彰顯過程分析 考查核心素養(yǎng)
——以2018年普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試(新課標(biāo)Ⅰ)為例

李 寧 梁吉峰

(1. 北京市第九中學(xué),北京 100041; 2. 北京市育英學(xué)校,北京 100036)

2017年教育部頒布了《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》,提出新一輪課程改革的基本理念:注重體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì),注重課程的時(shí)代性,關(guān)注科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展需求,培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)．《2018年普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試大綱的說明》也指出:高考物理試題著重考查考生的知識(shí)、能力和科學(xué)素養(yǎng),注重理論聯(lián)系實(shí)際,注意物理與科學(xué)技術(shù)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的聯(lián)系．2018年普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試(新課標(biāo)Ⅰ)卷就很好地踐行了考查學(xué)生核心素養(yǎng)這一基本目標(biāo)．本文通過對(duì)2018年普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試(新課標(biāo)Ⅰ)中幾個(gè)典型問題的研究,發(fā)現(xiàn)高考物理試題具有注重問題過程分析、注重考查學(xué)生核心素養(yǎng)的命題立意,并對(duì)課堂教學(xué)提出了參考建議．

1 注重常規(guī)力學(xué)問題中的過程分析,考查核心素養(yǎng)

題1.(全國Ⅰ卷第18題)如圖1,abc是豎直面內(nèi)的光滑固定軌道,ab水平,長度為2R;bc是半徑為R的1/4圓弧,與ab相切于b點(diǎn)．一質(zhì)量為m的小球,始終受到與重力大小相等的水平外力的作用,自a點(diǎn)處從靜止開始向右運(yùn)動(dòng)．重力加速度大小為g．小球從a點(diǎn)開始運(yùn)動(dòng)到其軌跡最高點(diǎn),機(jī)械能的增量為

(A) 2mgR. (B) 4mgR.

(C) 5mgR. (D) 6mgR.

解析: 過程Ⅰ:小球從a至b過程,小球受到豎直向下的重力mg,水平拉力F=mg,豎直向上的支持力N1,受力分析如圖2所示,小球向右做勻加速直線運(yùn)動(dòng)．

方法1:根據(jù)牛頓第二定律結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)公式分析.

圖1 試題情境圖圖2 對(duì)研究對(duì)象受力分析

根據(jù)牛頓第二定律可得

F=ma1.

(1)

根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可得

vb2=2a12R.

(2)

解得小球在b點(diǎn)的速度大小

方法2:根據(jù)動(dòng)能定理分析.

根據(jù)動(dòng)能定理可得

解得小球在b點(diǎn)的速度大小

圖3

過程Ⅱ:小球從b至c過程,小球在圓弧軌道上受到豎直向下的重力mg,水平拉力F=mg,沿著半徑指向圓心方向的支持力N2,如圖3所示,小球沿著圓弧做變速率圓周運(yùn)動(dòng)．

根據(jù)動(dòng)能定理可得

解得小球在c點(diǎn)的速度大小

圖4

過程Ⅲ:小球從c至最高點(diǎn)過程,這一過程,小球會(huì)做什么運(yùn)動(dòng)呢?對(duì)小球受力分析,受到豎直向下的重力mg,水平拉力F=mg,如圖4所示,不難判斷出豎直向下的重力mg和水平拉力F的合力斜向下,而c點(diǎn)的速度vc豎直向上,故小球做斜拋運(yùn)動(dòng)．

根據(jù)運(yùn)動(dòng)的合成與分解,把斜拋運(yùn)動(dòng)可以分解為水平方向的勻加速直線運(yùn)動(dòng)和豎直方向的豎直上拋運(yùn)動(dòng)．

豎直方向:小球從c點(diǎn)上升至最高點(diǎn)所用的時(shí)間

水平方向:小球的加速度大小為

方法1:根據(jù)機(jī)械能增量的概念分析.

小球運(yùn)動(dòng)到其軌跡最高點(diǎn)時(shí),豎直方向的速度為0,水平方向的速度

v=a2t.

(10)

解得

最高點(diǎn)距離c點(diǎn)的距離

如果選取ab水平軌道所在平面為零勢能參考平面,則此時(shí)小球的機(jī)械能為

將小球視為質(zhì)點(diǎn),則小球開始在a點(diǎn)的機(jī)械能

E=0.

(14)

故小球從a點(diǎn)開始運(yùn)動(dòng)到其軌跡最高點(diǎn),機(jī)械能的增量為

ΔE=E′-E=5mgR.

(15)

方法2:根據(jù)功能關(guān)系分析.

在時(shí)間t內(nèi)水平方向發(fā)生的位移為

解得

x2=2R.

(17)

小球從a點(diǎn)開始運(yùn)動(dòng)到其軌跡最高點(diǎn),水平方向發(fā)生的位移為

x=3R+x2=5R.

(18)

水平拉力F做功

W=Fx=5mgR.

(19)

根據(jù)功能關(guān)系可知，小球機(jī)械能的增量

ΔE=W=5mgR.

(20)

正確選項(xiàng)為(C).

剖析:第18題要求考生準(zhǔn)確理解機(jī)械能和機(jī)械能增量的物理觀念,求解路徑有兩條．其中一條路徑是根據(jù)機(jī)械能增量的概念來求解,機(jī)械能的增量等于末狀態(tài)的機(jī)械能減去初狀態(tài)的機(jī)械能,選取合適的參考平面例如選取ab水平軌道所在平面為零勢能參考平面,考慮小球是一個(gè)質(zhì)點(diǎn),則此時(shí)小球的機(jī)械能為0,這個(gè)問題轉(zhuǎn)化為求解末狀態(tài)的機(jī)械能,即確定最高點(diǎn)的動(dòng)能和重力勢能的問題.另一條路徑是根據(jù)功和能的關(guān)系,機(jī)械能的增量等于除重力外其他力所做的功,而全過程中除重力外只有恒定外力F做功,轉(zhuǎn)化為求解恒力功的問題,進(jìn)一步需要求小球從a點(diǎn)開始運(yùn)動(dòng)到其軌跡最高點(diǎn)在水平方向發(fā)生的位移．顯然,這兩條求解路徑都需要把小球的運(yùn)動(dòng)過程分析透徹,尤其是軌跡最高點(diǎn)的分析極為關(guān)鍵,也是此題的難點(diǎn)所在．這道題看似考查機(jī)械能和機(jī)械能增量的物理觀念,實(shí)際上還考查到受力分析、運(yùn)動(dòng)分析、牛頓第二定律、運(yùn)動(dòng)的合成與分解、功、功能關(guān)系等知識(shí),深刻考查學(xué)生的物理理論探究能力,是一道綜合考查考生核心素養(yǎng)的題目,具有一定的迷惑性．考生需要能夠分析整個(gè)物理過程,判斷出小球離開軌道以后的拋體運(yùn)動(dòng),找到軌跡最高點(diǎn)的位置．這道題彰顯了在常規(guī)力學(xué)問題中注重過程分析,綜合考查考生的核心素養(yǎng)的命題立意,具有較高的區(qū)分度,難度很大．

2 注重電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的過程分析,考查核心素養(yǎng)

圖5

解析: 金屬桿OM與導(dǎo)體軌道OPQM組成一個(gè)閉合回路,取此閉合回路為研究對(duì)象．

過程Ⅰ:OM從OQ位置以恒定的角速度逆時(shí)針轉(zhuǎn)到OS位置,閉合回路磁通量的變化量

(1)

過程Ⅱ:OM在OS位置并固定,使磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小以一定的變化率從B增加到B′閉合回路磁通量的變化量

電磁感應(yīng)現(xiàn)象中通過導(dǎo)體橫截面的電荷量

根據(jù)閉合電路歐姆定律可得

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可得

聯(lián)立(3)-(5)式可得

由此可知，q與 ΔΦ成正比.

又根據(jù)題意可知,在過程Ⅰ、Ⅱ中,流過OM的電荷量相等,則兩個(gè)過程中的磁通量的變化量相同,即

ΔΦ=ΔΦ′.

(7)

聯(lián)立(1)、(2)、(7)式可得

正確選項(xiàng)為(B).

剖析:電磁感應(yīng)現(xiàn)象涉及到感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件、感應(yīng)電流的方向、法拉第電磁感應(yīng)定律、畫等效電路圖、閉合電路歐姆定律、非靜電力、安培力、力和運(yùn)動(dòng)、動(dòng)量和能量等知識(shí).這類題目具有一定的綜合性,可以深層次考查學(xué)生的核心素養(yǎng)．第18題要求考生認(rèn)真審題,能準(zhǔn)確理解電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生和動(dòng)生兩種物理情境,并對(duì)應(yīng)兩個(gè)物理過程,針對(duì)每個(gè)過程,考查考生的磁通量、磁通量的變化量、通過導(dǎo)體橫截面的電荷量等物理觀念,借助題目給定信息“過程Ⅰ、Ⅱ中,流過OM的電荷量相等”,建立等式求解．第18題突出了電磁感應(yīng)現(xiàn)象中注重過程分析,綜合考查考生的核心素養(yǎng)的命題立意,具有一定的區(qū)分度,難度適中．

3 注重帶電粒子在電場、磁場情境中的過程分析,考查核心素養(yǎng)

圖6

(2) 磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小；

圖7

s1=v1t1.

(1)

a1t1=v1′tanθ1.

(3)

聯(lián)立以上各式得

qE=ma1.

(5)

由幾何關(guān)系得

s1=2R1sinθ1.

(8)

聯(lián)立以上各式得

由牛頓第二定律有

qE=2ma2.

(11)

s2=v2t2.

(12)

聯(lián)立以上各式得

s2′=2R2sinθ2.

(18)

4 教學(xué)建議

本文通過對(duì)《2018年普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試(新課標(biāo)Ⅰ)》物理試題中幾個(gè)典型問題的分析發(fā)現(xiàn)試題具有“彰顯過程分析,考查核心素養(yǎng)”的命題立意.這對(duì)于一線物理教學(xué)無疑具有重要的指導(dǎo)意義．在概念和規(guī)律的教學(xué)中,教師不僅要引導(dǎo)學(xué)生深入理解物理概念和物理規(guī)律建立的必要性,還要注重概念和規(guī)律建立的過程,更要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象和本質(zhì)的不同特點(diǎn)(特別是速度的方向和加速度的方向之間的夾角)來準(zhǔn)確判定物體到底是在做哪種具體的運(yùn)動(dòng)形式,培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng).在習(xí)題課的教學(xué)過程中,教師要善于設(shè)計(jì)并創(chuàng)設(shè)有利于過程分析的物理情境,培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)精細(xì)分析具體物理過程的能力,例如在包括電場力和磁場力的力學(xué)問題中要“分點(diǎn)分段分叉分情境”來精細(xì)區(qū)分物理過程,并且還要對(duì)物理過程進(jìn)行無限延續(xù)性分析和定量探究等深層次理論探究．教師還可以借助真實(shí)實(shí)驗(yàn)給學(xué)生展示物體運(yùn)動(dòng)過程,應(yīng)用信息技術(shù)再現(xiàn)物體運(yùn)動(dòng)過程,借助畫過程圖明晰物體運(yùn)動(dòng)過程,培養(yǎng)學(xué)生的關(guān)鍵能力,提升物理核心素養(yǎng)．