基于科學思維中的“質(zhì)疑與推理”素養(yǎng)的提升
——2022年1月浙江省選考物理壓軸題賞析

王建峰

（杭州市余杭高級中學，浙江 杭州 311100）

2022年1月浙江省選考物理卷中物理壓軸題（22題）是一道以“光電效應來分析光子信息”為背景的帶電粒子在復合場中運動的綜合試題.試題通過電場、磁場來控制光電子的運動軌跡，從而推斷光子信息，試題情景雖超出學生的生活經(jīng)歷，但讓學生感受試題所帶來了新、奇、趣.試題的檢測、選拔功能體現(xiàn)得淋漓盡致，實現(xiàn)了物理試題與物理素養(yǎng)培養(yǎng)的融合，對深化課程改革具有很好的導向性.

1 試題賞析

1.1 試題再現(xiàn)

如圖1為研究光電效應的裝置示意圖，該裝置可用于分析光子的信息.在xOy平面（紙面）內(nèi)，垂直紙面的金屬薄板M、N與y軸平行放置，板N中間有一小孔O.有一由x軸、y軸正方向和以O為圓心、圓心角為90°的半徑不同的兩條圓弧所圍的區(qū)域Ⅰ，整個區(qū)域Ⅰ內(nèi)存在大小可調(diào)、方向垂直紙面向里的勻強電場和磁感應強度大小恒為B1、磁感線與圓弧平行且逆時針方向的磁場.區(qū)域Ⅰ右側(cè)還有一左邊界與y軸平行且相距為l、下邊界與x軸重合的勻強磁場區(qū)域Ⅱ，其寬度為a，長度足夠長，其中的磁場方向垂直紙面向里，磁感應強度大小可調(diào).光電子從板M逸出后經(jīng)極板間電壓U加速（板間電場視為勻強電場），調(diào)節(jié)區(qū)域Ⅰ的電場強度和區(qū)域Ⅱ的磁感應強度，使電子恰好打在坐標為（a+2l，0）的點上，被置于該處的探測器接收.已知電子質(zhì)量為m、電荷量為e，板M的逸出功為W0，普朗克常量為h.忽略電子的重力及電子間的作用力.當頻率為ν的光照射板M時有光電子逸出.

圖1

（1）求逸出光電子的最大初動能Ekm，并求光電子從O點射入?yún)^(qū)域Ⅰ時的速度v0的大小范圍；

（3）為了使從O點以各種大小和方向的速度射向區(qū)域Ⅰ的電子都能被探測到，需要調(diào)節(jié)區(qū)域Ⅰ的電場強度E和區(qū)域Ⅱ的磁感應強度B2，求E的最大值和B2的最大值.

1.2 試題解析

學生解答主要存在的問題：①讀不懂題意.試題描述的情景與工作原理示意圖沒有很好地解讀，不能有效地構(gòu)建物理模型，特別是無法推斷出光電子在區(qū)域Ⅰ中做勻速直線運動（區(qū)域Ⅰ是速度選擇器）.②基本模塊組件的原理不清.試題由“光電效應系統(tǒng)構(gòu)成離子源、速度選擇器、磁場偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)”組合成光電子的運動場景，這些模塊組件的原理不清楚將直接影響解答.③應用數(shù)學知識處理物理問題的能力偏弱.針對本題中光電子在磁場偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)中對稱性運動與運動規(guī)律不能有效聯(lián)接求解.④質(zhì)疑與推理能力弱.光電子進入?yún)^(qū)域Ⅰ將如何運動及如何推斷其運動特點是解答本題的關(guān)鍵.

針對第（1）問，學生通過攝取題目信息并結(jié)合圖1所示的示意圖，能將新情景轉(zhuǎn)化為常規(guī)的物理模型.即逸出的光電子在加速電場中做勻加速運動（直線或曲線）并從O點射出，出射的速度大小、方向均不能確定，易得到光電子射出O點的速度大小v的范圍.

第（2）問是本題的難點，難點之一：從O點射出的光電子在區(qū)域Ⅰ中如何運動、具有怎樣的空間運動圖景？ 需經(jīng)過“假設—推理—證據(jù)—結(jié)論”的科學思維過程，分析光電子的整體運動過程得出光電子在區(qū)域Ⅰ中做勻速直線運動這一結(jié)論.難點之二：通過O點射出的光電子運動速度逆推電子從板M逸出時速度vM的大小及與x軸的夾角β.

解答過程如下：在區(qū)域Ⅰ中光電子做勻速直線運動得evOB1=eE，

圖2

光電子從M→O過程中y方向的速度不變，即vMsinβ=v0sinα，可得β=30°.

1.3 試題評價

試題從“情景、問題、知識、方法”全面考查“電荷在復合場中的各種運動情景”所具備的基本知識和處理真實情景問題的科學思維方法，試題能有效檢測學生“將實際問題中的對象和過程轉(zhuǎn)換成所學的物理模型；對綜合性物理問題進行分析和推理；從多個視角獲取證據(jù)，提出有依據(jù)的質(zhì)疑并檢驗結(jié)論”的能力，促進學生物理學科核心素養(yǎng)的提升和相關(guān)水平的達成.［1］具有以下特點.

（1）題目信息量大，知識的綜合性強，研究對象的運動情況和狀態(tài)不易梳理，具有極好的選拔功能.本題中3個小題層層推進，相互間構(gòu)筑解題思維平臺，體現(xiàn)了命題者對人才素養(yǎng)的理解，能把具有良好物理素養(yǎng)的學生選拔出來，實現(xiàn)高考的重要目標與功能.

（2）試題滲透了運動分解的物理思想和幾何圖形的數(shù)學處理方法，強化了“應用數(shù)學處理物理問題的能力”.我們在平時的教學探究活動中把“能運用幾何圖形、函數(shù)圖像進行表達、分析”落實好，學生肯定能在考場上迸發(fā)出相當強的遷移變通能力.

（3）試題加強對科學思維中“質(zhì)疑與推理”素養(yǎng)考查.光電子在區(qū)域Ⅰ中做勻速直線運動這一結(jié)論的獲得需經(jīng)過“假設—推理—證據(jù)—結(jié)論”的科學思維過程，這一思維過程也就是物理學研究問題的科學方法.

2 提升“質(zhì)疑與推理”素養(yǎng)的策略

伽利略創(chuàng)造了“實驗和邏輯推理和諧結(jié)合”的科學思維方式和科學研究方法，是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學的真正開端.［2］面對實際情景類物理問題，如何按“提出假設、質(zhì)疑推理、獲取證據(jù)、檢驗結(jié)論”這一科學思維過程進行有效地解決問題.下面就這一問題展開探討.

2.1 拓展知識應用

掌握基本的物理知識、規(guī)律和模型是解決物理問題的第一步，也是處理綜合類試題的核心要素.解答上述試題的關(guān)鍵點之一：光電效應所逸出的光電子在電場中的運動模型.其實，對這一模型的認識我們是有基礎的，如教材《高中物理選修3 1》第1章“靜電場”第9節(jié)的“問題與練習”第2題和《高中物理選修3 5》第17章“波粒二象性”第2節(jié)的“光的粒子性”進行了闡述.

依據(jù)教材知識，把光電子在電場中的運動分為“帶電粒子在電場中的類平拋運動”和“帶電粒子在電場中的直線加速運動”兩種運動，就很自然地構(gòu)建出光電子源模型，從而順利求出其速度大小.

試想，如果在圖3的新課教學中，師生緊緊圍繞教材展開“討論”，并適當加以拓展或變式訓練，那么在求解上述試題時將是另一番情景.

圖3

教學實例.拓展訓練：如圖4所示，一對半徑均為R1的金屬板M、N圓心正對平行放置，兩板距離為d，N板中心鍍有一層半徑為R2的圓形鋅金屬薄膜，d?R2?R1，兩板之間電壓為UMN，兩板之間真空且可視為勻強電場.N板受到某種單色光照射后鋅金屬薄膜表面會發(fā)射出最大速率為v，方向各異的電子，已知電子的電荷量為e，質(zhì)量為m，每秒穩(wěn)定發(fā)射n個電子.電子在板間運動過程中無碰撞且不計電子的重力和電子相互之間的作用力，電子到達M板全部被吸收.M板右側(cè)串聯(lián)的電流表可以測量到通過M板的電流I.試求：

圖4

（1）當UMN取什么值時，I始終為0；

（2）當UMN取什么值時，I存在一個最大值，并求這個最大值；

（3）請利用（1）（2）的結(jié)論定性畫出I隨UMN變化的圖像.

2.2 變換模型組合

多種模型組合是命制物理綜合試題的有效形式，這類試題也最能有效檢測學生應用物理知識處理物理問題的素養(yǎng).求解這類問題的基本流程為：結(jié)合情景讀懂題意→聯(lián)系所學知識構(gòu)建（或識別）考查模型→運用物理規(guī)律求解.因此，在教學中需讓學生經(jīng)歷模型建構(gòu)的思維過程及在不同模型組合下的運動圖景.

教學實例：帶電粒子在復合場運動的復習課教學中，為解決電荷在復合場中運動情況，設置了如圖5所示的變式訓練以增強學生處理不同模型的能力.

圖5

（1）重力不計時，讓電荷以一定的速度進入圖5所示的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，討論電荷在xOy平面的落點坐標.

（2）要讓電荷不偏轉(zhuǎn)，應加怎樣的電場和磁場？ 進一步改變偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)中電場、磁場方向（或只加電場、磁場），求其在xOy平面的落點坐標.

（3）若考慮粒子的重力，討論粒子的運動與落點情況.

2.3 體驗科學思維

物理學科的核心素養(yǎng)是指學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，這些必備品格和關(guān)鍵能力的發(fā)展是一個自我建構(gòu)、不斷發(fā)展的過程，只有通過真實物理情景才能體驗科學思維過程.

在上述試題中，需推斷出光電子在區(qū)域Ⅰ中做勻速直線運動，其推斷過程為：①假設，光電子在紙面內(nèi)沿直線穿過區(qū)域Ⅰ.②推理，光電子將在區(qū)域Ⅰ中做勻速度直線運動，此時電場力與洛倫茲力等大反向，區(qū)域Ⅰ實為速度選擇器.③證據(jù)，區(qū)域Ⅰ中的電場與磁場能滿足光電子做勻速直線運動；同時，光電子經(jīng)區(qū)域Ⅱ偏轉(zhuǎn)后對稱運動至探測點.再者，光電子若不在紙面內(nèi)運動，難以運動至探測點.④結(jié)論，假設成立.

教學實例：如圖6所示，兩個相同的表面光滑、電阻不計的金屬導軌PM和QN平行水平放置，相距為L.導體棒ab、cd質(zhì) 量 均 為m、電阻均為R，垂直地靜止在導軌上，ab與MN之間的距離足夠大.整個裝置處于豎直向上的勻強磁場中，磁感應強度為B.現(xiàn)用恒力F作用在cd棒上使其運動.試分析ab和cd棒的穩(wěn)定運動狀態(tài).

圖6

教師：什么是穩(wěn)定運動狀態(tài)？

學生：勻速直線運動.

教師：假設ab和cd棒均做勻速直線運動，可能嗎？

師生探討：不可能，原因，對ab棒合外力等于零，得回路中的電流I=0；進一步推導出cd棒只受F，將做加速運動，所以不可能.

師生：再假設ab和cd棒均做勻加速直線運動，加速度相同.

師生探討：當加速度相同時，ab和cd棒所受的合外力相等，回路中的電流I恒定，二棒的速度之差為定值，從而二棒呈穩(wěn)定的運動狀態(tài)，假設成立.

師生：再假設……

可見，科學思維過程在解題時所起的作用，教學中我們應樹立“為思維而教，為思維而學”的理念，讓學生體驗科學思維過程.

基于核心素養(yǎng)的高中物理教學不僅是要教給學生課本知識，更要教給學生處理問題的科學方法.教學中要“精心創(chuàng)設情景、設計系列思維臺階，引導學生走出思維誤區(qū)”，讓學生深度參與到物理概念的形成、建構(gòu)和物理規(guī)律探索的“慢節(jié)奏”中，才能真切感受物理的思想方法，學會探究、學會思考，成為有思維品質(zhì)、有智慧的人.［3］