考查科學(xué)思維 落實(shí)核心素養(yǎng)——2021年新高考適應(yīng)性考試江蘇物理試卷壓軸題賞析

孫鐵斌

（無(wú)錫市輔仁高級(jí)中學(xué)，江蘇 無(wú)錫 214123）

為適應(yīng)新一輪高考制度改革，2021年1月江蘇等8省高三學(xué)生進(jìn)行了高考適應(yīng)性考試.江蘇物理試卷在命題中，遵循新的課程標(biāo)準(zhǔn)，注重以實(shí)際問(wèn)題為命題的載體，精心設(shè)計(jì)試題，通過(guò)情境的創(chuàng)設(shè)，在分析和解決真實(shí)情境問(wèn)題的過(guò)程中考查科學(xué)思維，落實(shí)核心素養(yǎng)，體現(xiàn)了試題的育人功能和導(dǎo)向作用.為了更好地讓大家了解新課改下的命題，現(xiàn)對(duì)新高考適應(yīng)性考試江蘇物理卷壓軸題進(jìn)行深入分析，以管窺當(dāng)前高考物理命題變化動(dòng)向，同時(shí)也對(duì)我們今后的物理教學(xué)提供有益的參考.

1 分析與解答

1.1 試題

例題.（2021年高考適應(yīng)性考試江蘇物理試卷第16題）跑道式回旋加速器的工作原理如圖1所示.兩個(gè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域Ⅰ、Ⅱ的邊界平行，相距為L(zhǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等、方向垂直紙面向里.P、Q之間存在勻強(qiáng)加速電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度為E，方向與磁場(chǎng)邊界垂直.質(zhì)量為m、電荷量為+q的粒子從P飄入電場(chǎng)，多次經(jīng)過(guò)電場(chǎng)加速和磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后，從位于邊界上的出射口K引出，引出時(shí)的動(dòng)能為Ek.已知K、Q的距離為d.

圖1 跑道式回旋加速

（1）求粒子出射前經(jīng)過(guò)加速電場(chǎng)的次數(shù)N；

（2）求磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B；

（3）如果在Δt時(shí)間內(nèi)有一束該種粒子從P點(diǎn)連續(xù)飄入電場(chǎng)，粒子在射出K之前都未相互碰撞，求Δt的范圍.

1.2 分析

本題通過(guò)創(chuàng)設(shè)實(shí)際情境——跑道式回旋加速器，通過(guò)3個(gè)不同層次的問(wèn)題，考查學(xué)生科學(xué)思維.

1.2.1 模型建構(gòu)

通常解題前需要建構(gòu)兩個(gè)理想模型：關(guān)于研究對(duì)象、裝置或條件的理想模型和關(guān)于運(yùn)動(dòng)過(guò)程的理想模型.首先，質(zhì)量為m、電荷量為+q的粒子從P飄入電場(chǎng)，關(guān)于研究對(duì)象的理想模型是將粒子視為質(zhì)點(diǎn)；次之，經(jīng)過(guò)一次電場(chǎng)加速和磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，其運(yùn)動(dòng)模型是怎樣的呢？在審題后要能清晰地建構(gòu)粒子初步的運(yùn)動(dòng)模型：四階段三模型（運(yùn)動(dòng)過(guò)程的理想模型：勻加速直線運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)、勻速直線運(yùn)動(dòng)），如圖2所示.

圖2 粒子一次循環(huán)

（1）從P到Q粒子做初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)距離為L(zhǎng)；

（2）出Q后在磁場(chǎng)Ⅱ區(qū)域做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡為半圓；

（3）從磁場(chǎng)Ⅱ左側(cè)到磁場(chǎng)Ⅰ右側(cè)的勻速直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)距離為L(zhǎng)；

（4）在磁場(chǎng)Ⅰ區(qū)域做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡為半圓；回到P點(diǎn).

質(zhì)量為m、電荷量為+q的粒子從P飄入電場(chǎng)，多次經(jīng)過(guò)電場(chǎng)加速和磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，其運(yùn)動(dòng)模型又是怎樣的呢？在經(jīng)過(guò)一次循環(huán)分析后要能清晰地建構(gòu)粒子多次循環(huán)的運(yùn)動(dòng)模型：重復(fù)四階段三模型，因多次加速，粒子速度越來(lái)越大，圓周運(yùn)動(dòng)的半徑也越大，最后粒子到達(dá)出射口K處，如圖3所示.

圖3 粒子多次循環(huán)

1.2.2 科學(xué)推理

推理是由一個(gè)或幾個(gè)已知的判斷，推導(dǎo)出未知結(jié)論的思維過(guò)程.在模型建構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)題中的3個(gè)問(wèn)題分別推理如下.

（1）依據(jù)題中條件得知粒子在電場(chǎng)中每加速一次動(dòng)能增加qEL，并已知粒子初動(dòng)能為0，粒子從出射口K引出時(shí)的末動(dòng)能為Ek，根據(jù)動(dòng)能定理，便可求出粒子從出射口K出射前經(jīng)過(guò)加速電場(chǎng)的次數(shù)N；第1問(wèn)3分，難度較小，大多數(shù)考生可以做出正確的解答.

（2）因?yàn)榱Ｗ釉趧驈?qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，由洛倫茲力作為向心力，并已知最后半圈的直徑為d，由出射口K引出時(shí)的動(dòng)能為Ek可求粒子的勻速圓周運(yùn)動(dòng)速度大小，根據(jù)牛頓第二定律可求出磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B；第2問(wèn)5分，難度中等，較多的考生可做出正確的解答.

（3）在Δt時(shí)間內(nèi)有一束該種粒子從P點(diǎn)連續(xù)飄入電場(chǎng)，第1個(gè)從P位置出發(fā)的粒子運(yùn)動(dòng)情況和Δt時(shí)間內(nèi)發(fā)出的所有粒子運(yùn)動(dòng)軌跡都是一樣的.第1個(gè)粒子和最后1個(gè)粒子只是存在一個(gè)時(shí)間差Δt，如果兩者運(yùn)動(dòng)時(shí)在同一個(gè)軌道上（不含加速電場(chǎng)區(qū)），因兩者速度大小相等，故不會(huì)相碰；如果兩者運(yùn)動(dòng)時(shí)不在同一軌道上（不含加速電場(chǎng)區(qū)），也不會(huì)相碰，兩者相碰只能在加速電場(chǎng)區(qū)PQ間，因?yàn)樵赑Q加速區(qū)間最后一個(gè)粒子速度總小于第1個(gè)粒子的速度，所以兩者在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能不能相碰的臨界條件是：第1個(gè)粒子在最后一次加速即第N次加速到達(dá)Q點(diǎn)時(shí)和最后1個(gè)粒子加速第N-1次加速到Q點(diǎn)能不能相碰.第1個(gè)粒子在第N次加速到達(dá)Q點(diǎn)不可能是和最后1個(gè)粒子加速第N-2次或N-3次到Q點(diǎn)相碰，因?yàn)橐ＷC粒子在射出K之前都未能相互碰撞.如果是最后1個(gè)粒子加速第N-2次達(dá)Q點(diǎn)與第一個(gè)粒子第N次加速到達(dá)Q點(diǎn)相碰，即意味著第1個(gè)粒子在PQ間早就碰到其他粒子了，如圖4所示（為看清粒子在PQ間的分布情況，作圖時(shí)有意將加速電場(chǎng)中粒子運(yùn)動(dòng)軌跡錯(cuò)開(kāi)）.

圖4 多個(gè)粒子分布情況

現(xiàn)設(shè)第1個(gè)粒子第N次加速到達(dá)Q點(diǎn)與最后1個(gè)粒子加速第N-1次達(dá)Q點(diǎn)相碰，求出臨界條件下的兩者的時(shí)間差值為Δt0，則當(dāng)Δt小于Δt0時(shí)，從P點(diǎn)連續(xù)飄入電場(chǎng)的一束粒子在射出K之前都不會(huì)相互碰撞.

怎樣求出臨界條件下的兩者的時(shí)間差值Δt0呢？因?yàn)榈?個(gè)粒子在最后一次加速完后和最后1個(gè)粒子在Q點(diǎn)相碰時(shí)，比最后1個(gè)粒子只是多跑了最后一圈，也就是兩者間的時(shí)間差為第1個(gè)粒子在最后1次循環(huán)中所用的時(shí)間，所以從時(shí)間關(guān)系上入手就可以求出Δt0了.第3問(wèn)，難度較大，絕大多數(shù)考生根本找不到臨界位置，少數(shù)找到臨界位置也難推導(dǎo)出正確的結(jié)果.

1.2.3 科學(xué)論證

論證的論點(diǎn)在論證前已形成，論證過(guò)程即是一個(gè)或多個(gè)推理的過(guò)程.對(duì)于本題的論證體現(xiàn)在試題的第3問(wèn).一束該種粒子從P點(diǎn)連續(xù)飄入電場(chǎng)中，考生從這一束中的第一個(gè)粒子和最后一個(gè)粒子時(shí)間關(guān)系上入手求出Δt0之后，能否在思維上的轉(zhuǎn)換思路，采用不同的思維方式分析解決所遇問(wèn)題，進(jìn)而檢驗(yàn)前面所求出的結(jié)論.對(duì)于這道開(kāi)放性的壓軸題，還可以從v-t圖像中求出Δt0，從路程關(guān)系上入手求出Δt0等.

1.2.4 質(zhì)疑創(chuàng)新

發(fā)現(xiàn)已有認(rèn)知之間不能自洽，從而對(duì)現(xiàn)有認(rèn)知的科學(xué)性和合理性提出懷疑，甚至萌發(fā)出新的猜想，并能想出具有創(chuàng)造性的解決問(wèn)題的方法.質(zhì)疑創(chuàng)新是科學(xué)思維中最難用試題考查的評(píng)價(jià)部分.對(duì)于本題在第3問(wèn)中，考生能否在思維遇到障礙時(shí)靈活變通找到新的突破口是關(guān)鍵；解題中，不少考生是按照通常的順向思維進(jìn)行分析的，但在處理這一問(wèn)題中發(fā)現(xiàn)很難走出困境，面對(duì)這一跑道式回旋加速器束手無(wú)策，找不出臨界位置.只有極少數(shù)靈活變通的考生轉(zhuǎn)向逆向思維，并善于數(shù)形結(jié)合，幾經(jīng)曲折走出困境，找到了通往成功的道路.真是不成功的道路有無(wú)數(shù)條，成功的道路往往只有一條.

1.3 解答

解法1.

（1）在磁場(chǎng)中動(dòng)能不會(huì)增加，末動(dòng)能全來(lái)自電場(chǎng)力所做的功，由動(dòng)能定理可得

（3）粒子運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，因?yàn)榈?個(gè)粒子在最后1次加速完后和最后1個(gè)粒子在Q點(diǎn)相碰時(shí)，比最后一個(gè)粒子只是多跑了最后一圈，而第1個(gè)粒子在最后1圈所用的時(shí)間就是所求的臨界時(shí)間Δt0，所以從時(shí)間關(guān)系上入手就可以求出Δt0了.

第1個(gè)粒子在最后1圈4個(gè)階段用時(shí)分別如下.

解法2.

對(duì)于這道開(kāi)放性的壓軸題，第3問(wèn)還可以用圖像法求解；也可以從第1個(gè)粒子與最后1個(gè)粒子的路程關(guān)系上入手求解.現(xiàn)將解法簡(jiǎn)明介紹如下.圖像法求解：作v-t圖，實(shí)線代表第1個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)，虛線代表最后一個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng).從圖5可以了解粒子整體運(yùn)動(dòng)的情況，從圖6可以直觀的看出時(shí)間關(guān)系并求解，解答過(guò)程略.

圖5 第1個(gè)粒子和最后1個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)情況

圖6 第1個(gè)粒子N次加速后和最后1個(gè)粒子N-1次加速后在Q處相碰

解法3.

2 評(píng)價(jià)與啟示

2.1 評(píng)價(jià)

2021年高考適應(yīng)性考試江蘇物理試卷第16題旨在考查學(xué)生對(duì)動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、功能關(guān)系、電場(chǎng)、磁場(chǎng)的基礎(chǔ)知識(shí)及空間幾何關(guān)系的掌握和運(yùn)用能力，試題通過(guò)考查帶電粒子在電場(chǎng)中的不斷加速、磁場(chǎng)中不同圓軌道中的偏轉(zhuǎn)及先后出發(fā)的粒子間追擊相遇的臨界問(wèn)題來(lái)達(dá)到對(duì)學(xué)生選拔的目的.

這道壓軸題與平時(shí)的習(xí)題不同，在命制的形式上更為突出了創(chuàng)新性、綜合性和開(kāi)放性.創(chuàng)新性是指命題創(chuàng)設(shè)了來(lái)源于現(xiàn)代科技的“跑道式回旋加速器”為這一道壓軸題的情境，具有新穎性和實(shí)際應(yīng)用性，提出的問(wèn)題具體、真實(shí)，通過(guò)問(wèn)題設(shè)置細(xì)化場(chǎng)景，構(gòu)建測(cè)評(píng)考生核心素養(yǎng)的工具；綜合性是指命題在同一場(chǎng)景中設(shè)置多個(gè)研究對(duì)象的存在、多階段物理過(guò)程的融合，注重考查高中物理的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、功能關(guān)系等核心知識(shí)；開(kāi)放性是指命題體現(xiàn)具有獨(dú)立特點(diǎn)的物理過(guò)程，注重檢驗(yàn)考生根據(jù)研究對(duì)象所涉及的可能狀態(tài)，確定相應(yīng)的臨界位置和靈活選擇物理過(guò)程的能力，以及對(duì)所要解決的同一物理問(wèn)題，從不同的角度、思路，運(yùn)用不同的思維方法分析解決所遇問(wèn)題.為了實(shí)現(xiàn)對(duì)考生核心素養(yǎng)的考查，2021年高考適應(yīng)性考試江蘇物理試卷第16試題有效的考查了學(xué)生的科學(xué)思維發(fā)展水平.如：能否將實(shí)際問(wèn)題中的粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程清晰的轉(zhuǎn)化成物理運(yùn)動(dòng)模型；能否對(duì)這一綜合性問(wèn)題進(jìn)行獨(dú)立分析和推理，獲得結(jié)論；能否在思維遇到障礙時(shí)靈活變通的轉(zhuǎn)換思路，采用不同的思維方式分析解決所遇問(wèn)題；能否運(yùn)用數(shù)形結(jié)合的方法處理物理問(wèn)題等等，這些需要學(xué)生具備創(chuàng)造性見(jiàn)解的能力和品質(zhì)，集中體現(xiàn)了學(xué)生對(duì)綜合性物理問(wèn)題進(jìn)行分析推理和科學(xué)論證能力.

2.2 啟示

從這道壓軸題的分析中看出，通過(guò)實(shí)際問(wèn)題的處理，考查科學(xué)思維，落實(shí)核心素養(yǎng).在今后的高中物理教學(xué)中，教師應(yīng)鼓勵(lì)并引導(dǎo)學(xué)生解決生產(chǎn)生活、科學(xué)技術(shù)中的問(wèn)題，積極創(chuàng)設(shè)新的物理情境，讓學(xué)生學(xué)會(huì)建構(gòu)物理模型，找出物理模型特征，研究物理模型遵守的規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)思維的方法進(jìn)行科學(xué)推理和論證的能力.學(xué)生只有在解決實(shí)際問(wèn)題中，才能有效提高科學(xué)思維能力、探究能力、增強(qiáng)實(shí)踐意識(shí)、養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度，促進(jìn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的形成.物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的物理教學(xué)不在于對(duì)知識(shí)的記憶與再現(xiàn)，而在于對(duì)知識(shí)和方法的理解與應(yīng)用，重要的不是獲得知識(shí)，而是發(fā)展思維能力，本次考試評(píng)價(jià)體系與核心素養(yǎng)的導(dǎo)向是一致的.

物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要由物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任4個(gè)方面構(gòu)成.在物理學(xué)習(xí)和實(shí)踐活動(dòng)中所形成的物理觀念、所進(jìn)行的科學(xué)探究以及所形成的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任都包含科學(xué)思維的成分，也都離不開(kāi)科學(xué)思維方法的參與和指導(dǎo).因此，“科學(xué)思維”是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重中之重，是物理觀念、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的基礎(chǔ)與內(nèi)核.我們?cè)谖锢斫虒W(xué)實(shí)施中應(yīng)該以提升和發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維為核心，只有立足于學(xué)生科學(xué)思維能力的發(fā)展與提升，才能有效促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的形成與提高.