從知識立意轉向能力立意，促進素養進階提升
———2022年高考全國甲卷物理試題評析

■云南省保山市第八中學 蔣金團

2022年高考全國甲卷物理試題的計算量適中,設問方式新穎且靈活,符合當前物理學科核心素養的要求。在保持平穩過渡的前提下,2022年高考全國甲卷物理試題具有其明顯的特點,比如考查的方式和考查的角度更加新穎,體現了“一核四層四翼”的創新性;從知識立意轉向能力立意的力度加大,強調了對關鍵能力的考查。

一、取材真實情景,注重理論與實際的聯系

2022年高考全國甲卷物理試題創設真實問題情景,引導學生關注身邊的實際問題,從而培養學生的建模能力和社會責任感。例如,第14題以2022年北京冬奧會中運動員從大跳臺滑下的過程為背景,考查機械能守恒定律和向心力相關知識,將學科知識和運動會緊密聯系在一起,不但培養了學生對體育運動的熱愛之情,而且落實了“五育并舉”的教育理念;再如,第15 題以高速列車通過隧道為背景,考查勻變速直線運動的規律,引導學生關注生產生活,培養學生應用所學知識解決實際問題的能力。

例1(第15題)長度為l的高速列車在平直軌道上正常行駛,速率為v0,要通過前方一長度為L的隧道,當列車的任一部分處于隧道內時,列車速率都不允許超過v(v＜v0)。已知列車加速和減速時加速度的大小分別為a和2a,則列車從減速開始至回到正常行駛速率v0所用時間至少為( )。

解析:當列車的任一部分處于隧道內時,列車速率都不允許超過v(v＜v0),則列車進隧道前必須減速到v,有v=v0-2at1,解得;列車在隧道內勻速運動時,有;列車尾部出隧道后立即加速到v0,有v0=v+at3,解得。因此列車從減速開始至回到正常行駛速率v0所用時間至少為。

答案:C

點評:本題屬于運動學問題,將高速列車的運動過程可視化是解答本題的關鍵。題目要求列車通過隧道時的速率不超過v,又要求列車從減速開始至回到正常行駛速率v0所用時間最短,說明列車通過隧道時的速度必然是v,因此列車的運動過程由進隧道前減速、隧道中勻速、出隧道后加速三部分組成。此外,列車的長度不能忽略,因此列車在隧道中行駛的過程指的是車頭進入到車尾離開的過程,將上述分析以可視化的運動過程呈現出來,如圖1所示,就可以找到解決問題的突破口。

圖1

二、命題角度新穎,解答方法多樣,注重思維能力的培養

與往年相比,2022年高考全國甲卷物理試題在命題角度上更加新穎,設問方式更加靈活,解答方法也更加多樣,有不少試題在傳統題的基礎上進行大膽的創新與突破,能夠有效地考查學生的思維品質,考生可以根據自己的知識儲備靈活選擇答題方法。例如,第16 題在考查法拉第電磁感應定律和電阻定律的同時,將正方形的內切圓、圓的內接多邊形等幾何知識巧妙地融入進去,從而使得考題更具靈活性和區分度;再如,第18 題以帶電粒子在電、磁疊加場中的運動軌跡分析為背景,考查左手定則、洛倫茲力特點、靜電力做功特點和動能定理等知識,考生既可以采用常規的排除法確定正確答案,也可以采用競賽中常用的配速法確定正確答案;另外,第34(1)題的解答也同樣具有多樣化特點,考生既可以采用常規的方程法計算機械波的波長,也可以采用單位圓法靈活巧妙地計算機械波的波長。

例2(第16題)三個用同樣的細導線做成的剛性閉合線框,正方形線框的邊長與圓形線框的直徑相等,圓形線框的半徑與正六邊形線框的邊長相等,如圖2所示。把它們放入磁感應強度隨時間線性變化的同一勻強磁場中,線框所在平面均與磁場方向垂直,正方形、圓形和正六邊形線框中感應電流的大小分別為I1、I2和I3。則( )。

圖2

A.I1＜I3＜I2

B.I1＞I3＞I2

C.I1=I2＞I3

D.I1=I2=I3

解析:設圓形線框的半徑為r,則正方形線框的邊長為2r,正六邊形線框的邊長為r,因此圓形線框的周長C2=2πr,面積S2=πr2;正方形線框的周長C1=8r,面積S1=4r2;正六邊形線框的周長C3=6r,面積S3=。三個線框的材料粗細相同,根據電阻定律可知,三個線框的電阻之比R1∶R2∶R3=C1∶C2∶C3=8∶2π∶6,根據法拉第電磁感應定律得,根據歐姆定律得,因此三個線框中感應電流的大小之比I1∶I2∶I3=2∶2∶3,即I1=I2＞I3。

答案:C

點評:本題以電磁感應為背景,考查法拉第電磁感應定律、電阻定律和歐姆定律等知識的綜合應用。根據法拉第電磁感應定律可知,每個線框產生的感應電動勢與線框面積成正比,根據電阻定律可知,每個線框的電阻與其周長成正比,因此找出三個線框的幾何長度關系是解答本題的關鍵。根據題圖可知,正六邊形實質上是圓的內接六邊形,將正六邊形的中心與六個頂點連接起來,正六邊形由六個等邊三角形組成,利用題給相等長度很快就能找出三個線框的面積關系和周長關系,從而順利求解相關問題。

例3(第18 題) 空間存在勻強磁場和勻強電場,磁場的方向垂直于紙面(xOy平面)向里,電場的方向沿y軸正方向。一帶正電的粒子在電場和磁場的作用下,從坐標原點O由靜止開始運動。如圖3所示四幅圖中,可能正確描述該粒子運動軌跡的是( )。

圖3

解析:在xOy平面內,電場的方向沿y軸正方向,故靜止在坐標原點O的帶正電粒子在靜電力作用下會向y軸正方向運動;磁場方向垂直于紙面向里,根據左手定則可以判斷出,向y軸正方向運動的粒子同時受到沿x軸負方向的洛倫茲力,故帶電粒子向x軸負方向偏轉。帶電粒子在運動的過程中,靜電力對粒子做功,粒子的速度大小發生變化,粒子所受的洛倫茲力方向始終與速度方向垂直。因為勻強電場方向沿y軸正方向,所以x軸為勻強電場的等勢面,帶電粒子從開始運動到偏轉再次回到x軸時,靜電力做功為0,洛倫茲力不做功,則帶電粒子再次回到x軸時的速度為0,隨后受靜電力作用再次進入第二象限重復向左偏轉。綜上可知,可能正確描述該粒子運動軌跡的是B圖。

答案:B

點評:本題考查的是疊加場中帶電粒子的運動軌跡分析,可采用配速法對粒子的軌跡進行深度的探討。將粒子的初速度零看成是一對等大反向的速度v0和v1的疊加,則粒子等效受到一個靜電力和兩個洛倫茲力的作用,令qv0B=qE,即,此時粒子的運動可等效成兩個分運動,分運動1是qv0B和qE作用下的勻速直線運動,分運動2 是qv1B作用下的勻速圓周運動,由分運動2的軌跡可知,粒子的豎直分位移一直大于零,選項C、D 錯誤。因為分運動1 的水平位移大于分運動2 的水平位移,所以粒子的水平合位移一定向左,選項A 錯誤,B正確。

圖4

三、強化物理觀念考查,注重科學方法的滲透

科學思維和科學方法是物理核心素養的重要組成部分,2022年高考全國甲卷物理試題在深度考查物理觀念的同時,注重科學方法的滲透,體現“授人以魚不如授人以漁”的教育理念。例如,第21題以帶電粒子在電場中做勻變速曲線運動為背景,考查運動的獨立性、牛頓第二定律和勻變速直線運動規律等知識點的同時,深度考查了運動分解法、等效重力法和對稱法在物理學中的應用,體現科學方法的重要性。

例4(第21題)地面上方某區域存在方向水平向右的勻強電場,將一帶正電荷的小球從電場中P點水平向左射出。小球所受的重力和靜電力的大小相等,重力勢能和電勢能的零點均取在P點。則小球射出后,( )。

A.小球的動能最小時,其電勢能最大

B.小球的動能等于初始動能時,其電勢能最大

C.小球速度的水平分量和豎直分量大小相等時,其動能最大

D.從射出時刻到小球速度的水平分量為零時,重力做的功等于小球電勢能的增加量

解析:對小球進行受力分析,如圖5所示,因為qE=mg,所以等效重力G′的方向與水平方向成45°角。當vy=0時,速度最小,且vmin=v1,因為此時v1存在水平分量,靜電力還可以做負功,所以此時的電勢能不是最大的,選項A 錯誤。當小球的速度沒有水平分量時,其電勢能最大。此時在水平方向上有,在豎直方向上有v=gt,又有qE=mg,解得v=v0,即此時小球的動能等于初始動能,選項B 正確。從射出時刻到小球速度的水平分量為零(小球的電勢能最大)時,根據動能定理得W重+W電=0,即重力做的功等于小球電勢能的增加量,選項D 正確。當小球的速度如圖中v1所示時,速度的水平分量與豎直分量相等,其動能最小,選項C錯誤。

圖5

答案:BD

點評:本題除了可以采用等效重力法進行解答,還可以采用常規分解法結合v-t圖像進行分析。根據受力分析可知,粒子在豎直方向上做的是自由落體運動,在水平方向上做的是往返型勻變速直線運動,在水平方向上受到的靜電力等于重力說明兩個分運動的加速度大小均為g。根據如圖6所示的vt圖像,結合對稱性可知,小球速度的水平分量為零時,兩個分運動的位移大小相等,此時重力對小球做的功等于小球克服靜電力做的功,因此重力做的功等于小球電勢能的增加量,選項D 正確。小球速度的水平分量為零時,豎直分量為v0,此時小球的動能等于初始動能,小球克服靜電力做功最多,其電勢能最大,選項A 錯誤,B正確。小球的動能,這是一個開口向上的二次函數,因此當時(此時兩個分速度相等),動能有最小值,選項C錯誤。

圖6

四、加強實驗設計,注重實驗探究能力的培養

實驗是培養學生物理學科素養的重要途徑,2022年高考全國甲卷物理試題不僅在兩道常規實驗題的設置上突出了對探究能力的考查,而且在兩道計算題中也以實驗為背景,引導學生注重實驗探究能力的培養。例如,第22 題要求考生根據實驗目的和提供的實驗器材,畫出測量微安表內阻的實驗電路原理圖,具有一定的探究性。再如,第23 題利用氣墊導軌對彈性碰撞進行研究,展示完整的實驗探究過程,在形成結論部分,要求考生將理論與實驗相結合,培養考生的證據意識。此外,第24題、第25 題也均以實驗為背景,凸現了物理實驗在發展學生核心素養方面的重要地位和作用,引導高中課程開足開好實驗課,鼓勵學生開展各種科學探究活動,提高實驗技能和創新能力。

例5(第23題)利用如圖7所示的實驗裝置對碰撞過程進行研究。讓質量為m1的滑塊A與質量為m2的靜止滑塊B在水平氣墊導軌上發生碰撞,碰撞時間極短,比較碰撞后滑塊A和B的速度大小v1、v2,進而分析碰撞過程是否為彈性碰撞。完成下列填空:

圖7

(1)調節導軌水平;

(2)測得兩滑塊的質量分別為0.510 kg和0.304 kg,要使碰撞后兩滑塊的運動方向相反,應選取質量為_____kg的滑塊作為A;

(3)調節滑塊B的位置,使得滑塊A與B接觸時,滑塊A的左端到左邊擋板的距離s1與滑塊B的右端到右邊擋板的距離s2相等;

(4)使滑塊A以一定的初速度沿氣墊導軌運動,并與滑塊B碰撞,分別用傳感器記錄滑塊A和B從碰撞時刻開始到各自撞到擋板所用的時間t1和t2;

(5)將滑塊B放回到碰撞前的位置,改變滑塊A的初速度大小,重復步驟(4),多次測量的結果如表1所示;

表1

(6)表中的k2=____(保留2 位有效數字);

(8)理論研究表明,對本實驗的碰撞過程是否為彈性碰撞可由判斷,若兩滑塊的碰撞為彈性碰撞,則的理論表達式為____(用m1和m2表示),本實驗中其值為_____(保留2位有效數字),若該值與(7)中結果間的差別在允許范圍內,則可認為滑塊A與B在導軌上的碰撞為彈性碰撞。

解析:(2)用質量較小的滑塊碰撞質量較大的滑塊,才能使得碰后兩滑塊的運動方向相反,故應選取質量為0.304 kg的滑塊作為A。

(6)因為兩段距離s1和s2相等,所以根據表中數據得。

(8)兩滑塊的碰撞為彈性碰撞時滿足動量守恒定律和機械能守恒定律,則解得。

答案:(2)0.304 (6)0.31 (7)0.32

點評:彈性碰撞的特點是碰撞瞬間系統的動量和機械能都守恒,識記重要結論“兩物體發生彈性碰撞后的速度和,能夠在考場上有限的時間內提高解題效率。

例6(第25題)光點式檢流計是一種可以測量微小電流的儀器,其簡化的工作原理示意圖如圖8所示。圖中A為輕質絕緣彈簧,C為位于紙面上的線圈,虛線框內有與紙面垂直的勻強磁場;M為置于平臺上的輕質小平面反射鏡,輕質剛性細桿D的一端與M固連且與鏡面垂直,另一端與彈簧下端相連,PQ為圓弧形的、帶有均勻刻度的透明讀數條,PQ的圓心位于M的中心,使用前需調零,使線圈內沒有電流通過時,M豎直且與紙面垂直;入射細光束沿水平方向經PQ上的O點射到M上后沿原路反射。線圈通入電流后彈簧長度改變,使M發生傾斜,入射光束在M上的入射點仍近似處于PQ的圓心,通過讀取反射光射到PQ上的位置,可以測得電流的大小。已知彈簧的勁度系數為k,磁場的磁感應強度為B,線圈C的匝數為N。線圈沿水平方向的長度為l,細桿D的長度為d,圓弧PQ的半徑為r,r?d,d遠大于彈簧長度改變量的絕對值。

圖8

(1)若在線圈中通入的微小電流為I,求平衡后彈簧長度改變量的絕對值Δx及PQ上反射光點與O點間的弧長s。

(2)某同學用此裝置測一微小電流,測量前未調零,將電流通入線圈后,PQ上反射光點出現在O點上方,與O點間的弧長為s1。保持其他條件不變,只將該電流反向接入,則反射光點出現在O點下方,與O點間的弧長為s2。求待測電流的大小。

解析:(1)當線圈中通入微小電流I時,設彈簧的形變量為Δx,則NBIl=kΔx。因為d?Δx,細桿D左端劃過的弧長很短,弧長近似等于弦長,所以Δx=dθ。當細桿D轉過的弧度為θ時,根據反射定律可知,反射光線轉過的弧度為2θ,有s=r·2θ。聯立以上各式解得。

(2)在測量前未調零的情況下,設線圈中沒有通電流時光束偏移的弧長為s′,若初始時反射光點在O點上方,則線圈中通電流I′后根據(1)中結論得,當線圈中的電流反向后有,解得。若初始時反射光點在O點下方,則可得同樣的結果。因此待測電流的大小。

點評:本題以光點式檢流計的設計原理為背景考查學生的建模能力和科學探究能力。要想順利解答本題,需要從以下兩個角度入手:(1)讀懂光點式檢流計的設計原理,構建物理模型。當線圈中通入微小電流時,在安培力作用下彈簧的長度發生改變,從而導致細桿D的左端發生微小移動,細桿D的延長線是法線,細桿D的位置改變時,必然導致反射光線打在弧形刻度盤上的位置發生改變。(2)注重誤差消除,提高實驗精度。根據題意,(2)問的測量中未進行測量前的刻度調零,這說明本該是零的刻度,讀成了s′刻度,讀大了光束的偏移量,實際測量時只有把這部分扣除才是真實值。此外明確刻度正負號和電流正負號的關系也很重要,結合題中情景圖,可以取零刻度上方的弧形刻度為正值,下方的弧形刻度為負值?；谝陨戏治?當線圈中通電流I′,初始時反射光點在O點上方時有,當電流反向后有,兩式相加把未調零帶來的系統誤差消除后,便能精確測出微電流的大小。

2.聯系生產生活,注重物理在日常生活中的應用。高考已經從知識立意轉向了能力立意,而情景類試題是考查素養的良好載體,因此同學們在復習備考過程中必須關注與生產生活、科技前沿等方面緊密聯系的真實情景,注重從實際情景中獲取信息,提煉物理模型,經歷解決真實問題的過程,加強應用所學理論知識解決實際問題的能力,從而達到提升物理核心素養的目的。