巧設工程科技情境 考查學生核心素養

[摘? ?要]2021年1月浙江選考物理試題充分體現了中國特色與愛國情懷，突出中國元素、物理應用和物理思想。試題以重大工程和科技成就為背景，創設真實的物理情境，集中考查物理基本概念與規律。命題者在命題的過程中，將學過的物理知識融入真實場景，要求考生答題時，運用物理觀念進行科學思維，構建物理模型;運用物理思想設計實驗進行科學探究。

[關鍵詞]工程科技;物理模型;核心素養

[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）11-0035-05

2021年1月浙江選考物理試題集中展示了我國取得的科技成就（九章、奮斗者、嫦娥五號、托卡馬克核聚變），及時回應了社會熱點（芯片問題），體現了物理源自生產生活的理念（滑雪2題，汽車2題，摘松果）。2021年浙江高考命題堅持高考改革方向，試題以實際高科技問題為背景，要求學生分析物理現象中的關鍵特征和主要因素，建立合適的物理模型。高考物理試題旨在引導學生關注我國近年來的重大工程和科技成就，充分體現了中國特色與愛國情懷，突出中國元素、物理應用和物理思想。在平時的教學過程中，教師要非常重視物理基本概念和基礎理論的學習，提高學生運用物理規律和物理原理分析和解決具有真實背景問題的能力，使教學逐步走出題海，回歸核心素養的培養。本文從以下幾個方面對2021年1月浙江選考物理試題進行分析探討。

一、工程科技與愛國情懷

在2021年1月這套物理試卷中，試題以我國近年來的重大工程和科技成就為背景，考查學生的基本概念和知識。如第1題以我國安裝在南極大陸昆侖站的自主研發的全自動無人值守望遠鏡為背景，考查國際基本單位;第2題以我國量子計算機“九章”的重大成果為背景，考查微觀世界中量子化的概念;第3題以我國“奮斗者”號載人潛水器在馬里亞納海溝成功坐底為背景，考查了理想化物理模型質點的概念;第7題以我國首個實施月面采樣返回的航天器“嫦娥五號”為背景，考查運動學中力、運動和能量的一些基本規律;第14題以我國全超導托卡馬克核聚變實驗裝置為背景，考查原子物理中有關核聚變的相關問題。這些選考物理試題，不僅能積極引導學生掌握物理的基本概念和基礎理論，還有利于激發學生的愛國情懷，激勵學生勇攀科學高峰。挖掘中國元素，講好中國故事，整套試題處處體現了科學、技術和社會的緊密結合，要求學生能夠抽絲剝繭，找出相關物理概念在具體問題中的相互關系，構建相關的物理模型并加以應用。

二、物理應用與生產生活

物理來源于生活，又服務于社會生活實踐。在物理知識的應用考查方面，試題既注重考核學生對物理基本概念、規律和原理的理解和掌握情況，又突出能力導向，強化物理應用，鼓勵學生將所學的知識應用到生產實踐中去。如第6題為在雪道上滑雪，考查物理學的基本觀念——力、運動和能量;第11題是汽車能量轉換問題，給出總能量在各級能量間的傳輸情況，可以有效考查考生對內能與能量守恒定律的理解情況;第15題呈現松果采摘的場景，主要考查機械運動中的受迫振動問題;第16題給出交流發電裝置，通過外接銅環的作用將交流電轉換成相應的直流電，學生要將交變電流中有效值、最大值和電量的知識進行有效遷移;第20題利用學生熟悉的軌道游戲，考查圓周運動和平拋運動，并應用動能定理和逆向思維進行解題。所有這些試題均緊密聯系日常生活和生產實際，能有效考查學生的理解能力、建模能力和分析推理能力。

三、物理原理與科學探究

每年高考物理電學實驗題是學生關注的焦點，這些考題常考常新，精彩紛呈。實驗復習，給人的感覺就是摸不著頭腦，“一聽就懂，一做就錯”，基本上得不到什么分數。高考實驗題，雖然面目年年新，但都是源于教材實驗，都是對相關實驗的加工和深化，注重考查物理學科核心素養、關注物理實驗過程，突出考查學生是否真正做過相關實驗。物理原理是我們求解實驗題的“航標燈”，為我們指明了實驗學習、備考，甚至高考實驗答題的方向，可使我們在解答高考實驗題時少走彎路，如果沒有理論的指導，搞錯了解題的方向，那么，越努力，就錯得越離譜！

物理選考第17題的第（2）問測量玻璃的折射率，不同于教材中用4枚大頭針測量的方法，只有3枚大頭針的新情景下，如何解決問題，要求學生用3枚大頭針進行測量，但實驗原理沒變，還是光的折射定律，你看到大頭針的像就是相關的折射光線進入人的眼睛。實驗題第18題的第（1）問給出一些電學實驗器材，讓學生設計兩種測定一節干電池的電動勢和內阻的方案，其中的一種方案必須先將電阻箱改裝成一個電流表，然后進行實驗。第18題的第（2）問通過可拆變壓器硅鋼片的疊放位置考查學生對渦流的認識和理解，此題能夠很好地考查學生的實驗觀察能力，并利用電磁感應中渦流產生的原理進行分析。這些實驗試題既基于教材而又高于教材，重點考查了學生利用所學基礎知識和基本理論分析解決實際問題的能力，有利于引導學生積極開展實驗探究，有利于增強學生的創新意識，提高學生的創新能力。

四、物理模型與數學模型

在讀題審題的過程中，要求考生分析物理現象中的關鍵特征和主要因素，建立合適的物理模型與數學模型，從而考查學生的模型建構能力。該試卷第21題以“嫦娥五號”成功實現月球著陸和返回為背景，設計了一種新型著陸裝置，考查學生對電路、電磁感應定律、電容器、安培力。物理選考第22題以芯片制造技術為背景，設計了離子注入晶圓的問題情境，考查學生對電場、磁場、平拋運動、圓周運動和牛頓運動定律等基本知識和基本理論的綜合應用能力。此題突出考查了運動的獨立性原理，立體三維空間的想象能力，最終還是聚焦在數學中小量的近似計算方法和物理建模能力，回歸核心素養中的模型建構，以實踐數學與物理的互利合作。

2.螺旋運動過程——力與運動的獨立作用

本題借用復合場的平臺，考查圓周運動、類平拋運動中的偏轉問題，平拋運動要運用運動的獨立性原理，最后一小題在疊加場中也要運用運動的獨立性原理進行解題。學生要有一定的空間想象能力，能將立體圖轉化為平面圖進行思考。

3.小量近似——彰顯數學魅力

在上述運算過程中用到小量近似計算的方法，經過電場和磁場偏轉的角度都很小，當α很小時，有[sinα≈tanα≈α，cosα≈1-α?/2]，這種小量近似在學習單擺模型時曾經做過推導。從上面關系式的推導過程可以看出，由于角度很小，此時的平拋運動與圓周運動的偏轉量近似相同，平拋運動速度的延長線經過水平位移的中點，而圓周運動速度延長線也經過水平位移的中點，電偏轉與磁偏轉的規律是一樣的，真體現了小量近似的數學魅力。

五、科學思維方法——盤點獨立作用原理

本次浙江選考物理計算的第20題和第22題的最后一小題，彰顯了對力與運動的獨立作用原理的考查。在研究復雜的物理問題時，經常利用獨立性原理把復雜的物理問題分解成幾個簡單的物理問題，常用的獨立性原理有力的獨立作用原理和運動的獨立性原理。獨立性原理是研究復雜物理問題的常用方法。

在高中物理知識的學習過程中，學生已接觸了力與運動的獨立作用原理。比如在講到豎直上拋運動時，可用豎直向上的勻速直線運動和自由落體運動進行合成。在學習運動的合成與分解時，平拋運動就是用簡單的水平方向的勻速直線運動與豎直方向的自由落體運動合成的，也就是說兩個方向的運動是相互獨立、互不干擾的，而時間是相同的。

1.巧用“配速法”及運動的獨立性原理解題

帶電粒子進入復合場中，可能受到重力、電場力和洛倫茲力的作用，弄清這些場力的作用可以用“配速法”及運動的獨立性“玩轉”各種復雜的運動，我們可用最簡單的運動形式來求解復雜的運動問題。

[例2]在空間有相互垂直的場強為E的勻強電場和磁感應強度為[B]的勻強磁場。如圖3所示，一電子從原點靜止釋放，求電子在[y]軸方向前進的最大距離和此時電子的速度（電子電量為e、質量為m）。

解析：此題可利用運動的獨立性原理進行分析求解。雖然電子在O點速度為零，但也可以設想為具有沿x方向的速度[+v]和[-v]，其中[v]應滿足[Bev=eE]。照此設想，電子在其后的運動過程中將受到三個力，一個是沿y方向的電場力，一個是由于電子沿x軸向右運動而產生的沿[-y]方向的洛倫茲力，另一個是電子沿[-x]軸運動產生的沿[y]方向的洛倫茲力，注意到電子沿[-y]方向所受的洛倫茲力和它所受的電場力相平衡，所以電子的運動可視為是一個速度為v沿x軸正向的勻速直線運動和一個速率為v的勻速圓周運動的合成，如圖4所示。

而此時勻速圓周運動的速度v方向與水平方向勻速直線運動的速度v的方向相同，所以電子的合速度為[2v=2EB]

點評：此題利用“配速法”將電場力與洛倫茲力的一個分力平衡，電子的運動可視為是一個速度為v沿x軸正向的勻速直線運動和一個速率為v的勻速圓周運動的合成，是勻速圓周運動與勻速直線運動的合成。

2.巧用動量定理及力的獨立作用原理解題

[例3]現代科學儀器常利用電場、磁場控制帶電粒子的運動。真空中存在著如圖5所示的多層緊密相鄰的勻強電場和勻強磁場，電場與磁場的寬度均為d。電場強度為E，方向水平向右;磁感應強度為B，方向垂直紙面向里。電場、磁場的邊界互相平行且與電場方向垂直。一個質量為m、電荷量為q的帶正電粒子在第1層電場左側邊界某處由靜止釋放，粒子始終在電場、磁場中運動，不計粒子重力及運動時的電磁輻射。

（1）求粒子在第2層磁場中運動時速度v2的大小與軌跡半徑r2;

（2）粒子從第n層磁場右側邊界穿出時，速度的方向與水平方向的夾角為[θn]，試求[sinθn];

（3）若粒子恰好不能從第n層磁場右側邊界穿出。試問在其他條件不變的情況下，也進入第n層磁場，但比荷較該粒子大的粒子能否穿出該層磁場右側邊界，請簡要推理說明之。

解析：此題如果利用常規的方法進行解題，那會非常煩瑣，計算量也非常大。在解第（2）小題和第（3）小題時，可用運動的獨立性原理解題。

（1）粒子進入第2層磁場時經過兩次電場加速，由動能定理有：

在第2層做勻速圓周運動，有：

點評：現代科學儀器常利用電場、磁場控制帶電粒子的運動，其中最典型的是電場加速、磁場偏轉，控制帶電粒子在場中的運動，這類題目我們也可以運用獨立性原理解題。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 陶漢斌. 建構物理模型 厚植物理觀念：鑒賞2020年1月浙江選考物理壓軸題[J].物理教師，2020，41（5）：84-86+89.

[2]? 余婷婷，錢長炎，李歡歡.2019年高考全國理綜卷Ⅰ（物理）第24題解析及啟示[J].物理教師，2020，41（3）：78-81.

（責任編輯 易志毅）