創新與傳承并重,全面考查學科素養
——2022年高考全國甲卷物理試題評析

蔣金團

(云南省施甸縣第一完全中學)

2022年高考全國甲卷物理試題依托高考評價體系,突出對必備知識和關鍵能力的考查,促進考生素養的提升,從而落實立德樹人的根本任務;在保持平穩過渡的同時,2022年甲卷物理試題的考查方式和考查角度更加新穎與靈活,體現了“一核四層四翼”的創新性.

1 命題角度新穎、解答方法多樣化,注重思維能力的培養

2022年高考全國甲卷物理試題在設問方式上非常靈活,解答方法也趨于多樣化,有不少考題在傳統題的基礎上進行了大膽的創新與突破,能有效考查學生的思維品質.例如第18題以帶電粒子在電磁疊加場中的運動軌跡分析為背景,考查洛倫茲力的特點、電場力做功的特點和動能定理等知識,考生既可采用常規的排除法確定正確答案,也可采用競賽中常用的配速法確定正確答案.

例1(18題)空間存在著勻強磁場和勻強電場,磁場的方向垂直紙面(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.下列四幅圖中,可能正確描述該粒子運動軌跡的是( ).

在xOy平面內電場的方向沿y軸正方向,故在坐標原點O靜止的帶正電粒子在電場力作用下會向y軸正方向運動.磁場方向垂直紙面向里,根據左手定則,可判斷出向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,選項A、C 錯誤;電場力對帶電粒子做功,粒子速度大小發生變化,粒子所受的洛倫茲力方向始終與速度方向垂直.由于勻強電場方向是沿y軸正方向,故x軸為勻強電場的等勢面,從開始到帶電粒子偏轉再次運動到x軸時,電場力做功為0,洛倫茲力不做功,故帶電粒子再次回到x軸時的速度為0,隨后受電場力作用再次進入第二象限重復向左偏轉,故選項B正確,選項D 錯誤.答案為B.

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.將粒子的初速度為零看成是一對方向相反大小相等的速度v0和v1疊加而成,這樣一來,粒子等效受到一個電場力和兩個洛倫茲力的作用.令qv0B＝qE,即v0＝v1＝,此時粒子的運動可等效成兩個分運動.第一個分運動是qv0B和qE作用下的勻速直線運動,第二個分運動是qv1B作用下的勻速圓周運動.由分運動2的軌跡圖可知,粒子的豎直分位移一直大于零,所以選項C、D 錯誤;又因為分運動1的水平位移大于分運動2的水平位移,所以水平合位移一定向左,所以選項A 錯誤,選項B正確.

圖1

2 強化物理觀念考查,注重學科方法的滲透

科學思維和科學方法是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,在考查能量觀念的同時,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,體現學科方法的重要性.

例2(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自電場中P點水平向左射出.小球所受的重力和電場力的大小相等,重力勢能和電勢能的零點均取在P點.則射出后( ).

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

如圖2所示,因為Eq＝mg,故等效重力G″的方向與水平方向成45°.當vy＝0時速度最小為vmin＝v1,由于此時v1存在水平分量,電場力還可以向左做負功,此時電勢能不是最大,故選項A 錯誤;當水平速度為零時,水平方向上v0＝,豎直方向上v＝gt,由于Eq＝mg,得v＝v0,如圖2所示,此時小球的動能等于初始動能.由于此時速度沒有水平分量,故電勢能最大.由動能定理可知此時WG＋WEq＝0,則重力做功等于小球電勢能的增加量,故選項B、D 正確;當小球速度為v1時,速度水平分量與豎直分量相等,動能最小,故選項C錯誤.答案為B、D.

圖2

本題除了采用等效重力法進行解答,也可采用常規分解法結合v-t圖像進行分析.由受力分析可知,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,由于水平方向上受到的電場力等于重力,說明兩個分運動的加速度大小均為g.根據v-t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,此時重力對小球所做的功等于小球克服電場力所做的功,所以重力勢能的減小量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,豎直速度為v0,此時小球的動能等于初始動能,小球克服電場力做功最多,其電勢能最大,故選項B正確,選項A 錯誤;小球的動能為

這是一個開口向上的二次函數,因此當t＝時(此時兩個分速度相等),動能有最小值,選項C錯誤.

圖3

3 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核心素養的重要途徑和方式.全國甲卷保持兩道實驗的同時,24題、25題也均以實驗為背景,進一步凸顯物理實驗在發展學生核心素養方面的重要地位和作用,引導高中開足開好實驗課,提高學生實驗技能和創新能力.

例3(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4所示.

圖4

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,磁場磁感應強度大小為B,線圈C的匝數為N.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.

(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.

(1)當線圈中通入微小電流I時,設彈簧的形變量為Δx,則有NBIl＝kΔx,可得

因為d?Δx,細桿D左端劃過的弧長很短,弧長近似等于弦長,由圖5可知Δx＝dθ,當細桿轉過的弧度為θ時,由反射定律可知反射光線轉過的弧度為2θ,有s＝r·2θ,聯立可得s＝

圖5

(2)因為測量前未調零,設沒有通電流時反射光點偏移的弧長為s′,當初始時反射光點在O點上方,通電流I′后根據前面的結論可知

當電流反向后有

聯立可得

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,雖然本題沒有涉及高深的物理知識和復雜的運動過程,但在科學方法的考查上入木三分,是一道值得細細品味的好題.要想順利解答本題,筆者認為可關注以下兩點:1)注重教材中科學思想與方法的挖掘,將其有效遷移到新情境中來.本題將微小電流以弧形刻度的形式放大出來,體現了放大法思想.推導弧形刻度與微電流的對應關系式(s＝)時,將很短的弧長近似看成弦長,體現了微元法思想.放大法和微元法是物理學中的基本方法,在教材中有多次體現,這說明把教材的基本思想和基本方法吃透是很有必要的,只有熟知每種方法的內涵,才能在新情境中進行有效遷移;2)注重消除誤差,提高實驗精度.根據題意,第(2)問測量前未進行刻度調零,這說明本該是零的刻度,讀成了s′刻度,讀大了s′,實際測量時只有把這部分扣除才是真實值,此外刻度的正負號和電流的正負號也很重要,結合題中情境圖,取0刻度上方的弧形刻度為正值,下方的刻度為負值.基于以上分析,當線圈中通電流I′,初始時反射光點在O點上方時有s1－s′＝,當電流反向后有(－s2)－s′＝,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值.

綜上所述,2022年高考全國甲卷計算量適中,設問方式新穎、靈活,符合當前物理學科核心素養的要求,對教學具有良好的導向作用.

(完)