2021年高考理綜甲、乙卷天體運動試題評析與啟示

許冬保 朱文惠

摘 要：2021年高考全國理綜甲、乙卷分別對天體運動進行了考查.甲卷在展示我國航天技術成就的同時，要求估算“天問一號”遠火點距離;乙卷在介紹2020年諾貝爾物理學獎項的同時，要求估算銀河系中黑洞的質量.兩題在方法立意及學科素養的要求上驚人相似.同為單項選擇題，均考查生活實踐情境，并對開普勒定律進行考查.在建構模型、推理論證等關鍵能力及學科核心素養方面的考查層級基本相同.研究試題，知微見著，給教學的啟示有：走出考綱，走進課程標準;建構模型，發展科學思維;推理論證，提高推演能力.

關鍵詞：高考理綜;試題評析;模型建構;推理論證

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）17-0044-03

作者簡介：許冬保（1963-），男，江西九江人，本科，中學高級教師，中學特級教師，研究方向：物理考試命題及其評價;

朱文惠（1965-），男，江西贛州人，本科，中學高級教師，研究方向：中學數學教育.

2021年高考全國理綜甲、乙卷中分別出現了天體運動試題.兩道試題情境、設問不同，但立意與學科素養的要求驚人相似.兩道試題均為單項選擇題，均以生活實踐情境（科技發展前沿）呈現，均對開普勒第三定律進行考查，建構模型、推理論證等關鍵能力及學科核心素養方面的考查層級基本相同.研究試題，知微見著，2021年天體運動試題帶給我們哪些方面的教學啟示呢？

1 全國甲卷試題分析

1.1 試題呈現

全國高考理科綜合甲卷第18題，原題如下：

2021年2月，執行我國火星探測任務的“天問一號”探測器在成功實施三次近火制動后，進入運行周期約為1.8×105s的橢圓形停泊軌道，軌道與火星表面的最近距離約為2.8×105m.已知火星半徑約為3.4×106m，火星表面處自由落體的加速度大小約為3.7m/s2，則“天問一號”的停泊軌道與火星表面的最遠距離約為

A.6×105m B.6×106m

C.6×107m D.6×108m

1.2 試題分析

不計火星自轉，在火星表面自由落體的物體，有 GMmR2=mg.

對于橢圓形停泊軌道，半長軸a為

式中，R=3.4×106m，d1=2.8×105m，d2為軌道與火星表面的最遠距離.

對于繞火星做圓周運動的探測器而言，由萬有引力定律及牛頓運動定律，有

由開普勒第三定律知，對于橢圓軌道，圓周半徑r等于橢圓軌道半長軸a.聯立解得

1.3 試題評價

試題以我國“天問一號”火星探測器成功發射為依托，主要考查“科學思維”學科素養中的模型建構、科學推理、科學論證等要素.試題涉及萬有引力定律、牛頓運動定律、開普勒第三定律及圓周運動等內容，要求考生具有一定的理解能力、推理論證能力、模型建構能力以及數學運算能力.

1.4 試題背景

在世界航天史上，“天問一號”不僅在火星上首次留下中國人的印跡，而且首次成功實現了通過一次任務完成火星環繞、著陸和巡視三大目標，充分展現了中國航天人的智慧，標志著我國在行星探測領域跨入世界先進行列.

“天問一號”的成功發射，標志著我國航天事業在自主創新、跨越發展中所取得的重大成就.在航天發展史上，“天問一號”任務實現了6個首次.即首次實現地火轉移軌道探測器發射;首次實現行星際飛行;首次實現地外行星軟著陸;首次實現地外行星表面巡視探測;首次實現4億公里距離的測控通信;首次獲取第一手的火星科學數據[1].

2 全國乙卷試題分析

2.1 試題呈現

全國高考理科綜合乙卷第5題，原題如下：

科學家對銀河系中心附近的恒星S2進行了多年的持續觀測，給出1994年到2002年間S2的位置如圖1所示.科學家認為S2的運動軌跡是半長軸約為1000AU（太陽到地球的距離為1AU）的橢圓，銀河系中心可能存在超大質量黑洞.這項研究工作獲得了2020年諾貝爾物理學獎.若認為S2所受的作用力主要為該大質量黑洞的引力，設太陽的質量為M，可以推測出該黑洞質量約為

A.4×104M B.4×106M

C.4×108M D.4×1010M

2.2 試題分析

設地球繞太陽運動的半徑為r，周期為T.由萬有引力定律及牛頓運動定律，有

設黑洞質量為M′，恒星S2的質量為m，繞黑洞做圓周運動的半徑為r′.同理，有

設恒星S2繞黑洞做橢圓運動的半長軸為a.由開普勒第三定律知，對于橢圓軌道，r′=a.

據題意，恒星S2繞黑洞做橢圓運動，由圖1可知，S2運動周期T′≈2002-1994×2y=16y.

2.3 試題評價

本題是一道聯系實際的情境化選擇題，主要考查考生“科學思維”學科素養中的模型建構、科學推理、科學論證等要素.試題涉及引力定律、牛頓運動定律、開普勒第三定律、圓周運動等知識.要求考生能夠運用所學概念和規律分析解決實際問題.

試題以2020年諾貝爾物理學獎項為依托，信息新穎、情境別致.要求能通過簡化的天體運動模型求得黑洞的質量.試題所給數據真實，符合實際情況.試題以恒星S2繞黑洞運動的時間標度呈現觀測信息，基于極坐標下，極角的變化獲得周期.該題對考生收集信息、分析論證、模型建構等方面的能力進行有效的考查.

2.4 試題背景

2020年諾貝爾物理學獎頒發給了三位獲獎者.英國物理學家羅杰·彭羅斯證明黑洞是廣義相對論的直接產物;德國科學家賴因哈德·根策爾和美國科學家安德烈婭·蓋茲則發現，在銀河系的中心，有一個看不見的、質量極大的天體控制著周邊恒星的軌道，該天體的唯一解釋就是一個超大質量黑洞.

在近30年的觀測中，根策爾和蓋茲的團隊不斷完善觀測技術，追蹤觀測區域內眾多恒星中一批最亮恒星的運動軌跡.其中一顆恒星在不到16年的時間內完成了圍繞星系中心的完整運行，科學家們得以繪制出它的完整軌道.兩個研究團隊在數十年如一日的觀測后得出一致結論：銀河系中心存在一個質量非常大且看不見的天體，在不超過太陽系的空間中聚集了約400萬個太陽的質量，使周邊恒星急速旋轉.這個看不見的天體，即黑洞[2].

3 教學啟示

兩道試題均以最新國內、外科技發展的成果為載體，考查天體運動的基本規律，試題所給數據真實，最后結果均為估算，是近年高考天體運動試題中比較精彩的試題，給我們今后的物理教學帶來重要的啟示.

3.1 走出考綱 走進課程標準

2021年高考全國理綜甲、乙卷天體運動試題，均涉及開普勒第三定律的應用.然而，在2019年以前的考試大綱中，開普勒第三定律未列入考查內容.多年來高考命題堅守不超越考綱的原則，開普勒第三定律從未在全國高考試卷中出現.而今年該知識點的出現，表明今后的高考命題不再囿于傳統意義下的考試大綱的約束.事實上教育部考試中心自2019年之后不再頒布考試大綱，顯然命題設計與此是相匹配的.

物理課程標準在選修1模塊中，基于“物理學與人類認識”主題下的內容要求中明確指出：“了解古希臘的宇宙觀與中國古代的宇宙觀.了解哥白尼日心說對宇宙觀的沖擊.了解開普勒定律對牛頓發現萬有引力定律的重要作用[3].”可見，開普勒定律是課程標準規定的學習內容.

綜上，開普勒定律的考查，意味著傳統考綱約束下的命題已成為過去，以后的高考命題將以課程標準中規定的內容為考查范圍.因此，走進課程標準，基于核心素養統領下的課程改革、教學改革已成定勢.

3.2 建構模型 發展科學思維

科學思維是基于經驗事實建構物理模型的抽象概括過程.在物理學中，建構模型是一種重要的科學思維方法.模型建構作為一種認識手段和思維方式，是學生根據研究問題和情境，在對客觀事物進行抽象概括的基礎上構建易于研究的、能反映事物本質特征和共同屬性的理想模型、理想過程、理想實驗和物理概念的過程.建構模型有助于幫助學生抓住事物的關鍵要素，加深對概念、過程和系統的理解，形成系統思維[4].

天體運動中的模型主要有，天體的自轉模型、行星（或衛星）模型、同步衛星模型以及多星模型等.在教學中要讓學生體會建構物理模型的思維方法，理解物理模型的適用條件，能通過建構物理模型來研究實際問題，在教學中，引導學生經歷物理概念的建構過程和物理規律的形成過程，是發展科學思維的重要途徑.

甲卷考查了不計自轉條件下，行星表面重力與引力的關系模型及“天問一號”在停泊軌道上運動的模型;乙卷考查了恒星S2繞黑洞運動及地球繞太陽運動的模型.此外，在建構相關運動模型的過程中，必須明確天體的質點模型.可以說，自然科學的發展是相關模型不斷建構、批判、修正、重構的過程;而物理問題的分析就是建構模型、應用模型的過程.在教學中模型建構表現在能夠分析模型所涉及的各個要素及其結構，使用模型解釋物理現象和過程，闡明物理概念和原理，在真實的情境中具有構建模型的意識和能力等[4].因此，新課程理念下，建構模型的教學理應受到關注和重視.

3.3 推理論證 提高推演能力

物理課程標準指出：科學思維包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素，科學思維包含的要素是構建物理科考試關鍵能力的重要基礎.在高考評價體系中，將科學思維中的科學推理、科學論證合并為“推理論證能力[5]”.

科學推理不僅包括邏輯上的歸納推理、演繹推理及類比推理，而且包括分析與綜合、抽象與概括、比較與分類等思維方式，還包括控制變量及組合推理、概率推理、相關推理、因果推理等推理形式.科學論證要求考生具有使用科學證據的意識和能力，能運用證據對研究的問題進行描述、解釋和預測[4].

甲卷中半長軸的計算及萬有引力定律、牛頓運動定律、開普勒第三定律及圓周運動等知識的綜合應用，推理得出“天問一號”的停泊軌道與火星表面的最遠距離，由于結果為1位有效數字，因此，通過推理論證、近似估算即可獲得答案;乙卷中恒星S2繞黑洞運動周期是關鍵證據，要求考生具有強烈的證據意識，通過觀察從題給的圖示中獲取答案，所考查的知識點與甲卷基本相同.考生的文字推理及數據計算能力普遍較低，這是不爭的事實.兩道試題均要求考生具有一定的推理論證與數學推演的能力.同時，數學運算能力與信心在考生答題中同樣重要.教學中針對學生的薄弱環節，應當重視和加強文字推演及數據運算能力的提高.

參考文獻：

[1]趙藝涵.“天問一號”探測器成功完成首次火星探測任務[J].中國設備工程，2021（05）：3.

[2]蔡榮根，曹利明，李理，楊潤秋.時空奇點和黑洞——2020年諾貝爾物理學獎解讀[J].物理，2021（01）：11-18.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[4]廖伯琴.普通高中物理課程標準（2017年版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2018.

[5]程力，李勇.基于高考評價體系的物理科考試內容改革實施路徑[J].中國考試，2019（12）：38-44.

（收稿日期：2021-06-19）