建立高中物理學科核心素養的捷徑
——學會在收集錯題中“淘金”

甘肅 任耀金

自新課標、新教材、新高考實施以來,高中物理教學要建立學生的學科核心素養,這不但對教師的教學能力有了更高要求,對學生的“學習能力”要求也提高了,通俗理解“中學生的學習”不外乎是模仿、練習達到低通路遷移。由于物理學科難度大、知識點涉及面廣、概念抽象、實驗與理論性強、運用數學知識解決問題能力要求高等特點,導致學生對物理的學習存在很多困擾。當下培養學生的學習能力是一線教師重要的研究項目,教師要引導學生克服困難,幫助學生收集錯題,指導學生在錯題中分析原因、反思、總結、歸納、更正。大量實踐證明,做好錯題集、用好錯題集不單是任材使能的有效途徑,更是在教學中培養學生學習能力的捷徑。筆者結合多年教學實踐,把2022年全國及各省高考試題中部分題目進行分析、歸納錯因,以供借鑒。

一、錯題常見類型及原因分析

1.審題馬虎

物理考試中審題能力很關鍵,審題中對細節、暗示、關鍵詞的把握和領會常常是破題的關鍵。因此,在平時一定要養成良好的審題習慣,題目中關鍵字詞要勾畫出來。物理題目中常見的關鍵字詞有:光滑、粗糙、水平、豎直、傾斜、忽略、不計、勻速、勻加速、相對靜止、一起運動、緩慢、剛好、恰好、可能、最大、最小、最高點、最低點、至少、最初、最終、最后、自由、正比于等。

【例1】(2022·全國乙卷·16)如圖1所示,固定于豎直平面內的光滑大圓環上套有一個小環,小環從大圓環頂端P點由靜止開始自由下滑,在下滑過程中,小環的速率正比于 ( )

圖1

A.它滑過的弧長

C.它到P點的距離

D.它與P點的連線掃過的面積

【錯解】設圓環下降的高度為h,根據機械能守恒定律得mgh＝mv2,解得v＝。

故選B。

【錯誤原因】小環從固定于豎直平面內的光滑大圓環的頂端P點由靜止開始自由下滑,就直接想到符合機械能守恒定律的條件,因此直接套用熟悉的公式,而忽視問題是小環的速率正比于哪個物理量,沒有多加思考正比的關系,形成錯誤。

【正解】如圖2所示,設圓環下降的高度為h,圓環的半徑為R,此時圓環到P點的距離為L,根據機械能守恒定律得mgh＝mv2,由幾何關系可得h＝Lsinθ,sinθ＝,聯立可得h＝,則v＝,故C正確,ABD 錯誤。

圖2

【評析】對解決豎直平面內圓周運動的兩種模型——繩模型和桿模型,把握清楚關鍵知識點后一定要看題目問什么,不能只是把熟悉的公式代入計算,而不仔細審題,解決這類題目一定要分析關鍵字詞的物理意義和對應的數學關系。

在光源的選擇上，首先需要考慮激光的波長對系統的影響.如圖7所示，分別以常用的中心波長為325 nm、488 nm和632 nm的單色激光作為光源，在matlab中畫出歸一化光強隨腔長變化的曲線.根據式(2)可得，光強的極大值和極小值分別為

2.概念模糊、混淆不清

學好高中物理,概念理解非常重要,通俗地說,物理學是要講“理”的學科。因此,教師在教學中不僅要向學生講清楚物理知識“是什么”,更為重要的是向學生講清楚物理知識的“為什么”。遺憾的是,部分學生只知道物理知識“是什么”,根本不知道物理知識的“為什么”。要加強學生對以下概念的理解和區分:質點和一般物體、路程和位移、時間和時刻、速度和加速度、關系圖像和實際軌跡、變化量和變化率、合力和分力、平均速度和平均速率、合運動和分運動、勻加速和勻速、超重失重和重力變化、天體半徑和軌道半徑及天體間距離、點電荷和一般帶電體、勻強電場和一般電場、一般衛星和同步衛星、電場強度和電勢及電勢差、電容和電容器、電阻和容抗及感抗、功率和效率、電功和電熱、磁通量和磁感應強度、基本粒子和宏觀顆粒、輕桿模型和輕繩模型、電離和躍遷、反射和折射、動量和沖量等。

【例2】(2022·廣東卷·5)目前科學家已經能夠制備出能量量子數n較大的氫原子。氫原子第n能級的能量為,其中E1＝－13.6eV。圖3是按能量排列的電磁波譜,要使n＝20的氫原子吸收一個光子后,恰好失去一個電子變成氫離子,被吸收的光子是 ( )

圖3

A.紅外線波段的光子 B.可見光波段的光子

C.紫外線波段的光子 D.X 射線波段的光子

【錯解】要使處于n＝20的氫原子吸收一個光子后失去一個電子變成氫離子,只要吸收光子的能量值遠大于E＝eV＝0.034eV,故選D。

【錯誤原因】學生對本題恰好失去一個電子變成氫離子,也就是吸收光子后剛好電離的臨界值模糊不清。

【正解】要使處于n＝20的氫原子吸收一個光子后恰好失去一個電子變成氫離子,則需要吸收光子的能量為E＝eV＝0.034eV,則被吸收的光子是紅外線波段的光子。故選A。

【評析】要正確解答此類題目,首先對物理中重要概念理解透徹、常見易混淆概念要清晰,本題的電離和躍遷及臨界值要把握準確。

3.規律、定律和特征把握不準

熟練掌握中學物理定理、規律及物理模型的特征,是學好中學物理的重要環節。很多錯題是對定理、定律及模型規律把握不準造成的,以下是高中物理中要熟練掌握的常見事物的特征和模型的規律:勻速運動和勻變速運動規律,平衡狀態、靜電平衡、熱平衡、彈簧瞬時變化的特征、牛頓運動定律、機械能守恒定律、能量守恒定律、萬有引力定律、動量守恒定律、電荷守恒定律、法拉第電磁感應定律、閉合電路歐姆定律、理想氣體實驗定律、楞次定律、動量定理和動能定理、光電效應規律等。

【例3】(2022·山東卷·2)我國多次成功使用“冷發射”技術發射長征十一號系列運載火箭。如圖4 所示,發射倉內的高壓氣體先將火箭豎直向上推出,火箭速度接近零時再點火飛向太空。從火箭開始運動到點火的過程中( )

圖4

A.火箭的加速度為零時,動能最大

B.高壓氣體釋放的能量全部轉化為火箭的動能

C.高壓氣體對火箭推力的沖量等于火箭動量的增加量

D.高壓氣體的推力和空氣阻力對火箭做功之和等于火箭動能的增加量

【錯解】B或C或D

【錯誤原因】對能量守恒定律把握不準而選擇B;對動量定理把握不準而選擇C;對動能定理把握不準而選擇D。

【正解】火箭從發射艙發射出來,受豎直向下的重力、豎直向下的空氣阻力和豎直向上的高壓氣體的推力作用,且推力大小不斷減小。剛開始向上運動的時候,高壓氣體的推力大于向下的重力和空氣阻力之和,故火箭向上做加速度減小的加速運動;當向上的高壓氣體的推力等于向下的重力和空氣阻力之和時,火箭的加速度為零,速度最大;當向上的高壓氣體的推力小于向下的重力和空氣阻力之和時,火箭向上做加速度增大的減速運動,直至速度為零,故當火箭的加速度為零時,速度最大,動能最大,故A 正確;根據能量守恒定律,可知高壓氣體釋放的能量轉化為火箭的動能、火箭的重力勢能和內能,故B錯誤;根據動量定理,可知合力的沖量等于火箭動量的增加量,故C 錯誤;根據功能關系,可知高壓氣體的推力和空氣阻力對火箭做功之和等于火箭機械能的增加量,故D 錯誤。

【評析】當做加速運動的物體加速度為零時,物體的速度最大、動能最大;由能量守恒定律可知,高壓氣體釋放的能量應等于火箭所有獲得的能量總和;由動量定理可知,合外力的沖量等于研究對象動量的變化;由功能關系可知,除重力和系統內彈力之外的力做功等于機械能的增量。

4.方法運用不當

物理解題中靈活選擇方法很重要,方法得當,事半功倍、錯誤率低。如共點力平衡問題?？蛇x擇正交分解法、相似三角形法、圖解法歸納巧用;計算位移時可選擇勻變速直線運動的基本公式及推論法、圖像法、平均值法、平均速度法、動能定理法要歸納巧用;計算加速度時可選用牛頓運動定律、勻變速直線運動規律、圖像法、實驗數據獲得。

【例4】(2022·全國乙卷·15)如圖5,一不可伸長輕繩兩端各連接一質量為m的小球,初始時整個系統靜置于光滑水平桌面上,兩球間的距離等于繩長L。一大小為F的水平恒力作用在輕繩的中點,方向與兩球連線垂直。當兩球運動至二者相距時,它們加速度的大小均為 ( )

圖5

【錯解】部分同學看到本題題目是動態變化,就無從下手,故胡亂猜測答案為B或C或D。

【錯誤原因】沒有明確本題是平衡問題,導致方法使用不當而出錯。

圖6

【評析】本題雖然沒有明確字詞說明是平衡問題,但是可在兩球運動至二者相距時刻看成是平衡問題進行處理,從而選擇正交分解法解答。

5.運用數學知識解決物理問題能力欠佳

數學知識在中學物理中應用非常廣泛,運用數學知識解決物理問題的能力也是高考考查的主要能力之一,數學功底直接決定物理解題的正確率。如利用數學中函數圖像理解物理圖像中物理量間的含義;三角形知識和三角函數知識是解答力學平衡問題常用的方法;極限思想是解決臨界問題的常用方法;向量運算是解決物理中矢量運算的知識依據;對稱法、極值法、微元法、等效替代法等在中學物理中廣泛應用,這些都源于對數學知識的累積。

二、結束語

在物理學習和備考復習中出錯是財富,發現錯誤才知道自身的不足。為了“活化”錯題集在物理學習和高考復習中的功效,一定要正確對待錯題,只有這樣錯題才能越來越少。錯題集的使用也需要靈活,需因人而異才能發揮它的最大效能。利用好錯題集不但能使學生正確對待錯誤、提高學習和復習效率,還能提高物理學科核心素養及思維品質,改正馬虎的毛病,準確理解概念、快速提高學習能力。因此,學會在錯題集中“淘金”是物理教學中建立學科核心素養和高考復習中能力培養的捷徑。