2021年福建高考物理第7題評析及啟示

康賢明 黃麗英

(1.福建省泉州市城東中學，福建 泉州 362000； 2. 福建省石獅第八中學，福建 泉州 362700)

教育部在2019年12月發布的中國高考評價體系指出：情境是實現“四層”考查內容和“四翼”考查要求的載體，對考查和培養學生的物理學科素養具有關鍵作用。[1]雙導體桿系統在導軌上做切割磁感線運動是高考中常見的情境，這類試題可以從多方面考查學生對綜合性物理問題的分析推理能力，從深層次考查學生的科學思維。[2]2021年福建省高考物理第7題是一道結合“雙桿模型”的多項選擇題，本文對此進行評析，并針對試題的特點給出備考啟示。

1 試題解析

原題：如圖1所示，P、Q是兩根固定在水平面內的光滑平行金屬導軌，間距為L，導軌足夠長且電阻可忽略不計。圖中EFGH矩形區域有一方向垂直導軌平面向上、磁感應強度大小為B的勻強磁場。在t=t1時刻，兩均勻金屬棒a、b分別從磁場邊界EF、GH進入磁場，速度大小均為v0；一段時間后，流經a棒的電流為0，此時t=t2，b棒仍位于磁場區域內。已知金屬棒a、b由相同材料制成，長度均為L，電阻分別為R和2R，a棒的質量為m，在運動過程中兩金屬棒始終與導軌垂直且接觸良好，a、b棒沒有相碰，則( )。

圖1

B.t2時刻b棒的速度為0

C.t1～t2時間內，通過a棒橫截面的電荷量是b棒的2倍

圖2

t=t2時流經a棒的電流為0，且b棒仍位于磁場區域內，說明回路的總感應電動勢為0，有兩種可能，一是兩棒的速度都為0，二是兩棒速度大小相等方向相同，兩棒所受安培力大小相等，方向相反，系統動量守恒，因為a棒的質量是b的兩倍，系統總動量向右，所以t2時刻兩棒速度相等且方向都向右，故B選項錯誤。

t1～t2時間內，兩棒串聯組成閉合回路，通過兩棒的電流始終相等，通過橫截面的電荷量也相等，故C選項錯誤。

2 試題評析

2.1 知識立意

本題考查的物理概念有：質量、長度、橫截面積、體積、密度、電阻、電阻率、電流、電荷量、感應電動勢、電源、閉合電路、安培力、速度、加速度、動能、電能、焦耳熱、動量等；考查的物理規律有：電阻定律、牛頓第二定律、電磁感應定律、閉合電路歐姆定律、動量守恒定律、能量守恒定律等。考查的概念和規律都是高中物理重點學習的基礎內容，體現了基礎性；本題涉及19個物理量，要綜合利用牛頓運動定律、動量守恒和能量守恒定律解決電磁感應與電路的綜合問題，體現了綜合性；本題的情景是很難與生活實際相聯系的學習探索情境，是抽象關聯情境，是用來區分選拔高層次人才的，體現了應用性；本題的選項設置，可以區分具有創新思維的學生，學生如果善于獨立思考，不需要計算，通過排除法，可以快速找出正確選項，體現了創新性。

2.2 能力立意

知識是載體，能力才是關鍵。從知識獲取能力來看，本題對學生的信息整理能力提出了較高的要求，因為A、D兩個選項如果要完整地計算出來，需要引入的符號多達二十幾個。這要求學生對物理基礎知識要有深刻的理解，并形成學科知識網絡，才能通過閱讀，理解試題文本，透過現象看本質，發現隱含的規律和原理，從而將復雜的信息整理出來。從實踐能力來看，本題主要考查學生的信息轉化能力，要求學生將整理出來的復雜信息，根據所學的原理，找到信息點之間的關聯，從而得到結論。從思維能力來看，本題要求學生有較強的模型構建能力，如結合電阻定律，構建桿的電阻模型；由a、b棒切割磁感線，結合電磁感應定律，構建雙電源模型；以a、b棒為系統，由兩桿間的相互作用，構建碰撞模型。

2.3 素養體現

概念和規律是物理觀念的具體體現，由本題考查的概念和規律可以看出，本題考查的物理觀念包括了物質、運動、相互作用和能量四個觀念。本題中雙桿做變速運動，受到的安培力是變力，其運動模型需要通過分析兩桿的運動并進行多層次的推理才能判斷其運動狀態，考查學生對綜合性物理問題的分析推理能力，符合《普通高中物理課程標準(2017年版)》中學業質量水平4的要求：“能將實際問題中的對象和過程轉換成所學的物理模型，能對綜合性物理問題進行分析和推理”，能較好地區分學生的學業水平。

3 教學啟示

3.1 利用思維導圖培養學生信息處理能力

本題綜合性較強，涉及的物理量、物理規律多，這就要求學生具備較強的信息梳理能力，要求學生有良好的知識結構。在復習備考時，要幫助學生梳理知識結構。比如，在本題講解中，可將物理量分為對象、環境和過程三類，利用思維導圖(圖3)進行信息梳理。復習中，思維導圖不是簡單的概念梳理，要幫助學生梳理知識之間的邏輯關聯，構建知識結構。

圖3

3.2 利用問題串搭設腳手架，培養學生按流程思維的習慣

在本題D選項的計算中，思維流程長，綜合性強，如果不能快速構建模型，根本無從下手。筆者的策略是利用問題串，搭設腳手架，培養學生按照流程進行思維的能力，比如，結合雙桿模型，設計的習題如下。

習題1：如圖4所示，固定在水平面上間距為L的兩條平行光滑金屬導軌，垂直于導軌放置的兩根金屬棒ab和cd的長度也為L，兩棒與導軌始終接觸良好，整個裝置上有垂直于導軌平面向上的勻強磁場，磁感應強度大小為B，在t=0時刻使棒ab獲得水平向右的初速度v0，已知兩棒的質量都為m，電阻均為R，導軌電阻不計。

圖4

(1)t=0時，棒ab中的感應電動勢為多大？通過棒ab的電流是多少？

(2)t=0時，棒cd受到的安培力大小和方向如何？棒ab受到的安培力大小和方向如何？

(3) 在安培力的作用下，棒ab和棒cd的速度會如何變化？

(4) 經過一小段時間后，棒ab和棒cd上產生的感應電動勢如何？畫出等效電路圖。

(5) 回路中電流如何變化？棒ab和棒cd受到的安培力大小如何變化？

(6) 從t=0開始，棒ab和cd分別做什么運動？畫出二者的v-t圖像。

(7)cd棒的最大速度為多少？ab棒最終的速度為多少？

(8) 全過程中電路中產生的總焦耳熱為多少？

(9) 全過程中cd棒產生的焦耳熱為多少？

本道習題共設置了9個小問，從感應電動勢到感應電流、安培力、等效電路、運動、能量，環環相扣，學生在回答問題的過程經歷了科學規范的訓練，自然而然地養成了科學思維的習慣。

3.3 利用拓展變式訓練，培養學生的遷移能力

能力的培養不是一蹴而就的，需要一定的訓練量，但訓練不是盲目刷題。筆者的做法是拓展變式訓練，讓學生經歷思維的訓練過程，下面給出幾道雙桿模型的訓練題(限于篇幅，只給出題干部分)。

習題2：如圖5所示，固定在水平面上間距為L的兩條平行光滑金屬導軌，垂直于導軌放置的兩根金屬棒ab和cd長度也為L，兩棒與導軌始終接觸良好。整個裝置上有垂直于導軌平面向上的勻強磁場，磁感應強度大小為B。t=0時ab棒的初速度向右、大小為2v0，cd棒的初速度向左、大小為v0。

圖5

習題3：如圖6所示，光滑平行不等寬金屬導軌水平放置，導軌寬度分別為L和2L，金屬棒ab質量為m，電阻為R，長度為L，金屬棒cd質量為2m，電阻為2R，長度為2L，導軌電阻不計。整個裝置處于豎直向下的勻強磁場中，磁感應強度為B，t=0時棒ab獲得向右的初速度v0。

圖6

習題4：如圖7所示，固定在水平面上間距為L的兩條平行光滑金屬導軌，垂直于導軌放置的兩根金屬棒ab和cd長度也為L，兩棒與導軌始終接觸良好。整個裝置上有垂直于導軌平面向上的勻強磁場，磁感應強度大小為B。t=0時刻，對棒ab施加一個水平向右的恒力F，已知兩棒的質量都為m，電阻均為R，導軌電阻不計。

圖7

很多老師喜歡利用真題讓學生進行所謂的刷題訓練。誠然，在學生已經建立完善的知識結構，具有一定思維能力的情況下，適當的刷題對提高學生的熟練程度是有幫助的。但是，在新授課的習題教學和高考一輪復習中，對于基礎較為薄弱的學生，大量利用真題進行刷題訓練，往往會加重學生負擔，而且收效甚微。利用問題串，將試題轉化為習題，減少思維鏈的長度，可促進學生融會貫通，靈活應用。