彰顯過程分析 考查核心素養(yǎng)
——以2018年普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試(新課標(biāo)Ⅰ)為例

李 寧 梁吉峰

(1. 北京市第九中學(xué),北京 100041; 2. 北京市育英學(xué)校,北京 100036)

2017年教育部頒布了《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》,提出新一輪課程改革的基本理念:注重體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì),注重課程的時代性,關(guān)注科技進(jìn)步和社會發(fā)展需求,培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)．《2018年普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試大綱的說明》也指出:高考物理試題著重考查考生的知識、能力和科學(xué)素養(yǎng),注重理論聯(lián)系實際,注意物理與科學(xué)技術(shù)、社會和經(jīng)濟發(fā)展的聯(lián)系．2018年普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試(新課標(biāo)Ⅰ)卷就很好地踐行了考查學(xué)生核心素養(yǎng)這一基本目標(biāo)．本文通過對2018年普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試(新課標(biāo)Ⅰ)中幾個典型問題的研究,發(fā)現(xiàn)高考物理試題具有注重問題過程分析、注重考查學(xué)生核心素養(yǎng)的命題立意,并對課堂教學(xué)提出了參考建議．

1 注重常規(guī)力學(xué)問題中的過程分析,考查核心素養(yǎng)

題1.(全國Ⅰ卷第18題)如圖1,abc是豎直面內(nèi)的光滑固定軌道,ab水平,長度為2R;bc是半徑為R的1/4圓弧,與ab相切于b點．一質(zhì)量為m的小球,始終受到與重力大小相等的水平外力的作用,自a點處從靜止開始向右運動．重力加速度大小為g．小球從a點開始運動到其軌跡最高點,機械能的增量為

(A) 2mgR. (B) 4mgR.

(C) 5mgR. (D) 6mgR.

解析: 過程Ⅰ:小球從a至b過程,小球受到豎直向下的重力mg,水平拉力F=mg,豎直向上的支持力N1,受力分析如圖2所示,小球向右做勻加速直線運動．

方法1:根據(jù)牛頓第二定律結(jié)合運動學(xué)公式分析.

圖1 試題情境圖圖2 對研究對象受力分析

根據(jù)牛頓第二定律可得

F=ma1.

(1)

根據(jù)運動學(xué)公式可得

vb2=2a12R.

(2)

解得小球在b點的速度大小

方法2:根據(jù)動能定理分析.

根據(jù)動能定理可得

解得小球在b點的速度大小

圖3

過程Ⅱ:小球從b至c過程,小球在圓弧軌道上受到豎直向下的重力mg,水平拉力F=mg,沿著半徑指向圓心方向的支持力N2,如圖3所示,小球沿著圓弧做變速率圓周運動．

根據(jù)動能定理可得

解得小球在c點的速度大小

圖4

過程Ⅲ:小球從c至最高點過程,這一過程,小球會做什么運動呢?對小球受力分析,受到豎直向下的重力mg,水平拉力F=mg,如圖4所示,不難判斷出豎直向下的重力mg和水平拉力F的合力斜向下,而c點的速度vc豎直向上,故小球做斜拋運動．

根據(jù)運動的合成與分解,把斜拋運動可以分解為水平方向的勻加速直線運動和豎直方向的豎直上拋運動．

豎直方向:小球從c點上升至最高點所用的時間

水平方向:小球的加速度大小為

方法1:根據(jù)機械能增量的概念分析.

小球運動到其軌跡最高點時,豎直方向的速度為0,水平方向的速度

v=a2t.

(10)

解得

最高點距離c點的距離

如果選取ab水平軌道所在平面為零勢能參考平面,則此時小球的機械能為

將小球視為質(zhì)點,則小球開始在a點的機械能

E=0.

(14)

故小球從a點開始運動到其軌跡最高點,機械能的增量為

ΔE=E′-E=5mgR.

(15)

方法2:根據(jù)功能關(guān)系分析.

在時間t內(nèi)水平方向發(fā)生的位移為

解得

x2=2R.

(17)

小球從a點開始運動到其軌跡最高點,水平方向發(fā)生的位移為

x=3R+x2=5R.

(18)

水平拉力F做功

W=Fx=5mgR.

(19)

根據(jù)功能關(guān)系可知，小球機械能的增量

ΔE=W=5mgR.

(20)

正確選項為(C).

剖析:第18題要求考生準(zhǔn)確理解機械能和機械能增量的物理觀念,求解路徑有兩條．其中一條路徑是根據(jù)機械能增量的概念來求解,機械能的增量等于末狀態(tài)的機械能減去初狀態(tài)的機械能,選取合適的參考平面例如選取ab水平軌道所在平面為零勢能參考平面,考慮小球是一個質(zhì)點,則此時小球的機械能為0,這個問題轉(zhuǎn)化為求解末狀態(tài)的機械能,即確定最高點的動能和重力勢能的問題.另一條路徑是根據(jù)功和能的關(guān)系,機械能的增量等于除重力外其他力所做的功,而全過程中除重力外只有恒定外力F做功,轉(zhuǎn)化為求解恒力功的問題,進(jìn)一步需要求小球從a點開始運動到其軌跡最高點在水平方向發(fā)生的位移．顯然,這兩條求解路徑都需要把小球的運動過程分析透徹,尤其是軌跡最高點的分析極為關(guān)鍵,也是此題的難點所在．這道題看似考查機械能和機械能增量的物理觀念,實際上還考查到受力分析、運動分析、牛頓第二定律、運動的合成與分解、功、功能關(guān)系等知識,深刻考查學(xué)生的物理理論探究能力,是一道綜合考查考生核心素養(yǎng)的題目,具有一定的迷惑性．考生需要能夠分析整個物理過程,判斷出小球離開軌道以后的拋體運動,找到軌跡最高點的位置．這道題彰顯了在常規(guī)力學(xué)問題中注重過程分析,綜合考查考生的核心素養(yǎng)的命題立意,具有較高的區(qū)分度,難度很大．

2 注重電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的過程分析,考查核心素養(yǎng)

圖5

解析: 金屬桿OM與導(dǎo)體軌道OPQM組成一個閉合回路,取此閉合回路為研究對象．

過程Ⅰ:OM從OQ位置以恒定的角速度逆時針轉(zhuǎn)到OS位置,閉合回路磁通量的變化量

(1)

過程Ⅱ:OM在OS位置并固定,使磁感應(yīng)強度的大小以一定的變化率從B增加到B′閉合回路磁通量的變化量

電磁感應(yīng)現(xiàn)象中通過導(dǎo)體橫截面的電荷量

根據(jù)閉合電路歐姆定律可得

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可得

聯(lián)立(3)-(5)式可得

由此可知，q與 ΔΦ成正比.

又根據(jù)題意可知,在過程Ⅰ、Ⅱ中,流過OM的電荷量相等,則兩個過程中的磁通量的變化量相同,即

ΔΦ=ΔΦ′.

(7)

聯(lián)立(1)、(2)、(7)式可得

正確選項為(B).

剖析:電磁感應(yīng)現(xiàn)象涉及到感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件、感應(yīng)電流的方向、法拉第電磁感應(yīng)定律、畫等效電路圖、閉合電路歐姆定律、非靜電力、安培力、力和運動、動量和能量等知識.這類題目具有一定的綜合性,可以深層次考查學(xué)生的核心素養(yǎng)．第18題要求考生認(rèn)真審題,能準(zhǔn)確理解電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生和動生兩種物理情境,并對應(yīng)兩個物理過程,針對每個過程,考查考生的磁通量、磁通量的變化量、通過導(dǎo)體橫截面的電荷量等物理觀念,借助題目給定信息“過程Ⅰ、Ⅱ中,流過OM的電荷量相等”,建立等式求解．第18題突出了電磁感應(yīng)現(xiàn)象中注重過程分析,綜合考查考生的核心素養(yǎng)的命題立意,具有一定的區(qū)分度,難度適中．

3 注重帶電粒子在電場、磁場情境中的過程分析,考查核心素養(yǎng)

圖6

(2) 磁場的磁感應(yīng)強度大小；

圖7

s1=v1t1.

(1)

a1t1=v1′tanθ1.

(3)

聯(lián)立以上各式得

qE=ma1.

(5)

由幾何關(guān)系得

s1=2R1sinθ1.

(8)

聯(lián)立以上各式得

由牛頓第二定律有

qE=2ma2.

(11)

s2=v2t2.

(12)

聯(lián)立以上各式得

s2′=2R2sinθ2.

(18)

4 教學(xué)建議

本文通過對《2018年普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試(新課標(biāo)Ⅰ)》物理試題中幾個典型問題的分析發(fā)現(xiàn)試題具有“彰顯過程分析,考查核心素養(yǎng)”的命題立意.這對于一線物理教學(xué)無疑具有重要的指導(dǎo)意義．在概念和規(guī)律的教學(xué)中,教師不僅要引導(dǎo)學(xué)生深入理解物理概念和物理規(guī)律建立的必要性,還要注重概念和規(guī)律建立的過程,更要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)運動的現(xiàn)象和本質(zhì)的不同特點(特別是速度的方向和加速度的方向之間的夾角)來準(zhǔn)確判定物體到底是在做哪種具體的運動形式,培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng).在習(xí)題課的教學(xué)過程中,教師要善于設(shè)計并創(chuàng)設(shè)有利于過程分析的物理情境,培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識精細(xì)分析具體物理過程的能力,例如在包括電場力和磁場力的力學(xué)問題中要“分點分段分叉分情境”來精細(xì)區(qū)分物理過程,并且還要對物理過程進(jìn)行無限延續(xù)性分析和定量探究等深層次理論探究．教師還可以借助真實實驗給學(xué)生展示物體運動過程,應(yīng)用信息技術(shù)再現(xiàn)物體運動過程,借助畫過程圖明晰物體運動過程,培養(yǎng)學(xué)生的關(guān)鍵能力,提升物理核心素養(yǎng)．