2021年高考物理試題分析與備考建議

柴天虎

2021年的高考物理試題，不管是新高考卷還是全國卷，都在貫徹落實《深化新時代教育評價改革總體方案》要求：穩步推進高考改革，構建引導學生德智體美勞全面發展的考試內容體系，改變相對固化的試題形式，增強試題開放性，減少同學們死記硬背和“機械刷題”的現象。下面，筆者選取了幾道具有代表性的高考真題，與同學們一起來看看2021年物理試題中高考改革的趨勢。

一、側重考查基礎，注意回歸教材

【例1】（2021·全國甲卷）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.6×105mB.6×106mC.6×107mD.6×108m

【分析】該題需要考生對開普勒第三定律有較深刻的理解：對于繞同一中心天體的探測器（衛星），如果周期相等，則軌道半長軸相等。根據開普勒第三定律可知，做勻速圓周運動的衛星的軌道半徑與“天問一號”軌道半長軸相等時，二者的周期相等。根據萬有引力提供向心力求出勻速圓周運動衛星的軌道半徑，即可得到“天問一號”的長軸，再根據幾何關系求解“天問一號”的停泊軌道與火星表面的最遠距離。

【解答】根據題意可知火星的半徑為R=3.4×106m，軌道與火星表面的最近距離約為h=2.8×105m。設火星的質量為M，“天問一號”所在橢圓軌道的半長軸為r。

設想在火星上方有一顆衛星做半徑為r的勻速圓周運動，根據開普勒第三定律=k，可知該衛星的周期T=1.8×105s。對該衛星，根據萬有引力提供向心力可得=mr，在火星表面，根據萬有引力和重力的關系可得=mg，聯立解得r≈3.26×107m。

設“天問一號”的停泊軌道與火星表面的最遠距離為H，根據幾何關系可得h+2R+H=2r，解得H≈6×107m，故C正確、ABD錯誤。

【例2】（2021·新高考Ⅰ卷）如圖1，在（a，0）位置放置電荷量為q的正點電荷，在（0，a）位置放置電荷量為q的負點電荷，在距P（a，a）為√2q的某點處放置正點電荷Q，使得P點的電場強度為零。則Q的位置及電荷量分別為（ ）

A. （0，2a），√2q B. （0，2a），2√2q

C. （2a，0），√2q D. （2a，0），2√2q

【分析】以坐標系設置點電荷位置為情景，通過點電荷電場疊加，考查庫侖定律、電場強度，側重考查電場強度的矢量性。

【解答】根據點電荷的場強公式及平行四邊形定則，可以求出點電荷+q與-q在P點的合場強的大小為E合= 2××cos45°=，方向與-x方向成45°角指向左上方，那么+Q在P點產生的場強與E合大小相等，方向相反。再根據點電荷的場強公式，可得=E合，代入解得Q=2√2q，方向應與+x方向成45°，結合題意可知+Q應在y軸上的（0，2a）位置。故ACD錯誤，B正確。

二、創設真實問題情境，強調學以致用

【例3】（2021·新高考Ⅰ卷）我國古代著作《墨經》中記載了小孔成倒像的實驗，認識到光沿直線傳播。身高1.6m的人站在水平地面上，其正前方0.6m處的豎直木板墻上有一個圓柱形孔洞，直徑為1.0cm、深度為1.4cm，孔洞距水平地面的高度是人身高的一半。此時，由于孔洞深度過大，使得成像不完整，如圖2所示。現在孔洞中填充厚度等于洞深的某種均勻透明介質，不考慮光在透明介質中的反射。

（1）若該人通過小孔能成完整的像，透明介質的折射率最小為多少？

（2）若讓掠射進入孔洞的光能成功出射，透明介質的折射率最小為多少？

【分析】本題以小孔成像空洞深度過大為背景，在孔間填入透明介質考查光的折射，情境新穎，難點在于畫出符合題意的光路圖。（1）只要頭部能夠在后面成像，則腳也一定能夠成像，畫出光路圖，根據幾何關系求解入射角正弦值和折射角的正弦值，根據折射定律求解折射率;（2）若讓掠射進入孔洞的光能成功出射，入射角等于90°時光線能夠射出，折射率最小，畫出光路圖，求出折射角的正弦值，根據折射定律求解。

【解答】（1）若該人通過小孔能成完整的像，作出的光路圖如圖3所示（根據對稱性可知，只要頭部能夠在后面成像，則腳也一定能夠成像）。

根據幾何關系可得sinα=，其中AC=×1.6m=0.8m，DE=1.0cm=0.01m，BO=0.6m。

sinβ=，其中OD=1.4cm=0.014m。

根據折射定律可得n=，代入數據解得n=1.37。

（2）若讓掠射進入孔洞的光能成功出射，折射率最小時光的傳播情況如圖4所示;根據幾何關系可得α′=90°，sinβ′=sinβ，根據折射定律可得n′=，解得n′=1.72。

【提示】解答光的折射類題目的關鍵是弄清楚光的傳播情況，畫出光路圖，根據圖中的幾何關系求出折射角或入射角，然后根據光的折射定律或全反射的條件列方程求解。

三、試題靈活多變，重點考查學生的關鍵能力

【例4】（2021·甲卷）如圖5，長度均為l的兩塊擋板豎直相對放置，間距也為l，兩擋板上邊緣P和M處于同一水平線上，在該水平線的上方區域有方向豎直向下的勻強電場，電場強度大小為E;兩擋板間有垂直紙面向外、磁感應強度大小可調節的勻強磁場。一質量為m，電荷量為q（q>0）的粒子自電場中某處以大小為v0的速度水平向右發射，恰好從P點處射入磁場，從兩擋板下邊緣Q和N之間射出磁場，運動過程中粒子未與擋板碰撞。已知粒子射入磁場時的速度方向與PQ的夾角為60°，不計重力。

（1）求粒子發射位置到P點的距離;

（2）求磁感應強度大小的取值范圍;

（3）若粒子正好從QN的中點射出磁場，求粒子在磁場中的軌跡與擋板MN的最近距離。

【分析】本題以帶電粒子在磁場中的偏轉為情境，要求學生能夠將題干的約束條件用數學公式表達，對學生應用數學處理物理問題的能力要求較高。

（1）粒子在電場中做類平拋運動，根據類平拋運動軌跡以及勾股定理求解粒子發射位置到P點的距離;（2）粒子在磁場中做勻速圓周運動，根據粒子出射點的邊界條件，求出臨界磁感應強度，進而求出磁感應強度的取值范圍;（3）根據粒子正好從QN的中點射出磁場這一邊界條件，畫出粒子的運動軌跡，然后由幾何關系求出粒子做勻速圓周運動的軌跡圓半徑，再由幾何關系求出粒子在磁場中的軌跡與擋板MN的最近距離。

【解答】（1）帶電粒子在電場中受到豎直向下的電場力作用，粒子做類平拋運動，在P點對速度進行分解，如圖6所示。

tan60°=，粒子做類平拋運動，水平方向上x=v0t0，豎直方向上y=at02，vy=at0，其中a=。

粒子發射位置到P點的距離s=，在P點的速度大小v=，聯立解得s=。

（2）帶電粒子從Q點射出磁場，運動軌跡如圖7所示。

由幾何關系可知：粒子從下邊緣Q點射出時，軌跡圓的半徑為R1=。

由洛倫茲力提供向心力可知qvB=m，磁感應強度B=，由此可得B1==。帶電粒子從N點射出磁場，運動軌跡如圖8所示。

由幾何關系可知，粒子從下邊緣N點射出時，設軌跡圓的半徑為R2，在△ONE中：（R2-l）2+（-l）2=R22，解得：R2=（+1）l。

由洛倫茲力提供向心力可知：qvB=m，磁感應強度B=，由此可得B2==。磁感應強度大小的取值范圍為B2

（3）若粒子正好從QN的中點射出磁場，畫出粒子在磁場中的運動軌跡如圖9所示。

由幾何關系可知，在△OAF中，（l-R3）2+（+）2= R32。該軌跡與MN極板最近的距離Δx=L-。

聯立解得Δx=l。

【提示】對于帶電粒子在電場中類平拋運動，將運動按照電場力方向及與其垂直方向分解即可;在磁場中的勻速圓周運動，關鍵在于找到粒子在磁場中運動的軌跡和邊界條件，由幾何關系求出軌跡圓的半徑，或者由洛倫茲力提供向心力求出半徑。

【例5】（2021·新高考Ⅰ卷）如圖10，豎直平面內一足夠長的光滑傾斜軌道與一長為L的水平軌道通過一小段光滑圓弧平滑連接，水平軌道右下方有一段弧形軌道PQ。質量為m的小物塊A與水平軌道間的動摩擦因數為μ。以水平軌道末端O點為坐標原點建立平面直角坐標系xOy，x軸的正方向水平向右，y軸的正方向豎直向下，弧形軌道P端坐標為（2uL，uL），Q端在y軸上。重力加速度為g。

（1）若A從傾斜軌道上距x軸高度為2uL的位置由靜止開始下滑，求A經過O點時的速度大小;

（2）若A從傾斜軌道上不同位置由靜止開始下滑，經過O點落在弧形軌道PQ上的動能均相同，求PQ的曲線方程;

（3）將質量為λm（λ為常數且λ≥5）的小物塊B置于O點，A沿傾斜軌道由靜止開始下滑，與B發生彈性碰撞（碰撞時間極短），要使A和B均能落在弧形軌道上，且A落在B落點的右側，求A下滑的初始位置距x軸高度的取值范圍。

【分析】本題考查動能定理、平拋運動規律、動量守恒定律及其相關知識點，主要考查綜合運用知識分析解決物理問題的能力。

（1）此過程由動能定理直接求解即可。（2）根據題意物塊A落在弧形軌道上的動能均相同，利用平拋運動的規律，推導出落在弧形軌道上的物塊的動能與水平位移和豎直位移的關系式;再把A點的坐標代入動能的關系式，求得具體的動能表達式;然后再利用動能與水平位移和豎直位移的關系式，可推導出所求的曲線方程。（3）由動能定理求得A與B碰撞前瞬間速度大小，由彈性碰撞的特點——系統動量守恒和機械能守恒，求得碰撞后瞬間A、B的速度大小，碰后A速度反向，再返回O點;要使A落在B落點的右側，需滿足A平拋初速度大于B的平拋初速度;要使A和B均能落在弧形軌道上，只需A能夠落在軌道上，利用平拋運動規律求出落在P點的臨界平拋初速度大小，需要A平拋的初速度不大于此臨界速度，兩條件結合解得A下滑的初始位置距x軸高度的取值范圍。

【解答】（1）設物塊A由靜止開始運動到O點的速度大小為v0，對此過程由動能定理得mg·2μL-μmgL=mv02-0，解得v0=。

（2）A經O點水平拋出后做平拋運動，設水平位移為x，豎直位移為y，物塊A經過O點的速度大小為vx，落到弧形軌道上時，速度大小為v，豎直方向速度大小為vy，落在弧形軌道上的動能均為Ek，則x=vxt，y=gt2，vy2=2gy，解得vx2=，Ek=mv2=m（vx2+vy2）=m（+2gy）。

已知P點坐標為（2uL，uL），即當物塊A落到P點時，x=2uL，y=uL，可得Ek=m[+2guL]=2μmgL。

依題意，物塊A落在弧形軌道上的動能均相同，則有m（+2gy）=2μmgL，整理得PQ的曲線方程為：+2y=4μL，0≤x≤2μL。

（3）設A下滑的初始位置距x軸高度為h，A與B碰撞前瞬間速度大小為vA，碰撞后瞬間A、B的分別為vA1、vB，對A由靜止開始運動到碰撞B之前的過程，由動能定理得mgh-μmgL=mvA2-0，解得vA=。

A與B發生彈性碰撞的過程，設水平向右為正方向，因B質量為λm（λ≥5），大于A的質量，碰后A的速度水平向左，由動量守恒定律和機械能守恒定律，可得mvA=-mv2A1+λmvB，mvA2=mv2A1+λmvB2，解得：vA1=vA，vB=vA。

設碰撞之后A向左運動再返回O點的速度大小為vA2，對此過程由動能定理得-2μmgL=mv2A2-mv2A1，解得：v2A2=v2A1-4μgL=（）2vA2-4μgL。

要使A落在B落點的右側，需滿足vA2>vB，即v2A2>vB2，則有（）2vA2-4μgL>（vA）2，解得v2A>μgL。將vA=代入得h>μL。

由（2）的結論vx2=，可得當物體落在P（2μL，μL）點時，在O點平拋的初速度大小滿足：vx2=2μgL。

要使A和B均能落在弧形軌道上，因vA2>vB，故只要A能落在弧形軌道上，B就一定能落在弧形軌道上，所以需滿足v2A2≤v2x，即（）2vA2-4μgL≤2μgL，解得h≤[3（）2+1]μL。

則A下滑的初始位置距x軸高度的取值范圍為：μL

【提示】此題考查對復雜的運動形式分析處理，難度較高，計算推演有一定難度，涉及動能定理、平拋運動的分解、彈性碰撞，建議考生理解相關物理規律的來龍去脈，對彈性碰撞的結果在自行推導后熟記下來，以便在考場上節約時間。

四、2022年高考物理備考建議

1.物理概念和規律是高中物理的基礎性內容，是學生形成和深化物理觀念的重要途徑。高考物理命題依據課程標準，貼近中學物理教學實際，創設典型的問題情境，考查學生對基本物理概念、物理規律全面深刻的理解和掌握。筆者建議，同學們可以結合教材，將物理概念、規律自行梳理一遍，整理在筆記上，構建知識網絡。

2.高考物理試題善于理論聯系實際，設計與生產實踐、體育運動、科技前沿等方面緊密聯系的真實情境，考查學生靈活運用所學物理知識分析解決問題的能力，目的是激發學生學習物理的興趣，引導學生注重學以致用。筆者建議同學們多關注“窗外事”，如奧運會、國家科技突破等，平時多從物理解讀去分析，也可有針對性做一些聯系實際的物理題目，提高分析能力。

3.高考物理試題通過豐富試題的呈現形式、設置新穎的問題角度等方式，增強試題的靈活性，考查學生的推理能力、分析綜合能力、應用數學處理物理問題的能力等，目的是引導教學，減少死記硬背和“機械刷題”現象，引導學生培養關鍵能力和學科素養。平時復習時，同學們一定要知道知識的來龍去脈，重在理解與推理，記憶一定是在理解基礎之上的。對于復雜的問題，可拆解成一個一個小問題處理;每做完一道解答題，可以嘗試總結一下該題考查的知識點。

總之，高考試題側重考查基礎，善于以新情境形式呈現，靈活多變。在復習備考中，我們盡力做到知識框架完整，概念清晰，對規律理解到位，多嘗試舉一反三，具體問題具體分析，盡可能地適應新高考要求，在高考中取得令自己滿意的成績。