2023年高考物理以實(shí)驗(yàn)為背景的非實(shí)驗(yàn)題分析與啟示

許 文

(華中科技大學(xué)附屬中學(xué))

2023年高考全國卷與各新高考省份試題的題型和往年一樣,均為三個(gè)穩(wěn)定的題型,即選擇題、實(shí)驗(yàn)題與計(jì)算題。實(shí)驗(yàn)題一般分為兩個(gè)小題,分別考查高中物理力學(xué)與電學(xué)中主要實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新與拓展。但除實(shí)驗(yàn)題型考查實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之外,在2023年高考物理試題中的選擇題型與計(jì)算題型中,均出現(xiàn)了以實(shí)驗(yàn)為背景的試題,這使問題的分析與求解更具有可操作的實(shí)驗(yàn)探究性,同時(shí)也更進(jìn)一步凸顯物理實(shí)驗(yàn)在發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)方面的重要地位和作用。試題引導(dǎo)高中開足開好實(shí)驗(yàn)課,鼓勵(lì)學(xué)生開展各種科學(xué)探究活動(dòng),提高實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新能力。本文通過對2023年高考物理幾道以實(shí)驗(yàn)為背景的非實(shí)驗(yàn)題型的分析,探索新課程理念下高考物理實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)備考策略。

一、試題分析

1.(2023全國乙卷第17題)一學(xué)生小組在探究電磁感應(yīng)現(xiàn)象時(shí),進(jìn)行了如下比較實(shí)驗(yàn)。用圖1(a)所示的纏繞方式,將漆包線分別繞在幾何尺寸相同的有機(jī)玻璃管和金屬鋁管上,漆包線的兩端與電流傳感器接通,兩管皆豎直放置。將一很小的強(qiáng)磁體分別從管的上端由靜止釋放,在管內(nèi)下落至管的下端。實(shí)驗(yàn)中電流傳感器測得的兩管上流過漆包線的電流I隨時(shí)間t的變化分別如圖1(b)和(c)所示。分析可知

(a)

( )

A.圖1(c)是用玻璃管獲得的圖像

B.在鋁管中下落,小磁體做勻變速運(yùn)動(dòng)

C.在玻璃管中下落,小磁體受到的電磁阻力始終保持不變

D.用鋁管時(shí)測得的電流第一個(gè)峰到最后一個(gè)峰的時(shí)間間隔比用玻璃管時(shí)的短

【命題立意】本題通過在幾何尺寸相同的有機(jī)玻璃管和金屬鋁管上自繞相同線圈,對比探究電磁感應(yīng)現(xiàn)象。要求學(xué)生根據(jù)有機(jī)玻璃管和金屬鋁管對線圈中產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象的不同影響,從逆向思維角度考查學(xué)生的分析判斷能力、推理論證能力。通過本題的分析與求解,讓學(xué)生體會(huì)物理學(xué)習(xí)要注意動(dòng)手實(shí)驗(yàn),對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察、分析與比較,提升學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)探究的興趣,發(fā)展學(xué)生的證據(jù)意識(shí)。

【解析】強(qiáng)磁體在鋁管中運(yùn)動(dòng),鋁管中會(huì)形成渦流,強(qiáng)磁體在玻璃管中運(yùn)動(dòng),玻璃管中不會(huì)形成渦流。強(qiáng)磁體在鋁管中加速后很快達(dá)到平衡狀態(tài),做勻速直線運(yùn)動(dòng),而玻璃管中的磁體則一直做加速運(yùn)動(dòng),故由圖像可知圖1(c)的脈沖電流峰值不斷增大,說明強(qiáng)磁體的速度在增大,與玻璃管中磁體的運(yùn)動(dòng)情況相符,選項(xiàng)A正確;在鋁管中下落,脈沖電流的峰值一樣,磁通量的變化率相同,故小磁體做勻速運(yùn)動(dòng),選項(xiàng)B錯(cuò)誤;在玻璃管中下落,玻璃管為絕緣體,線圈的脈沖電流峰值增大,電流不斷在變化,故小磁體受到的電磁阻力在不斷變化,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;強(qiáng)磁體分別從管的上端由靜止釋放,磁體在鋁管線圈間做勻速運(yùn)動(dòng),在玻璃管線圈間做加速運(yùn)動(dòng),故用鋁管時(shí)測得的電流第一個(gè)峰到最后一個(gè)峰的時(shí)間間隔比用玻璃管時(shí)的長,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。

2.(2023全國甲卷第21題)(多選)一有機(jī)玻璃管豎直放在水平地面上,管上有漆包線繞成的線圈,線圈兩端與電流傳感器相連,線圈在玻璃管上部的5匝均勻分布,下部的3匝也均勻分布。下部相鄰兩匝間距離大于上部相鄰兩匝間距離,如圖2(a)所示。現(xiàn)讓一個(gè)很小的強(qiáng)磁體在玻璃管內(nèi)沿軸線從上端口由靜止下落,電流傳感器測得線圈是電流I隨時(shí)間t的變化如圖2(b)所示。則

(a)

( )

A.小磁體在玻璃管內(nèi)下降速度越來越快

B.下落過程中,小磁體的N極、S極上下顛倒了8次

C.下落過程中,小磁體受到的電磁阻力始終保持不變

D.與上部相比,小磁體通過線圈下部的過程中,磁通量變化率的最大值更大

【命題立意】本題從經(jīng)典的電磁阻尼現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)出發(fā),從多個(gè)設(shè)問角度考查學(xué)生對電磁感應(yīng)原理的深入理解和掌握。題中給出了實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)),要求學(xué)生對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行解釋,考查了科學(xué)探究中的“解釋”要素。“解釋”離不開科學(xué)思維維度等核心素養(yǎng)要素的參與。意在通過設(shè)置新穎的問題情境,增強(qiáng)試題的靈活性,考查學(xué)生閱讀理解、推理分析、遷移應(yīng)用等關(guān)鍵能力和科學(xué)建模、實(shí)踐探究、科學(xué)論證等學(xué)科核心素養(yǎng);引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)悟小實(shí)驗(yàn)中所蘊(yùn)含的大道理,形成認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

【解后反思】以上兩題分別從不同角度考查了對電磁感應(yīng)現(xiàn)象的探究。第1題從渦流的形成、電磁阻尼的角度對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對比設(shè)問;第2題從楞次定律、法拉第電磁感應(yīng)定律的角度考查對電磁感應(yīng)過程的理解與現(xiàn)象的分析。這兩題的實(shí)驗(yàn)情景均來自當(dāng)前人教版教材選擇性必修第二冊P29小實(shí)驗(yàn)“做一做”(圖3)和P37練習(xí)與應(yīng)用第3題(圖4)。試題將教材內(nèi)容改編后呈現(xiàn)出來,兩題均將圖3中的單匝線圈變成了多匝線圈,將電壓表變成了電流傳感器,把記錄電壓表的示數(shù)以及發(fā)生的現(xiàn)象通過I-t圖像體現(xiàn)出來。試題與教材上小實(shí)驗(yàn)的習(xí)題相比,雖然存在以上變化,但其考查的物理本質(zhì)卻是相同的。

圖3

圖4

從知識(shí)考查的角度看,試題均定性考查了法拉第電磁感應(yīng)定律、電磁阻尼、感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件等物理概念的認(rèn)識(shí)與理解;從核心素養(yǎng)考查的角度看,試題主要考查了物理學(xué)科核心素養(yǎng)中物理觀念中的相互作用觀和運(yùn)動(dòng)觀、科學(xué)思維中的科學(xué)推理和科學(xué)論證以及科學(xué)探究中的分析與論證等要素;從考查能力的角度看,試題主要考查了學(xué)生的理解能力、模型建構(gòu)能力、推理論證能力、創(chuàng)新能力和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α５?題命題人立足考生視角,很好地命制了干擾選項(xiàng),把能夠分析物理過程本質(zhì)的考生和“形式判斷”考生區(qū)分開來,如只從“形式判斷”的考生很可能根據(jù)圖2(b)感應(yīng)電流方向周期性變化,誤認(rèn)為磁體在管內(nèi)有顛倒現(xiàn)象,從而錯(cuò)選B。

3.(2023湖南卷第9題)(多選)某同學(xué)自制了一個(gè)手搖交流發(fā)電機(jī),如圖5所示,大輪與小輪通過皮帶傳動(dòng)(皮帶不打滑),半徑之比為4∶1,小輪與線圈固定在同一轉(zhuǎn)軸上。線圈是由漆包線繞制而成的邊長為L的正方形,共n匝,總阻值為R。磁體間磁場可視為磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場,大輪以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)小輪及線圈繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)軸與磁場方向垂直。線圈通過導(dǎo)線、滑環(huán)和電刷連接一個(gè)阻值恒為R的燈泡,假設(shè)發(fā)電時(shí)燈泡能發(fā)光且工作在額定電壓以內(nèi)。下列說法正確的是

( )

A.線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為4ω

D.若僅將小輪半徑變?yōu)樵瓉淼膬杀?則燈泡變得更亮

【命題立意】本題以手搖交流發(fā)電機(jī)裝置為情境,考查學(xué)生對皮帶傳動(dòng)裝置的理解與應(yīng)用,理解正弦交流電的產(chǎn)生與描述,要求學(xué)生正確認(rèn)識(shí)交流電的有效值,并能用有效值分析解決實(shí)際問題。通過以手搖交流發(fā)電機(jī)裝置實(shí)驗(yàn)為背景,拉近學(xué)生與生活的距離,培養(yǎng)學(xué)生的物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)觀念、相互作用觀念、能量觀念等物理觀念與科學(xué)探究、科學(xué)思維、科學(xué)論證等物理核心素養(yǎng)。

【解后反思】本題中手搖交流發(fā)電機(jī)是人教版選擇性必修第二冊P48的演示實(shí)驗(yàn),在演示實(shí)驗(yàn)中,手搖交流發(fā)電機(jī)與不同顏色的兩二極管及電流計(jì)組成實(shí)驗(yàn)電路,通過二極管的發(fā)光情況觀察線圈轉(zhuǎn)動(dòng)過程中交流電的流向。試題將兩二極管與電流表換成一個(gè)小燈泡,通過小燈泡的亮度變化判斷燈泡兩端交流電壓有效值的變化。試題以此演示實(shí)驗(yàn)裝置為背景,突出了課堂演示實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的重大作用,體現(xiàn)了知識(shí)的應(yīng)用價(jià)值,考查學(xué)生對物理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的理解和基本技能的掌握與運(yùn)用,在理解基本概念與基本規(guī)律的過程中感悟和體驗(yàn)物理學(xué)的基本方法以及知識(shí)的形成過程,樹立起對科學(xué)、社會(huì)、人類正確的情感態(tài)度與價(jià)值觀。這種構(gòu)題方式能更好地深化教材,做到理論聯(lián)系實(shí)際,培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力。

圖6

(1)求油滴a與b的質(zhì)量之比;

(2)判斷油滴a與b所帶電荷的正負(fù),并求a、b所帶電荷量絕對值之比。

【命題立意】本題以密立根油滴實(shí)驗(yàn)為情境,與科學(xué)實(shí)踐緊密結(jié)合,考查學(xué)生的受力分析、電場力、力的平衡條件的理解與運(yùn)用能力。意在通過設(shè)置新穎的問題情境,增強(qiáng)試題的靈活性,考查學(xué)生閱讀理解、推理分析、遷移應(yīng)用及應(yīng)用數(shù)學(xué)分析處理物理問題等關(guān)鍵能力和科學(xué)建模、實(shí)踐探究、科學(xué)論證等學(xué)科核心素養(yǎng);引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)悟經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)中所蘊(yùn)含的物理思想,形成認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度,倡導(dǎo)理論聯(lián)系實(shí)際,體現(xiàn)學(xué)以致用。

【解后反思】密立根油滴實(shí)驗(yàn)被評為物理學(xué)史上十大經(jīng)典實(shí)驗(yàn)之一,高中物理各種版本的教材中都有對該實(shí)驗(yàn)的介紹(如圖7)。本題以密立根油滴實(shí)驗(yàn)為背景,將真實(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)換為問題情境,讓學(xué)生對不同對象和不同過程進(jìn)行對比分析與判斷,從中初步感受人類利用運(yùn)動(dòng)性質(zhì)巧妙探究粒子帶電微粒電性與電荷量的研究方法。不僅讓學(xué)生了解密立根所用的基本實(shí)驗(yàn)方法,更要借鑒與學(xué)習(xí)密立根采用宏觀的力學(xué)模式揭示微觀粒子的量子本性的物理構(gòu)思、精湛的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和嚴(yán)肅的科學(xué)作風(fēng),從而更好地提高我們的實(shí)驗(yàn)素質(zhì)和能力。2022年廣東卷物理壓軸題也以密立根油滴實(shí)驗(yàn)為情境命制,兩試題的物理情境和思維內(nèi)核完全相同,均給定了油滴受到空氣阻力的大小的影響因素。只是影響因素略有不同。從命題角度來說,這里揭示了一種改編試題的方法,即對所給的關(guān)鍵條件進(jìn)行適當(dāng)合理的改變。從高考備考角度來說,高考真題才是經(jīng)典中的經(jīng)典,研做高考真題,以高考題為橋梁注重教材研讀,注重知識(shí)網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)和深度學(xué)習(xí),這才是備考的上策。

圖7

二、教學(xué)啟示

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科,實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)的研究與發(fā)展中有著不可替代的作用。新高考理念下的物理試題,除了保留傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)題型外,還在選擇題與計(jì)算題中植入了一定量的以實(shí)驗(yàn)為背景的試題,在最近幾年的高考試題中均有體現(xiàn)。高考物理試題的這一新變化,明確告訴我們要加強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)與研究,對高考物理實(shí)驗(yàn)的研究,不僅僅是針對教材中安排的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn),對一些演示實(shí)驗(yàn)、課外探究拓展性實(shí)驗(yàn),也要引起重視。我們要做到以下幾點(diǎn):

1.對教材中的分組實(shí)驗(yàn)、演示實(shí)驗(yàn)或教材閱讀欄目中的介紹性、拓展性實(shí)驗(yàn),要充分地利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件或身邊的一切可以利用的物品,或自制實(shí)驗(yàn)器材,盡量讓學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn),給學(xué)生展示完整的實(shí)驗(yàn)探究過程;對實(shí)驗(yàn)中形成的結(jié)論分析,要求學(xué)生將理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí)。

2.充分運(yùn)用信息技術(shù)開展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究。在當(dāng)前的各種版本的新教材中,出現(xiàn)了大量的運(yùn)用信息技術(shù)開展物理實(shí)驗(yàn)的課程內(nèi)容或素材資源。智能手機(jī)就是一個(gè)很好的信息技術(shù)工具,為一些探究性物理實(shí)驗(yàn)的開展提供了技術(shù)支撐。在當(dāng)前的學(xué)習(xí)環(huán)境下,引導(dǎo)學(xué)生充分利用好智能手機(jī)這一信息工具,開展實(shí)驗(yàn)探究與體驗(yàn),能體現(xiàn)出“雙減”政策下的要求,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,減少“機(jī)械刷題”現(xiàn)象,讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中掌握基本實(shí)驗(yàn)原理、內(nèi)化實(shí)驗(yàn)方法,能舉一反三,主動(dòng)地進(jìn)行探究和深層次學(xué)習(xí),吸引學(xué)生回歸教材、回歸課堂、回歸物理本真。

3.注重短視頻平臺(tái)中的一些科普小實(shí)驗(yàn),這些小實(shí)驗(yàn)有可能作為高考題的原型。因條件限制,對不能動(dòng)手展開的物理實(shí)驗(yàn),如原子核反應(yīng)、人造衛(wèi)星的發(fā)射與變軌、回旋加速器等反映當(dāng)前最新科技成果的相關(guān)實(shí)驗(yàn),可讓學(xué)生觀看相關(guān)視頻素材,使學(xué)生形成一定的感性認(rèn)識(shí),再引導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)的物理知識(shí)分析這些實(shí)驗(yàn)中的思想方法,讓學(xué)生看圖說話,使教材中的這類實(shí)驗(yàn)插圖成為原型啟發(fā)。關(guān)注科技的發(fā)展與應(yīng)用,了解物理學(xué)在科技發(fā)展中的應(yīng)用情況,嘗試用有關(guān)的物理知識(shí)和技能解釋科技成果及一些自然現(xiàn)象與生活中的問題,切實(shí)感受到物理知識(shí)的應(yīng)用價(jià)值,獲得對物理思想方法的理解和感悟。