基于學科核心素養的高考物理圖像類試題探析

王 剛

(邯鄲市教育科學研究所 河北 邯鄲 056002)

《普通高中物理課程標準(2017年版)》以核心素養為統領，提倡培養學生的學習能力，促進學生系統掌握各學科基礎知識、基本技能、基本方法，培養適應終身發展和社會發展所需要的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力.2019年11月教育部考試中心制定的《中國高考評價體系》正式出版，提出要立足全面發展育人目標，明確構建包括“核心價值、學科素養、關鍵能力、必備知識”在內的高考考查內容體系[1].物理學科核心素養是物理學科育人價值的集中體現，主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度和責任”4個方面的要素[2].為適應新時代對人才的要求，高考命題必將參考高考評價體系的框架，依據高中課程標準，聚焦學科核心素養形成與發展，充分發揮物理學在育人中的獨特作用和價值，促進學生形成正確的物理觀念，掌握科學的思維方法，具備探究和解決問題的能力，增強創新意識，引導學生正確認識科學、技術、社會、環境的關系，激發學生學習科學的興趣，培養實事求是的科學態度，形成正確的價值觀，為學生的終身發展奠定堅實的基礎，從而落實立德樹人根本任務[3].

物理規律的描述往往采用3種基本形式，即語言文字敘述、數學函數公式和物理圖像.物理圖像是一種特殊且形象的語言和工具，在中學物理中應用廣泛.物理圖像是數形結合的產物，能夠形象地表述物理規律，簡潔地揭示出相關物理量之間的關系及變化趨勢，同時把抽象的物理規律轉化成直觀的圖形.就物理圖像考查的要求，考試說明中明確提出：要能夠對物理規律、狀態和過程在理解的基礎上用合適的圖像表示出來，會用圖像處理物理問題[4].圖像類問題在歷年的高考真題和考綱說明的題型示例中出現的頻率都很高，比如2019年高考全國Ⅰ卷理綜第20,21,25,34(1)題，Ⅱ卷第14,18,19,21,23,25,33(1),34(1)題，Ⅲ卷第17,19,20題，2019年考綱說明題型示例中的例題4,6,10,14,16,19,21,23等都是考查圖像的題目.基于物理學科核心素養的視角，對2019年高考試題和考綱說明題型示例中涉及圖像的典型題目進行分析與思考是十分必要的，可以為圖像教學中提升學生核心素養提供參考.

1 以實際拋體運動的v-t圖像考查物理觀念

【例1】(2019年高考全國新課標Ⅱ卷理綜第19題)如圖1(a)所示，在跳臺滑雪比賽中，運動員在空中滑翔時身體的姿態會影響下落的速度和滑翔的距離.某運動員先后兩次從同一跳臺起跳，每次都從離開跳臺開始計時，用v表示他在豎直方向的速度，其v-t圖像如圖1(b)所示，t1和t2是他落在傾斜雪道上的時刻.則( )

(a)

A．第二次滑翔過程中在豎直方向上的位移比第一次的小

B．第二次滑翔過程中在水平方向上的位移比第一次的大

C．第二次滑翔過程中在豎直方向上的平均加速度比第一次的大

D．豎直方向速度大小為v1時，第二次滑翔在豎直方向上所受阻力比第一次的大

評析：本題以冬奧會跳臺滑雪項目為背景，考查學生運用物理概念和規律解決實際運動中的相關問題，引導考生關注體育運動，增強體育鍛煉的意識.題目給出運動員先后兩次空中滑翔時在豎直方向上的速度-時間圖像，考查考生對運動相關物理觀念與圖像中數學元素對應關系的理解.運用物理知識解決實際問題能力的高低，往往取決于學生將情境與知識相聯系的水平.能不能把問題中的實際情境轉換成解決問題的物理情境，建立相應的物理模型，這是應用物理觀念思考問題、應用物理知識分析并解決問題的關鍵.考生需要從速度-時間圖像中讀取所需的關鍵數據，并理解速度-時間圖像中圖線與時間軸所圍圖形的面積表示位移、圖像上某點切線的斜率表示該時刻加速度的大小等重要含義，結合牛頓第二定律分析求解.

在圖像教學中，要讓學生正確識別圖像中橫縱坐標分別代表的物理量是什么，以便清晰它們之間變化的關系，徹底搞清楚圖像中的點、線、斜率、截距、面積具有的物理意義，從而將圖像描述的運動轉化為生動的運動情境，再運用相關物理規律對具體問題進行分析求解.

2 以碰撞物體的v-t圖像考查科學思維

【例2】(2019年高考全國新課標Ⅰ卷理綜第25題)豎直面內一傾斜軌道與一足夠長的水平軌道通過一小段光滑圓弧平滑連接，小物塊B靜止于水平軌道的最左端，如圖2(a)所示.t=0時刻，小物塊A在傾斜軌道上從靜止開始下滑，一段時間后與B發生彈性碰撞(碰撞時間極短)；當A返回到傾斜軌道上的P點(圖中未標出)時，速度減為零，此時對其施加一外力，使其能在傾斜軌道上保持靜止.物塊A運動的v-t圖像如圖2(b)所示，圖中的v1和t1均為未知量.已知A的質量為m，初始時A與B的高度差為H，重力加速度大小為g，不計空氣阻力.

(a)

(1)求物塊B的質量；

(2)在圖2(b)所描述的整個運動過程中，求物塊A克服摩擦力所做的功；

(3)已知兩物塊與軌道間的動摩擦因數均相等.在物塊B停止運動后，改變物塊與軌道間的動摩擦因數，然后將A從P點釋放，一段時間后A剛好能與B再次碰上.求改變前后動摩擦因數的比值.

評析：本題以兩個物塊的碰撞為背景，將斜面上的勻變速運動、碰撞等不同形式的運動有機地融合在一起，要求考生能夠分析復雜的物理過程，突出了對模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等科學思維的考查.題目通過呈現物塊A碰撞前后的速度-時間圖像，將常見的碰撞問題推陳出新，設置的3個問題梯度明顯，側重考查信息提取和加工能力.學生不僅要從圖像中獲取物塊A運動的信息，還需要分析物塊A與B的運動情況.從物塊A碰撞前后的速度-時間圖像中提取出物塊A碰撞前后的速度這一重要信息，運用能量守恒和動量守恒定律對物塊A與B的相互作用進行科學論證和分析，從而得出物塊B的質量，以及碰后物塊B的運動特征.運用功能關系和動能定理可以分析出物塊A克服摩擦力所做功的情況.第三問通過改變摩擦因數，進一步分析A與B的運動情況.從整個過程來看，題中A的運動過程為沿斜面勻加速運動、A與B的彈性碰撞、沿斜面向上的勻減速運動(摩擦因數為μ1)、靜止一段時間、沿斜面向下的勻加速運動和水平面上的勻減速運動(摩擦因數為μ2)；B的運動過程為彈性碰撞和水平面上的勻減速運動(摩擦因數為μ2).

在圖像教學中，要注重學生的模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等能力的培養.從物理圖像中提取有效信息，明晰題中所涉及的物理狀態、物理過程和物理情境，在此基礎上對物理問題進行具體的分析和研究，抓住問題的主要因素和相關條件，建立合適的物理模型，從而將一個復雜的問題分解為若干較為簡單的問題，并找出它們之間的聯系，運用合適的物理知識綜合解決問題，從而提升學生科學思維的水平.

3 以不同星球上物體的a-x圖像考查科學探究

【例3】(2019年高考全國新課標Ⅰ卷理綜第21題)在星球M上將一輕彈簧豎直固定在水平桌面上，把物體P輕放在彈簧上端，P由靜止向下運動，物體的加速度a與彈簧的壓縮量x間的關系如圖3中實線所示.在另一星球N上用完全相同的彈簧，改用物體Q完成同樣的過程，其a-x關系如圖3中虛線所示.假設兩星球均為質量均勻分布的球體.已知星球M的半徑是星球N的3倍，則( )

圖3 例3題圖

A.M與N的密度相等

B.Q的質量是P的3倍

C.Q下落過程中的最大動能是P的4倍

D.Q下落過程中彈簧的最大壓縮量是P的4倍

評析：題目以典型的彈簧模型為背景，要求考生能把生活中常見的情境順利遷移到某一星球，同時以a-x圖像呈現信息，考查學生信息提取、加工及應用的能力.物理情境和設問都比較新穎，題中所蘊含的物理規律也比較隱蔽，從而避免了學生在解題過程中直接套用公式，較好地考查了學生建立物理模型、靈活運用物理知識分析問題和解決問題的高階認知能力.需要將圖像還原為問題情境，并結合物體加速度和彈簧壓縮量之間關系的圖像，綜合運用萬有引力定律、牛頓運動定律、功能關系等主干知識來解決問題.題中的彈簧振子，其運動情況是先加速再減速，具有運動的對稱性，中間位置加速度為零，速度最大.根據此特點可知，P下落過程中彈簧最大壓縮量為2x0，Q下落過程中彈簧最大壓縮量為4x0，因此Q下落過程中彈簧的最大壓縮量是P的2倍.從題目所給a-x圖像中抽取隱含信息可以得到兩個星球上的重力加速度大小，利用中間加速度為零可以分析出Q的質量是P的3倍.關于P和Q下落過程中的最大動能，需要考生根據已有的變力做功知識來求解，恰好題目中F-x是線性變化的，求解也很方便.也可以運用圖像面積來思考問題，F-x的面積表示功，圖像與x軸圍成的面積若乘以質量m即為合外力F對物體所做的功.本題運動模型經典，考查面很廣，命題立意高，解題的過程需要考生經歷一個科學探究過程，體現出對學生科學探究能力的考查.

4 以“殲15”著艦的運動圖像考查科學態度和責任

【例4】(2019年高考考綱說明題型示例例題14)2012年11月，“殲15”艦載機在“遼寧號”航空母艦上著艦成功.圖4(a)為利用阻攔系統讓艦載機在飛行甲板上快速停止的原理示意圖.飛機著艦并成功鉤住阻攔索后，飛機的動力系統立即關閉，阻攔系統通過阻攔索對飛機施加一作用力，使飛機在甲板上短距離滑行后停止.某次降落，以飛機著艦為計時零點，飛機在t=0.4 s時恰好鉤住阻攔索中間位置，其著艦到停止的速度—時間圖線如圖4(b)所示.假如無阻攔索，飛機從著艦到停止需要的滑行距離約為1 000 m.已知航母始終靜止，重力加速度的大小為g.則( )

(a)

B.在0.4～2.5 s時間內，阻攔索的張力幾乎不隨時間變化

C.在滑行過程中，飛行員所承受的加速度大小會超過2.5 g

D.在0.4～2.5 s時間內，阻攔系統對飛機做功的功率幾乎不變

評析：題目緊密聯系我國自主研制的“殲15”艦載機在“遼寧號”航空母艦上著艦成功的事實，要求考生抓住情境的核心要素構建物理模型，依據v-t圖像求解位移、估算加速度，按照力的合成、功率、力和速度的關系進行定性判斷.能正確識圖，并從圖像中提取所需的信息，是解決此類問題的關鍵.試題突出了應用性，發揮了引導教學的作用，引導學生將物理概念、物理規律與國家經濟社會發展、科學技術進步、生產生活實際緊密聯系起來，關注我國航海事業的大發展，體會物理學在實際生活中的應用價值，增強學生的民族自信心和自豪感，以實現立德樹人的根本任務.

5 結束語

圖像教學過程中，教師創設恰當的物理情境，引導學生關注社會進步和科學發展，讓學生運用已有的物理知識和方法解決實際問題，培養學生學以致用、知行合一的意識和躬身實踐的能力，激發學生學習物理的興趣，并逐漸形成探索自然的內在動力，培育嚴謹認真、實事求是和持之以恒的科學態度，明確自己的科學態度和社會責任[3].2019年考綱中明確提出：試題注意物理知識在日常學習生活、生產勞動實踐等方面的廣泛應用，大力引導學生從“解題”向“解決問題”轉變[5].高考強調學以致用，試題的應用性主要體現在對學生運用所學知識解決實際問題能力的考查，這一點需要廣大師生給予足夠的關注.

能運用幾何圖形、函數圖像對具體物理問題進行分析與表達，是學生關鍵能力的表現之一.2019年高考物理試題注重利用圖像呈現豐富的物理信息，增加試題信息的廣度，要求學生能夠從圖像中獲取信息，建立文字、圖像等不同信息呈現方式之間的聯系，從而構建正確的物理圖景，考查學生的信息加工、邏輯推理等關鍵能力[6].圖像教學中，必須要讓學生深刻理解物理圖像中坐標軸、點(坐標原點、圖線上的任意點以及可能的圖線交點)、線(反映出物理量之間的關系，即物理規律)、面(圖像中圖線與坐標軸所包圍的面積，常常表示另外一個物理量的大小)、斜率(表示兩物理量增量的比值，反映該點處一個量隨另一個量變化的快慢)、截距(包括橫截距和縱截距)的正確含義，明確圖像所描述的物理狀態、物理過程和物理情景等信息，進而運用已有的物理規律靈活解決相關問題.要注意對學生物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度與責任等科學素養的培育和養成，爭取早日適應高考改革的趨勢.