從核心素養的視角看2018年高考全國Ⅰ卷物理3道試題

余勝軍

(保定市教育科學研究所 河北 保定 071000)

2018年1月，《普通高中物理課程標準(2017年版)》正式出版發行，筆者利用半年的時間多次認真閱讀，已經小有體會.于是有了從物理學科核心素養的視角去看2018年高考試題的想法，試圖從中發現一些改革的跡象.

課程標準提出物理學科核心素養應包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任.在課程標準中對于高中學業水平考試和高中學業水平等級性考試有明確的“命題建議”，包括科學設計試卷結構、合理設計圖形結構、科學合理設計試題難度等8項建議.

本文主要分析2018年高考全國Ⅰ卷理綜選擇題第15，18和21題.這3道題主要涉及物理觀念中“運動與相互作用觀念”“能量觀念”以及科學思維中“模型建構”“科學推理”.

1 試題分析

圖1 例1題圖

【例1】(2018年高考全國Ⅰ卷理綜第15題)如圖1所示，輕彈簧的下端固定在水平桌面上，上端放有物塊P，系統處于靜止狀態，現用一豎直向上的力F作用在P上，使其向上做勻加速直線運動，以x表示P離開靜止位置的位移，在彈簧恢復原長前，下列表示F和x之間關系的圖像可能正確的是( )

從物理觀念的視角來看，本題主要涉及“運動與相互作用觀念”，需要知道物體勻加速運動的過程中受到重力、彈簧彈力和向上的力F.

從科學思維的視角來看，本題涉及運動模型的建立、輕彈簧模型建立；能夠根據彈簧彈力公式結合本題對位移的初始化條件，正確寫出彈力表達式，依據牛頓第二定律進行受力分析，寫出力與運動的規律表達式，這是對受力分析方法和牛頓運動定律的具體運用.

本題可能造成的誤解：

死記硬背彈簧彈力的計算公式：F=κx.其中κ是勁度系數，x是彈簧的形變量.大部分誤解此題的學生對于x的物理意義都似是而非，模糊不清.于是由牛頓第二定律得到

F+κx-mg=ma

推導關系得

F=m(g+a)-κx

所以F與x之間應該滿足如圖2所示的圖像.沒有答案.學生只得重新審題，建立正確的彈簧模型，理清x的物理意義與題設條件中x的關系，寫出正確的彈力公式

F=κ(x0-x)

其中x0表示系統處于靜止狀態時彈簧的形變量.由平衡知道

κx0=mg

最后推出關系為

F=ma+κx

正確答案為A.

圖2 F-x圖像

【例2】(2018年高考全國Ⅰ卷理綜第18題)如圖3所示，abc是豎直面內的光滑固定軌道，ab水平，長度為2R，bc是半徑為R的四分之一圓弧，與ab相切于b點.一質量為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點處從靜止開始向右運動，重力加速度大小為g.小球從a點開始運動到其軌跡最高點，機械能的增量為( )

A. 2mgRB. 4mgR

C. 5mgRD. 6mgR

圖3 例2題圖

從物理觀念的視角來看，本題涉及“運動與相互作用觀念”和“能量觀念”.具體來講，本題主要要知道脫離軌道后物體做勻變速曲線運動，需要用到合成與分解的思想去分析，需要知道力的作用具有獨立性，而外顯的物體運動現象反映的是物體受到的所有力作用的結果這一本質.從能量觀點來講，本題主要涉及動能和勢能的變化，但需要知道該過程機械能不守恒，要知道機械能守恒的條件以及諸多推論.

從科學思維視角來看，首先要建立全過程運動模型，水平面上、四分之一圓弧軌道和脫離軌道之后的運動.關鍵是對于脫離軌道后的運動，需要分析綜合，根據牛頓運動定律以及運動的合成分解等相關規律，推理論證出小球的運動性質，找到軌跡最高點.其次是要能夠根據機械能守恒的條件，推理出機械能增加的原因，從而計算出機械能增加值.

本題最開始可能造成的誤解：

誤解“運動到其軌跡最高點”的“最高點”，理解成“軌道最高點”，水平位移誤解為3R，根據機械能守恒條件推導出機械能增加量為水平恒力在水平方向所做的功，即ΔE=W=F·3R=3mgR.又沒有正確答案！再重新審題，建立完整的運動模型.

對于脫離軌道后的運動，根據運動的獨立性和等時性，到達軌跡最高點時小球在豎直方向的運動時間為

水平方向的加速度a=g，在水平方向的位移為

由以上分析可知，小球從a點開始運動到其軌跡最高點的過程中，水平方向的位移大小為5R，則小球機械能的增加量

ΔE=F·5R=5mgR

【例3】(2018年高考全國Ⅰ卷理綜第21題)圖4中虛線a,b,c,d,f代表勻強電場內間距相等的一組等勢面，已知平面b上的電勢為2 V.一電子經過a時的動能為10 eV，從a到d的過程中克服電場力所做的功為6 eV.下列說法正確的是( )

A.平面c上的電勢為零

B.該電子可能到達不了平面f

C.該電子經過平面d時，其電勢能為4 eV

D.該電子經過平面b時的速率是經過d時的2倍

從物理觀念的視角來看，本題涉及勻強電場、等勢面、電勢、電勢能、動能、電場力做功等多個物理概念，需要弄清楚這些概念間的關系；涉及電場力做功過程電勢能和動能之間相互轉化的規律；還涉及動能與速度的關系，以及電場力作用下電子的運動問題.

圖4 例3題圖

從科學思維的視角來看，首先需要把勻強電場中等勢面模型進一步清晰化、數據化，通過a到d的做功數值，計算出電勢差，并進一步明確相鄰等勢面差值為2 V，由此可以分析出各等勢面的電勢和對應電勢能的值，建立如圖5所示的等勢面模型.其次再由功能關系推出每個等勢面對應的動能，由動能推出速度關系.

圖5 等勢面模型

可能造成的誤解：

依照以上分析，已經能確定A，C，D中只有A正確.按照模型及其數據，簡單推斷下，電子到達等勢面f時還具有2 eV的動能，不可能出現到達不了的情況，再也找不到其他正確答案了！

問題出在哪里？還是電子運動模型的建構不完整，即運動模型的初始條件模糊不清.對于運動模型的建構，需要初始化模型，了解模型全過程.由于經過等勢面a的運動方向不確定，如果電子在到達等勢面f前已經不具有垂直等勢面方向的速度，那么電子就可能到達不了f.

2 試題評價

(1)這3道題所涉及的知識內容很具代表性，符合課程標準中課程的內容要求.試題抽取了“運動與相互作用觀”“能量觀”“建構模型”“獲取信息，圍繞模型運用概念和規律進行推理、論證”等核心素養設計試題.

(2)試題的情境具有一定的問題性、研究性和開放性，題干圍繞一個中心，能反映學生的典型錯誤，有利于學生改進學習.

(3)這3道題都允許學生有知錯改錯的機會.按照對于概念和規律的正確理解、正確的推演，得出結論，都能比較輕松地發現問題——沒有答案！于是給予學生重新再來的機會，命題者可謂是用心良苦啊！

(4)這3道題都要求學生有嚴謹認真的科學思維.凡是解題從經驗出發，而不是從觀念入手，急于從知識入手解題，而不是從建構模型開始的思維方式都是不可取的，不嚴密的.

但是作為高考題，8個選擇題出現3個具有相同特點的問題，是值得商榷的.

首先，選擇項的錯誤選項干擾性不強，很容易判斷出自己解題有問題.

其次，這3道題容易給學生造成較強的心理壓力.他們會懷疑試題人為設置了較多“隱藏機關”，解題變得不自信，從而對于后面的答題帶來困擾，浪費時間.

第三，個人以為，這3道題適合給學生平時作業用.這樣給予學生的鍛煉更充分，更能體現學生學習過程的重要性，在經歷和體驗中逐步成長，思維更趨嚴謹和嚴密.

以上分析和評價是筆者的不成熟觀點，希望廣大讀者批評指正.