考查科學思維 落實核心素養——2021年新高考適應性考試江蘇物理試卷壓軸題賞析

孫鐵斌

（無錫市輔仁高級中學，江蘇 無錫 214123）

為適應新一輪高考制度改革，2021年1月江蘇等8省高三學生進行了高考適應性考試.江蘇物理試卷在命題中，遵循新的課程標準，注重以實際問題為命題的載體，精心設計試題，通過情境的創設，在分析和解決真實情境問題的過程中考查科學思維，落實核心素養，體現了試題的育人功能和導向作用.為了更好地讓大家了解新課改下的命題，現對新高考適應性考試江蘇物理卷壓軸題進行深入分析，以管窺當前高考物理命題變化動向，同時也對我們今后的物理教學提供有益的參考.

1 分析與解答

1.1 試題

例題.（2021年高考適應性考試江蘇物理試卷第16題）跑道式回旋加速器的工作原理如圖1所示.兩個勻強磁場區域Ⅰ、Ⅱ的邊界平行，相距為L，磁感應強度大小相等、方向垂直紙面向里.P、Q之間存在勻強加速電場，電場強度為E，方向與磁場邊界垂直.質量為m、電荷量為+q的粒子從P飄入電場，多次經過電場加速和磁場偏轉后，從位于邊界上的出射口K引出，引出時的動能為Ek.已知K、Q的距離為d.

圖1 跑道式回旋加速

（1）求粒子出射前經過加速電場的次數N；

（2）求磁場的磁感應強度大小B；

（3）如果在Δt時間內有一束該種粒子從P點連續飄入電場，粒子在射出K之前都未相互碰撞，求Δt的范圍.

1.2 分析

本題通過創設實際情境——跑道式回旋加速器，通過3個不同層次的問題，考查學生科學思維.

1.2.1 模型建構

通常解題前需要建構兩個理想模型：關于研究對象、裝置或條件的理想模型和關于運動過程的理想模型.首先，質量為m、電荷量為+q的粒子從P飄入電場，關于研究對象的理想模型是將粒子視為質點；次之，經過一次電場加速和磁場偏轉，其運動模型是怎樣的呢？在審題后要能清晰地建構粒子初步的運動模型：四階段三模型（運動過程的理想模型：勻加速直線運動、勻速圓周運動、勻速直線運動），如圖2所示.

圖2 粒子一次循環

（1）從P到Q粒子做初速度為0的勻加速直線運動，運動距離為L；

（2）出Q后在磁場Ⅱ區域做勻速圓周運動，運動軌跡為半圓；

（3）從磁場Ⅱ左側到磁場Ⅰ右側的勻速直線運動，運動距離為L；

（4）在磁場Ⅰ區域做勻速圓周運動，運動軌跡為半圓；回到P點.

質量為m、電荷量為+q的粒子從P飄入電場，多次經過電場加速和磁場偏轉，其運動模型又是怎樣的呢？在經過一次循環分析后要能清晰地建構粒子多次循環的運動模型：重復四階段三模型，因多次加速，粒子速度越來越大，圓周運動的半徑也越大，最后粒子到達出射口K處，如圖3所示.

圖3 粒子多次循環

1.2.2 科學推理

推理是由一個或幾個已知的判斷，推導出未知結論的思維過程.在模型建構的基礎上，對題中的3個問題分別推理如下.

（1）依據題中條件得知粒子在電場中每加速一次動能增加qEL，并已知粒子初動能為0，粒子從出射口K引出時的末動能為Ek，根據動能定理，便可求出粒子從出射口K出射前經過加速電場的次數N；第1問3分，難度較小，大多數考生可以做出正確的解答.

（2）因為粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動，由洛倫茲力作為向心力，并已知最后半圈的直徑為d，由出射口K引出時的動能為Ek可求粒子的勻速圓周運動速度大小，根據牛頓第二定律可求出磁場的磁感應強度大小B；第2問5分，難度中等，較多的考生可做出正確的解答.

（3）在Δt時間內有一束該種粒子從P點連續飄入電場，第1個從P位置出發的粒子運動情況和Δt時間內發出的所有粒子運動軌跡都是一樣的.第1個粒子和最后1個粒子只是存在一個時間差Δt，如果兩者運動時在同一個軌道上（不含加速電場區），因兩者速度大小相等，故不會相碰；如果兩者運動時不在同一軌道上（不含加速電場區），也不會相碰，兩者相碰只能在加速電場區PQ間，因為在PQ加速區間最后一個粒子速度總小于第1個粒子的速度，所以兩者在整個運動過程中能不能相碰的臨界條件是：第1個粒子在最后一次加速即第N次加速到達Q點時和最后1個粒子加速第N-1次加速到Q點能不能相碰.第1個粒子在第N次加速到達Q點不可能是和最后1個粒子加速第N-2次或N-3次到Q點相碰，因為要保證粒子在射出K之前都未能相互碰撞.如果是最后1個粒子加速第N-2次達Q點與第一個粒子第N次加速到達Q點相碰，即意味著第1個粒子在PQ間早就碰到其他粒子了，如圖4所示（為看清粒子在PQ間的分布情況，作圖時有意將加速電場中粒子運動軌跡錯開）.

圖4 多個粒子分布情況

現設第1個粒子第N次加速到達Q點與最后1個粒子加速第N-1次達Q點相碰，求出臨界條件下的兩者的時間差值為Δt0，則當Δt小于Δt0時，從P點連續飄入電場的一束粒子在射出K之前都不會相互碰撞.

怎樣求出臨界條件下的兩者的時間差值Δt0呢？因為第1個粒子在最后一次加速完后和最后1個粒子在Q點相碰時，比最后1個粒子只是多跑了最后一圈，也就是兩者間的時間差為第1個粒子在最后1次循環中所用的時間，所以從時間關系上入手就可以求出Δt0了.第3問，難度較大，絕大多數考生根本找不到臨界位置，少數找到臨界位置也難推導出正確的結果.

1.2.3 科學論證

論證的論點在論證前已形成，論證過程即是一個或多個推理的過程.對于本題的論證體現在試題的第3問.一束該種粒子從P點連續飄入電場中，考生從這一束中的第一個粒子和最后一個粒子時間關系上入手求出Δt0之后，能否在思維上的轉換思路，采用不同的思維方式分析解決所遇問題，進而檢驗前面所求出的結論.對于這道開放性的壓軸題，還可以從v-t圖像中求出Δt0，從路程關系上入手求出Δt0等.

1.2.4 質疑創新

發現已有認知之間不能自洽，從而對現有認知的科學性和合理性提出懷疑，甚至萌發出新的猜想，并能想出具有創造性的解決問題的方法.質疑創新是科學思維中最難用試題考查的評價部分.對于本題在第3問中，考生能否在思維遇到障礙時靈活變通找到新的突破口是關鍵；解題中，不少考生是按照通常的順向思維進行分析的，但在處理這一問題中發現很難走出困境，面對這一跑道式回旋加速器束手無策，找不出臨界位置.只有極少數靈活變通的考生轉向逆向思維，并善于數形結合，幾經曲折走出困境，找到了通往成功的道路.真是不成功的道路有無數條，成功的道路往往只有一條.

1.3 解答

解法1.

（1）在磁場中動能不會增加，末動能全來自電場力所做的功，由動能定理可得

（3）粒子運動的過程中，因為第1個粒子在最后1次加速完后和最后1個粒子在Q點相碰時，比最后一個粒子只是多跑了最后一圈，而第1個粒子在最后1圈所用的時間就是所求的臨界時間Δt0，所以從時間關系上入手就可以求出Δt0了.

第1個粒子在最后1圈4個階段用時分別如下.

解法2.

對于這道開放性的壓軸題，第3問還可以用圖像法求解；也可以從第1個粒子與最后1個粒子的路程關系上入手求解.現將解法簡明介紹如下.圖像法求解：作v-t圖，實線代表第1個粒子的運動，虛線代表最后一個粒子的運動.從圖5可以了解粒子整體運動的情況，從圖6可以直觀的看出時間關系并求解，解答過程略.

圖5 第1個粒子和最后1個粒子的運動情況

圖6 第1個粒子N次加速后和最后1個粒子N-1次加速后在Q處相碰

解法3.

2 評價與啟示

2.1 評價

2021年高考適應性考試江蘇物理試卷第16題旨在考查學生對動力學、運動學、功能關系、電場、磁場的基礎知識及空間幾何關系的掌握和運用能力，試題通過考查帶電粒子在電場中的不斷加速、磁場中不同圓軌道中的偏轉及先后出發的粒子間追擊相遇的臨界問題來達到對學生選拔的目的.

這道壓軸題與平時的習題不同，在命制的形式上更為突出了創新性、綜合性和開放性.創新性是指命題創設了來源于現代科技的“跑道式回旋加速器”為這一道壓軸題的情境，具有新穎性和實際應用性，提出的問題具體、真實，通過問題設置細化場景，構建測評考生核心素養的工具；綜合性是指命題在同一場景中設置多個研究對象的存在、多階段物理過程的融合，注重考查高中物理的運動學、動力學、功能關系等核心知識；開放性是指命題體現具有獨立特點的物理過程，注重檢驗考生根據研究對象所涉及的可能狀態，確定相應的臨界位置和靈活選擇物理過程的能力，以及對所要解決的同一物理問題，從不同的角度、思路，運用不同的思維方法分析解決所遇問題.為了實現對考生核心素養的考查，2021年高考適應性考試江蘇物理試卷第16試題有效的考查了學生的科學思維發展水平.如：能否將實際問題中的粒子運動過程清晰的轉化成物理運動模型；能否對這一綜合性問題進行獨立分析和推理，獲得結論；能否在思維遇到障礙時靈活變通的轉換思路，采用不同的思維方式分析解決所遇問題；能否運用數形結合的方法處理物理問題等等，這些需要學生具備創造性見解的能力和品質，集中體現了學生對綜合性物理問題進行分析推理和科學論證能力.

2.2 啟示

從這道壓軸題的分析中看出，通過實際問題的處理，考查科學思維，落實核心素養.在今后的高中物理教學中，教師應鼓勵并引導學生解決生產生活、科學技術中的問題，積極創設新的物理情境，讓學生學會建構物理模型，找出物理模型特征，研究物理模型遵守的規律，培養學生運用科學思維的方法進行科學推理和論證的能力.學生只有在解決實際問題中，才能有效提高科學思維能力、探究能力、增強實踐意識、養成科學態度，促進物理學科核心素養的形成.物理核心素養導向下的物理教學不在于對知識的記憶與再現，而在于對知識和方法的理解與應用，重要的不是獲得知識，而是發展思維能力，本次考試評價體系與核心素養的導向是一致的.

物理學科核心素養主要由物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任4個方面構成.在物理學習和實踐活動中所形成的物理觀念、所進行的科學探究以及所形成的科學態度與責任都包含科學思維的成分，也都離不開科學思維方法的參與和指導.因此，“科學思維”是物理學科核心素養的重中之重，是物理觀念、科學探究、科學態度與責任的基礎與內核.我們在物理教學實施中應該以提升和發展學生的科學思維為核心，只有立足于學生科學思維能力的發展與提升，才能有效促進學生核心素養的形成與提高.