落實核心素養 凸顯創新情境
——2022年創新高考試題分析及變式展示

浙江 劉銀奎 河北 李紅波 湖南 楊宗禮

【真題展示1】(2022·浙江卷·21)艦載機電磁彈射是現代航母最先進的彈射技術,我國在這一領域已達到世界先進水平。某興趣小組開展電磁彈射系統的設計研究,如圖1所示,用于推動模型飛機的動子(圖中未畫出)與線圈絕緣并固定,線圈帶動動子,可在水平導軌上無摩擦滑動。線圈位于導軌間的輻向磁場中,其所在處的磁感應強度大小均為B。開關S與1接通,恒流源與線圈連接,動子從靜止開始推動飛機加速,飛機達到起飛速度時與動子脫離;此時S擲向2接通定值電阻R0,同時施加回撤力F,在F和磁場力作用下,動子恰好返回初始位置停下。若動子從靜止開始至返回過程的v-t圖如圖2所示,在t1至t3時間內F＝(800－10v)N,t3時撤去F。已知起飛速度v1＝80m/s,t1＝1.5s,線圈匝數n＝100匝,每匝周長l＝1m,動子和線圈的總質量m＝5kg,飛機質量M＝10kg,R0＝9.5Ω,B＝0.1T,不計空氣阻力和飛機起飛對動子運動速度的影響,求:

圖1

圖2

(1)恒流源的電流I;

(2)線圈電阻R;

(3)時刻t3。

【創新點說明】選取我國航母電磁彈射技術的發展作為試題情境,情境新穎、科技感強,促進學生對科學、技術、社會、環境之間關系的理解。用較為少見的輻向(徑向)磁場代替常見的平行方向磁場,用新穎的立體問題代替常見的平面問題,并結合v-t圖像,綜合考查安培力和其他力共同作用下的運動規律、電磁感應以及動量定理等核心知識。

【變式】(多選)電磁阻尼器具有噪聲小、可靠性高等優點,在電磁制動領域有著廣泛的應用。如圖3 所示為某一種電磁阻尼器的示意圖(縱截面),圓筒狀的S磁極與圓柱狀的N 磁極產生輻向磁場,其俯視圖如圖4所示。現有一圓形線圈以初速v0從阻尼器上端的開口處進入,線圈進入輻向磁場后立即做減速運動,線圈平面在下落過程中始終保持水平且不與磁極相接觸,已知線圈直徑為D,匝數為n,線圈由密度為d、電阻率為ρ、橫截面為s0的細金屬絲繞制而成,線圈所在位置的磁感應強度大小均為B,當線圈在磁場內下落高度為h時,速度減小到最小值vmin(未知),設磁場區域在豎直方向足夠長,重力加速度為g,不計空氣阻力和其他一切摩擦阻力。下列說法中正確是 ( )

A.線圈在下落過程中產生的感應電流方向為逆時針(俯視)

C.線圈在下落h的過程中,通過的總電荷量

【答案】BC

【變式說明】本題選取永磁體式電磁阻尼器作為試題情境,考查學生對圓形線圈在輻向磁場中切割磁感線而產生電磁感應現象的理解,考查牛頓運動定律、電磁阻尼、電阻定律、右手定則、動生電動勢的計算、閉合電路歐姆定律、感應電荷量的計算等。本題注重對物理觀念與科學思維的考查,試題綜合性較強、涉及的知識與規律較多,同時對模型建構能力也有較高要求,學生需要建立導體棒切割磁感線模型、閉合電路模型、變加速運動模型、導體電阻計算模型;同時也需運用平均電流計算電量、平均速度計算位移的思維方法。本題以生活情境為命題素材,體現了?中國高考評價體系?中提出的“價值引領、素養導向、能力為重、知識為基”的高考評價理念,充分體現了對學生關鍵能力的重視和學科核心素養的考查。

【真題展示2】(2022·山東卷·11)如圖5所示,某同學將離地1.25m 的網球以13m/s的速度斜向上擊出,擊球點到豎直墻壁的距離為4.8m。當網球豎直分速度為零時,擊中墻壁上離地高度為8.45m 的P點。網球與墻壁碰撞后,垂直墻面速度分量大小變為碰前的0.75倍。平行墻面的速度分量不變。重力加速度g取10m/s2,網球碰墻后的速度大小v和著地點到墻壁的距離d分別為 ( )

圖5

【創新點說明】試題將一個斜拋運動(通過逆向思維可以看做是平拋運動)從二維平面轉移到了三維空間,通過碰撞將兩個過程有機地結合起來,考查了學生的空間想象能力和立體思維。

【變式】某實驗小組做風洞實驗,俯視圖如圖6所示,實線表示一豎直墻壁,風力水平向左,他們將一個質量為m＝0.3kg的小球以v0＝5m/s的初速度水平拋出,初速度方向與豎直墻壁的夾角θ＝37°,已知重力加速度g取10m/s2,小球受到的水平風力大小恒為2N,風洞空間足夠大,小球運動過程中沒有與風洞壁碰撞。下列說法中正確的是 ( )

圖6

A.小球做變加速曲線運動

C.當小球在虛線右側運動的過程中離虛線所在豎直面最遠時小球的位移為

D.當小球到達虛線正下方時小球的速率為13m/s

【答案】CD

【變式說明】本題以小球在風洞中的運動為情境,將牛頓運動定律、勻變速直線運動、運動的合成與分解等內容融于一體,考查了學生的理解能力、分析綜合能力、推理能力;解決此題需要學生能夠在頭腦中建立立體情境,考查了學生的空間想象力和對三維坐標系的靈活運用。

【真題展示3】(2022·山東卷·15)某些魚類通過調節體內魚鰾的體積實現浮沉。如圖7 所示,魚鰾結構可簡化為通過閥門相連的A、B兩個密閉氣室,A室壁厚,可認為體積恒定,B室壁薄,體積可變;兩室內氣體視為理想氣體,可通過閥門進行交換。質量為M的魚靜止在水面下H處。B室內氣體體積為V,質量為m;設B室內氣體壓強與魚體外壓強相等、魚體積的變化與B室氣體體積的變化相等,魚的質量不變,魚鰾內氣體溫度不變。水的密度為ρ,重力加速度為g。大氣壓強為p0,求:

圖7

(1)魚通過增加B室體積獲得大小為a的加速度,需從A室充入B室的氣體質量Δm;

(2)魚靜止于水面下H1處時,B室內氣體質量m1。

【創新點說明】本題以魚在水中的沉浮為情境,將魚鰾的兩個氣室進行分割,實現了模型的轉化;將氣體實驗定律與魚的受力分析和牛頓運動定律相結合,實現了考點的綜合,考查了學生的模型建構能力、分析綜合能力。

【變式1】“氣球小車”是一種深受小朋友喜歡的玩具。如圖8所示,一氣球小車放在光滑的水平面上,緊挨氣球出氣口有一固定在桌面上的豎直擋板,打開氣球夾子前氣球內氣體的體積為V,質量為m,壓強為1.1p0,氣球出氣口的截面積為S,打開氣球夾子的同時釋放小車。在打開夾子的瞬間,氣球內氣體以初速度v0從出氣口噴出,設噴出的氣體與擋板作用后瞬間速度減小為零。已知氣球小車的質量為M(質量變化忽略不計),大氣壓為p0且保持不變,忽略氣球內氣體溫度的變化。求:

圖8

(1)打開夾子的瞬間氣球小車的加速度;

(2)打開夾子一小段時間后氣球內氣體的壓強減為1.05p0,同時氣球的體積變為0.5V,設氣球噴出氣體的平均速度為0.5v0,求此時小車的速度大小。

【變式說明】本題以氣球小車的運動為情境,將牛頓運動定律、動量定理、氣體實驗定律、動量守恒定律等內容有機結合,考查了學生的理解能力、分析綜合能力、推理能力;解決此題需要學生理解題干所述的問題情境,考查了學生獲取信息的能力和對知識的靈活運用能力。

【真題展示4】(2022·湖南卷·5)2022 年北京冬奧會跳臺滑雪空中技巧比賽場地邊,有一根系有飄帶的風力指示桿,教練員根據飄帶的形態提示運動員現場風力的情況。若飄帶可視為粗細一致的勻質長繩,其所處范圍內風速水平向右、大小恒定且不隨高度改變。當飄帶穩定時,飄帶實際形態最接近的是 ( )

【真題情境再現】

圖9

【試題評價】1.本題突出情境的創新,強調知識在實際情境的靈活運用。以北京2022 年冬奧會跳臺滑雪空中技巧比賽為情境,通過指示桿的飄帶考查物體的平衡及整體法、隔離法和微元法的靈活應用。

2.本題關注時代發展,將學科內容和體育活動緊密結合,充分展示中國元素,提升學生的民族自豪感和自信心,強調育人導向,凸顯立德樹人。

3.本題以風力指示桿的飄帶為研究對象,要求學生判斷飄帶實際形態,看似常規,但設問角度新穎,要求學生建立物理模型,靈活運用物理知識解決實際問題,對促進學生核心素養的培養和發展具有導向功能。

4.本題不偏不怪,在具體情境中考查學生對物理本質的理解,通過常規方法定量或定性判斷并解決問題,起到減少機械刷題現象的引導作用。

5.這是一道運用物理知識解決實際問題的好題。尖子生能找到模型快速解題,一般學生無從下手,亂猜亂填,命題者將正確答案設置為A,一般學生猜對概率會更低。本題具有較強選拔功能,承擔了選拔優秀人才的任務。

【變式1】(改編)風洞實驗主要用于運動物體(例如汽車等)與空氣之間作用力的分析和研究。在風洞實驗室中,將兩個完全相同的小球用兩段輕線連接后懸掛于天花板頂部,兩球受到的水平風力相同,兩小球處于穩定時,實際形態最接近的是 ( )

圖10

【改編意圖】本題沿用真題的命題思想,改編試題情境,以風洞實驗為情境,考查共點力平衡的綜合、整體法和隔離法的靈活應用。

【解析】設上段細線與水平方向夾角為α,每個小球受到的重力為mg,每個小球受到的水平風力為F,以兩個小球作為整體,受重力、風力和拉力作用,處于平衡狀態,tanα＝;設下段細線與水平方向夾角為β,以下端小球為研究對象,同理可得tanβ＝,則α＝β,故選B。

【答案】B

【變式2】(改編)用兩絕緣細線將兩個完全相同的金屬小球A、B相連并懸掛在O點,兩小球分別帶有等量異種電荷,A帶正電,B帶負電,未加電場時,系統在豎直方向處于靜止狀態,如圖11 所示。現加入水平方向向右的勻強電場,當系統處于新的平衡狀態時,兩小球所處位置可能是( )

圖11

【改編意圖】改編真題題設條件,要求學生對研究對象能正確進行受力分析,會用整體法與隔離法解答帶電物體在電場中的平衡問題,考查學生知識獲取能力、遷移能力、思維認知能力。

【解析】先對A、B兩球整體受力分析,受總重力2mg,電場力的合力為零,故拉力一定與重力平衡,方向豎直向上,故上段細線呈豎直狀態,故AD 錯誤;再對A球受力分析,受重力、電場力和細線的拉力,由于電場力水平向右,根據三力平衡條件,細線的拉力一定向左上方,故B 錯誤,C正確。

【答案】C

【教學啟示】2022年湖南高考物理試卷嚴格遵循?課程標準?的考查方向,注重體現物理學科特色,很好地考查了學生對相互作用、能量、運動等物理觀念的認識,考查了模型建構、科學推理等科學思維能力及多種實驗探究能力,對加強中學物理教學有指導作用,促進對學生物理核心素養的培養,助力學生物理思維能力的提高。

【總結】

1.在教學中,滲透與日常生活相關的情境,要從日常生活生產、體育活動、前沿熱點等各方面擴大素材的選取范圍,讓教學與生活相結合,引導學生運用學過的物理知識解釋生活中的現象,應用物理基礎知識建立模型,解決實際問題。

2.新高考所帶來的試題變化,意味著學生的學習模式需要改變,題海戰術、刷題、背套路不再可靠,要領悟物理規律本質,調整學習內容,不能止于教材,要善于思考并拓展。新高考改革下,教師要善于引導,在教學之前要進行深度挖掘,讓學生從被動接受型學習轉變為主動研究型學習。