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的素材在高中多有涉及,這道題把機(jī)理上相似的問(wèn)題整合在一起進(jìn)行比較和深入分析．本題設(shè)問(wèn)的方式靈活多樣,例如通過(guò)定性作圖來(lái)解答,直觀形象,同時(shí)為后續(xù)的建模分析過(guò)程做好了鋪墊;最后一問(wèn)在前面分析的基礎(chǔ)上要求學(xué)生通過(guò)定量計(jì)算來(lái)分析說(shuō)明,不僅考查了學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)推理、分析解決實(shí)際問(wèn)題的基礎(chǔ)能力,也考查了物理建模等較高層次的能力等等．

在這道題中,綜合體現(xiàn)出學(xué)科核心素養(yǎng)中的運(yùn)動(dòng)觀念(導(dǎo)體棒的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析)、相互作用觀念(宏觀上的安培力,微觀上的洛倫茲力分析)和能量觀念(電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)化傳遞過(guò)程分析),同時(shí),本題也很好地體現(xiàn)了模型建構(gòu)、科學(xué)推理和科學(xué)論證等科學(xué)思維的應(yīng)用價(jià)值,非常好地體現(xiàn)了高考試題的育人功能．

此題作為近幾年北京高考?jí)狠S題的延續(xù),已經(jīng)成為了北京高考命題的特點(diǎn)和亮點(diǎn),也是未來(lái)命題風(fēng)格變化的一種趨勢(shì)．相信這種回歸物理學(xué)科本質(zhì)的命題趨勢(shì)對(duì)高中物理的教學(xué)變革會(huì)起到積極的作用．

1 崔琰. 2015年北京高考物理壓軸題的評(píng)析與思考[J]. 物理教學(xué),2015,37(10): 72-73.

2 陳偉孟.2014年北京高考物理壓軸題的評(píng)析與啟示[J].物理教學(xué),2015,37(2)： 52-54.

本文受“基于物理活動(dòng)培養(yǎng)中學(xué)生物理思維能力的實(shí)踐研究”課題(編號(hào):HDGH20160235)基金資助.

2017-06-09)