2020年高考物理圖像類試題分析與教學(xué)啟示

廣東 賴世鏘

2020年高考物理較注重利用圖像呈現(xiàn)豐富的信息，增加了試題信息的廣度，要求學(xué)生能夠從圖像中獲取信息，建立文字、圖像等不同信息呈現(xiàn)方式之間的聯(lián)系，通過圖像語言構(gòu)建正確的物理情景，考查學(xué)生信息加工、邏輯推理、科學(xué)思維等能力，突顯物理學(xué)科核心素養(yǎng)的考查。

今年是新舊高考并存的一年，無論是新高考還是舊高考，試題都體現(xiàn)了學(xué)科核心素養(yǎng)的考查，凸顯考查學(xué)生從真實(shí)情境獲取信息并分析信息的能力。為此，筆者歸納并分析了2020年高考物理圖像，希望對物理學(xué)科高考備考有所幫助。

1.動力學(xué)圖像

動力學(xué)圖像主要包括運(yùn)動圖像、力的圖像與動量能量圖像等，其中運(yùn)動圖像常見的有v-t圖像、x-t圖像、a-t圖像等，力的圖像常見的有F-t圖像、F-x圖像、F-a圖像等，動量、能量圖像常見的有p-t圖像、W-x圖像、E-x圖像、Ek-t圖像等。

高考對動力學(xué)圖像的考查，主要從具體的物理情境中通過圖像來考查，需要學(xué)生從圖像中獲取必要的信息，運(yùn)用動力學(xué)、動量、能量等知識分析，通過歸納推理，建立各物理量之間的關(guān)系，應(yīng)用有效信息處理問題和數(shù)學(xué)方法處理物理問題。2020年高考對動力學(xué)圖像的考查見表1。

表1 2020年高考動力學(xué)圖像(部分)

【例1】(2020年全國卷Ⅰ第20題)一物塊在高3.0 m、長5.0 m的斜面頂端從靜止開始沿斜面下滑，其重力勢能和動能隨下滑距離s的變化如圖1中直線Ⅰ、Ⅱ所示，重力加速度取10 m/s2。則

圖1

( )

A.物塊下滑過程中機(jī)械能不守恒

B.物塊與斜面間的動摩擦因數(shù)為0.5

C.物塊下滑時加速度的大小為6.0 m/s2

D.當(dāng)物塊下滑2.0 m時機(jī)械能損失了12 J

【解析】由題意可知，圖線Ⅰ、Ⅱ分別為重力勢能、動能隨下滑距離s的變化關(guān)系圖像，斜面傾角為37°，下滑過程中，機(jī)械能E=Ep+Ek不是定值，故機(jī)械能不守恒，A選項(xiàng)錯誤；設(shè)斜面長為L，由圖線Ⅰ可得Ep=mg(l-s)sin37°，斜率大小k1=mgsin37°=6，于是m=1 kg。由圖線Ⅱ可得Ek=(mgsin37°-μmgcos37°)s，斜率k2=mgsin37°-μmgcos37°=ma=2，于是μ=0.5，a=2 m/s2，B選項(xiàng)正確，C選項(xiàng)錯誤；由圖像可知，物塊下滑2.0 m時機(jī)械能損失ΔE=30 J-(18+4) J=8 J，D選項(xiàng)錯誤。

【點(diǎn)評】本題與2019年全國卷Ⅱ第18題、卷Ⅲ第17題相似，綜合考查機(jī)械能守恒、動能定理、摩擦力做功、牛頓第二定律等知識，要求考生能夠從圖像中提取解題信息，分析物塊下滑過程中能量的變化，對學(xué)生信息獲取的能力要求較高。根據(jù)圖像分析重力勢能和動能的變化規(guī)律，得到機(jī)械能損失量，這是解題的關(guān)鍵點(diǎn)。突破本題，應(yīng)該從題目的情境入手，根據(jù)給出圖像的信息，由重力勢能公式結(jié)合斜率即可求出物體的質(zhì)量；由動能定理，結(jié)合機(jī)械能隨下滑距離s變化的特點(diǎn)，即可求出μ和a；由功能關(guān)系，可以求出損失的機(jī)械能。

新一輪教學(xué)改革，試題往往創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，根據(jù)學(xué)業(yè)質(zhì)量水平標(biāo)準(zhǔn)命制，考查學(xué)生必備知識與關(guān)鍵能力，所以在復(fù)習(xí)備考中要多加關(guān)注。在處理此類真實(shí)情境化試題時，要認(rèn)真審題，分析物理情境，從物體受力和運(yùn)動情況分析入手，運(yùn)用牛頓運(yùn)動定律、動能定理、機(jī)械能守恒定律、能量守恒定律、動量定理、動量守恒定律等規(guī)律分析圖像中的情境，同時挖掘斜率、截距等信息輔助高效解題。

2.電磁學(xué)圖像

對電磁學(xué)圖像的考查，主要在選擇題與電學(xué)實(shí)驗(yàn)題中考查，計(jì)算題也偶爾出現(xiàn)，今年高考題電路圖像與電磁感應(yīng)圖像屬于高頻考點(diǎn)。通過分析圖像，要求學(xué)生能從中獲取信息，加工信息以及利用信息進(jìn)行推理判斷。2020年高考對電磁學(xué)圖像的考查見表2。

表2 2020年高考電磁學(xué)圖像(部分)

續(xù)表

【例2】(2020年全國卷Ⅰ第22題)某同學(xué)用伏安法測量一阻值為幾十歐姆的電阻Rx，所用電壓表的內(nèi)阻為1 kΩ，電流表內(nèi)阻為0.5 Ω。該同學(xué)采用兩種測量方案，一種是將電壓表跨接在圖2所示電路的O、P兩點(diǎn)之間，另一種是跨接在O、Q兩點(diǎn)之間。測量得到如圖3所示的兩條U-I圖線，其中U與I分別為電壓表和電流表的示數(shù)?；卮鹣铝袉栴}：

圖2

圖3

(1)圖2中標(biāo)記為Ⅱ的圖線是采用電壓表跨接在________(填“O、P”或“O、Q”)兩點(diǎn)的方案測量得到的。

(2)根據(jù)所用實(shí)驗(yàn)器材和圖2可判斷，由圖線________(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)得到的結(jié)果更接近待測電阻的真實(shí)值，結(jié)果為________Ω(保留1位小數(shù))。

(3)考慮到實(shí)驗(yàn)中電表內(nèi)阻的影響，需對(2)中得到的結(jié)果進(jìn)行修正，修正后待測電阻的阻值為________Ω(保留1位小數(shù))。

【點(diǎn)評】本題考查伏安法測電阻，考查學(xué)生模型建構(gòu)與科學(xué)推理的科學(xué)思維。通過挖掘圖像含義，并理解斜率所代表的物理意義，找到哪一條圖線為外接法，哪一條圖線為內(nèi)接法，根據(jù)內(nèi)、外接法的原理，判斷電壓表接在哪兩點(diǎn)之間，并通過圖像獲取數(shù)據(jù)，求出待測電阻阻值，并進(jìn)行誤差分析。2020年高考6份關(guān)于物理學(xué)科的試卷都考查了U-I圖線，包括伏安法測電阻、測量電源電動勢與內(nèi)阻等考點(diǎn)。本題總體來說，難度不大，電流表的內(nèi)外接法是電學(xué)的基本內(nèi)容，為學(xué)生應(yīng)具備的必備知識，若采用電流表內(nèi)接法，由于電流表分壓引起測量誤差，測量值偏大；若采用電流表外接法，由于電壓表分流引起測量誤差，測量值偏小。根據(jù)圖像的斜率，可得到待測電阻值，結(jié)合內(nèi)接法特點(diǎn)，求出修正后較準(zhǔn)確的電阻值。

在電學(xué)實(shí)驗(yàn)備考中，應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)知識的復(fù)習(xí)，側(cè)重實(shí)驗(yàn)基本原理的教學(xué)。實(shí)驗(yàn)原理是實(shí)驗(yàn)的核心，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析是靈魂，要適當(dāng)開展專題復(fù)習(xí)，進(jìn)行變式訓(xùn)練研究，掌握必備知識和關(guān)鍵能力，提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

3.熱學(xué)圖像

熱學(xué)圖像主要包括分子間作用力與分子間距離關(guān)系的F-r圖像、分子勢能與分子間距離關(guān)系的Ep-r圖像、氣體分子速率分布圖像與理想氣體狀態(tài)變化的圖像等，其中理想氣體狀態(tài)變化的圖像是歷年地方卷高考的熱點(diǎn)。理想氣體狀態(tài)變化的圖像主要包括p-V圖像、p-T圖像、V-T圖像等。2020年高考對熱學(xué)圖像的考查見表3。

表3 2020年高考熱學(xué)圖像

【例3】(山東省2020年普通高中學(xué)業(yè)水平等級考試第6題)一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a開始，經(jīng)a→b、b→c、c→a三個過程后回到初始狀態(tài)a，其p-V圖像如圖4所示。已知三個狀態(tài)的坐標(biāo)分別為a(V0，2p0)、b(2V0，p0)、c(3V0，2p0)以下判斷正確的是

圖4

( )

A.氣體在a→b過程中對外界做的功小于在b→c過程中對外界做的功

B.氣體在a→b過程中從外界吸收的熱量大于在b→c過程中從外界吸收的熱量

C.在c→a過程中，外界對氣體做的功小于氣體向外界放出的熱量

D.氣體在c→a過程中內(nèi)能的減少量大于b→c過程中內(nèi)能的增加量

【解析】由于p-V圖線和橫坐標(biāo)軸圍成的面積即為做功大小，在a→b和b→c過程中，氣體體積均增大，氣體對外界做功，由圖4可知，兩過程面積相等，故做功相等，A選項(xiàng)錯誤。氣體從a→b過程，a、b兩狀態(tài)pV=C，即滿足玻意耳定律，說明Ta=Tb，所以ΔUab=0，再由熱力學(xué)第一定律ΔU=Q+W可知，Qab=|Wab|；同理，b→c過程中，溫度升高，ΔUbc>0，由ΔU=Q+W可知，Qbc>|Wbc|，所以氣體在a→b過程中從外界吸收的熱量小于在b→c過程中從外界吸收的熱量，B選項(xiàng)錯誤。c→a過程中，溫度降低，故ΔUca<0，氣體體積減小，外界對氣體做功，故Wca>0，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知Qca<0，放出熱量，故外界對氣體做的功小于氣體向外界放出的熱量，C選項(xiàng)正確。由于a、b兩狀態(tài)溫度相等，理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，于是c→a、b→c兩過程溫度的變化量大小相同，由于溫度決定內(nèi)能，所以,氣體在c→a過程中內(nèi)能的減少量等于b→c過程中內(nèi)能的增加量,D選項(xiàng)錯誤。

在熱學(xué)圖像備考中，分子間作用力、分子勢能隨分子間距離變化關(guān)系圖像和理想氣體三個狀態(tài)參量的關(guān)系圖像是重點(diǎn)備考內(nèi)容。理想氣體三大定律、熱力學(xué)第一定律是氣體的重要知識點(diǎn)，尤其是氣體的計(jì)算。氣體實(shí)驗(yàn)定律以圖像形式考查時，要求學(xué)生對于熱學(xué)知識和圖像能融會貫通。

4.機(jī)械振動與機(jī)械波圖像

機(jī)械振動與機(jī)械波圖像主要包括機(jī)械振動圖像與機(jī)械波圖像。機(jī)械振動圖像主要有x-t圖像、y-t圖像、T2-t圖像等，機(jī)械波圖像主要有y-x圖像等。

2020年高考多份考卷涉及振動與波動圖像的考查?？疾闄C(jī)械波的形式和傳播時，往往以考查振動圖像和波動圖像為主，主要涉及波速、波長和周期的關(guān)系等知識。通過圖像考查學(xué)生信息獲取能力和分析歸納能力。2020年高考機(jī)械振動與機(jī)械波圖像的考查見表4。

表4 2020年高考機(jī)械振動與機(jī)械波圖像

【例4】(2020年全國卷Ⅲ第34題)如圖5所示，一列簡諧橫波平行于x軸傳播，圖中的實(shí)線和虛線分別為t=0和t=0.1 s時的波形圖。已知平衡位置在x=6 m處的質(zhì)點(diǎn)，在0到0.1 s時間內(nèi)運(yùn)動方向不變。這列簡諧波的周期為________s，波速為________m/s，傳播方向沿x軸________(填“正方向”或“負(fù)方向”)。

圖5

在復(fù)習(xí)備考中，要加強(qiáng)對基本概念的記憶和理解，質(zhì)點(diǎn)振動過程中位移、速度、加速度等各物理量的變化規(guī)律，理解圖像的物理意義，提升物理觀念。同時，結(jié)合振動圖像與機(jī)械波圖像來分析振動與波的特點(diǎn)和規(guī)律，切實(shí)掌握兩種圖像的區(qū)別和聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

5.小結(jié)