挖掘教材資源 提高備考效率①
——2022年全國高考物理甲卷第25題的教學啟示

楊曉宇 張述亮 趙 堅

(1. 四川省成都市龍泉中學,四川 成都 610100;2. 云南省昆明市五華區(qū)基礎教育發(fā)展研究院,云南 昆明 650031)

縱觀2022年全國高考物理試題,不乏體現先進命題思想和理念的試題,發(fā)揮了高考的育人功能和積極的導向作用,依據課程標準,加強對核心素養(yǎng)的考查,引導學生摒棄死記硬背和“機械刷題”的學習方式。本文從試題賞析和命題溯源的角度,分析2022年全國高考物理甲卷第25題,從中獲得有益的教學啟示。

1 試題呈現和解析

1.1 試題呈現

光點式檢流計是一種可以測量微小電流的儀器,其簡化的工作原理示意圖如圖1所示。圖中A為輕質絕緣彈簧,C為位于紙面上的線圈,虛線框內有與紙面垂直的勻強磁場;M為置于平臺上的輕質小平面反射鏡,輕質剛性細桿D的一端與M固連且與鏡面垂直,另一端與彈簧下端相連,PQ為圓弧形的、帶有均勻刻度的透明讀數條,PQ的圓心位于M的中心。使用前需調零：使線圈內沒有電流通過時,M豎直且與紙面垂直;入射細光束沿水平方向經PQ上的O點射到M上后沿原路反射。線圈通入電流后彈簧長度改變,使M發(fā)生傾斜,入射光束在M上的入射點仍近似處于PQ的圓心,通過讀取反射光射到PQ上的位置,可以測得電流的大小。已知彈簧的勁度系數為k,磁場磁感應強度大小為B,線圈C的匝數為N、沿水平方向的長度為l,細桿D的長度為d,圓弧PQ的半徑為r﹐r?d,d遠大于彈簧長度改變量的絕對值。

圖1

(1) 若在線圈中通入的微小電流為I,求平衡后彈簧長度改變量的絕對值Δx及PQ上反射光點與O點間的弧長s;

(2) 某同學用此裝置測一微小電流,測量前未調零,將電流通入線圈后,PQ上反射光點出現在O點上方,與O點間的弧長為s1;保持其他條件不變,只將該電流反向接入,則反射光點出現在O點下方,與O點間的弧長為s2。求待測電流的大小。

1.2 評析

從知識方面看,該試題考查了學生對安培力、胡克定律、物體平衡、光的反射定律等的理解;從方法方面看,考查了物體微小形變的光學放大法(光杠桿);從數學工具的應用方面看,考查了小量的近似計算。而試題涉及的這些知識、方法、技巧都是學生學習過的,試題只是將它們關聯整合在一起。這一做法既體現重視基礎、又發(fā)揮出高考對教學的積極導向作用,考查了學生對實驗原理的理解、實驗裝置圖的解讀、實驗數據的處理、實驗的關聯整合等實驗探究能力和創(chuàng)新遷移能力,以此引導學生重視實驗探究,提高實驗技能和創(chuàng)新能力。

1.3 解答

對PQ上反射光點與O點間的弧長s的求解采用以下兩種方法。

2 命題立意

該試題將實驗探究類問題相關聯整合,融合了教材中測磁感應強度B的實驗方法、光學放大法、小量計算近似處理的數學方法。把科學方法融入試題,將實驗探究與科學思維有效結合,進一步凸顯了物理實驗在發(fā)展學生核心素養(yǎng)方面的重要地位和作用。

對試題給出的裝置進行拆解發(fā)現,裝置左側的A、C部分通入微小電流產生微小形變來自教材的 “測磁感應強度B的大小” 實驗,第(1)問中求平衡后彈簧長度改變量的絕對值Δx,體現了設問的基礎性,考查了物理觀念中的相互作用觀念;第(2)問中電流分別正向和反向通入,求電流的大小,體現了設問的綜合性,考查了相互作用觀念、科學思維中的科學推理和科學論證等要素。裝置的右側部分運用了光學放大法,光學放大法可分為視角放大和微小變化量(包括微小長度、微小角度)放大,這兩種放大方法在物理教材中均有所體現,其中初中學習的放大鏡(凸透鏡)和高中利用光的折射原理的“貓眼”均屬于視角放大,高中物理教材 “彈力”一節(jié)中安排了演示實驗：觀察桌面在壓力作用下的微小形變,采用了微小長度放大法,庫倫扭秤、卡文迪許扭秤實驗則采用了微小角度放大法。第(1)問中求PQ上反射光點與O點間的弧長s體現了設問的綜合性和創(chuàng)新性,考查了科學探究中的問題、證據、解釋和科學思維中的模型建構、科學推理、科學論證等素養(yǎng),要求學生具備對實驗原理的理解、對實驗裝置圖的解讀、實驗數據的處理、實驗的關聯整合等能力,體現了高考實驗題源于教材而不拘泥于教材的要求,引導學生不僅要掌握物理實驗基本技能,更要領悟科學方法。

本題失分原因之一是學生對小量計算的數學方法不夠熟練,原因之二是對D、M部分實驗裝置的理解不到位,空間想象能力、模型構建能力不足,原因之三是學生的實驗整合能力和遷移能力存在欠缺之處。

3 試題溯源

3.1 磁感應強度的測量

3.1.1 源于教材內容

教科版高中物理教材中“測量磁感應強度B的大小”的實驗原理如圖2所示,人教版高中物理教材中“磁場對通電導線的作用力”的習題第3題設置了用天平精確測量磁感應強度的習題,其原理如圖3所示。

圖2

圖3

3.1.2 源于往年高考試題

如1993年普通高等學校招生全國統(tǒng)一考試第7題,用如圖4所示的天平來測定磁感應強度。天平的右臂下面掛有一個矩形線圈,線圈寬為l,共N匝,線圈的下部懸在勻強磁場中,磁場方向垂直于紙面。當線圈中通有如圖所示方向的電流I(方向如圖4所示)時,在天平左、右兩邊加上質量分別為m1、m2的砝碼,天平平衡。當電流反向(大小不變)時,右邊再加上質量為m的砝碼后,天平重新平衡。由此可知( )。

圖4

3.2 光學放大法

3.2.1 源于教材內容

作為承載放大思想的重要實驗,微小形變放大實驗(圖5)在各個版本的高中物理教材上都有呈現。為了不“沖淡”彈力的主題教學,有的教師在桌面放上重物,讓學生觀察光點的移動,便得出結論：光點移動反映了桌面的微小形變,對于實驗的放大原理并未進行深入探究。實際上,學生對該實驗是有很多疑惑的,該實驗方法為什么叫光學放大法?放大倍數與哪些因素有關?究竟將微小形變放大了多少倍?能否通過理論推導予以解釋?學生一閃而過的思維亮點往往被教師按部就班的教學所淹沒,這種現象在當前的教學中仍然存在,筆者以為,此試題的設計就是提醒教師在教學中要善于捕捉這些教育契機,培養(yǎng)學生提出問題、分析問題、解決問題的能力。

圖5

從這道高考試題的設計思路反思教學,在教學中教師如果能夠在學生定性觀察的基礎上,引導學生探究光斑移動距離的決定因素(兩平面鏡的距離、重物的質量等),從中構建模型,運用幾何知識和光的反射定律定量推導微小形變的放大倍數,既可以加深學生對光杠桿放大法的理解,又可以培養(yǎng)學生的科學探究能力。

圖6

3.2.2 扭秤實驗中微小角度放大

在庫侖扭秤和卡文迪許扭秤的教學中,不能簡單地讓學生識記“卡文迪許扭秤實驗測量了萬有引力常量G”“庫侖用扭秤實驗測量了帶電物體間的靜電力”這樣的物理史實,而應該引導學生重演科學家的探究過程,感悟他們思維的閃光點。筆者翻閱近20年高考物理題發(fā)現,對扭秤實驗的考查主要有以下兩個方向：(1) 考查學生對“卡文迪許測出引力常量”的識記,如2007年廣東卷第1題;(2) 考查學生對實驗原理的理解,如2010年上海卷第27題,顯然上海高考命題導向與當今課標要求更為契合。

3.3 源于教材內容的近似計算

高中物理教材中火車轉彎例題、向心加速度公式的理論推導、單擺簡諧振動的證明及雙縫干涉條紋間距公式的推導等均運用了近似計算,這道高考試題中涉及的數學運用并不超出教學要求。

4 教學啟示

4.1 關聯整合,夯實基礎

類似光學放大法、近似計算法等的介紹在教材中是分散的、碎片化的,這是新授課中限于章節(jié)和板塊教學所造成的。在備考復習過程中,教師應當引導學生深層次挖掘教材內容的內在聯系,關聯、整合教材中思想方法相似的內容設計,以培養(yǎng)學生的高階思維能力。

4.2 組合應用,遷移創(chuàng)新

2022年全國高考物理甲卷25題很好地體現了力學實驗和電學實驗的整合創(chuàng)新,啟示教師要引導學生在概括論證的基礎上結合實驗思想、數據處理方法,有意識地對相關實驗進行關聯整合或組合創(chuàng)新,以有效培養(yǎng)學生的科學探究能力和遷移創(chuàng)新能力。

4.3 拓展實驗,深入探究

《普通高中物理課程標準(2017年版)》在“實施建議”部分強調：注重教材的科學性,正確納入物理實驗,重視科學的發(fā)展過程,關注科學探究活動的設計,關注科學家在科學探索過程中所凝練、升華的科學思維方式和科學研究方法,讓學生學習科學家的科學思維、研究方法及科學態(tài)度。高中各版本物理教材中設置了豐富的實驗活動,既體現了對實驗結果的重視,又重視實驗過程中蘊含的科學方法和思想。《中國考試》在2022年高考物理全國卷試題評析中強調：加強實驗設計,發(fā)展學生實驗探究能力,引導高中開足開好實驗課。開足是指實驗課應覆蓋教材實驗,可開設探究性物理實驗校本課程,以加強對學生實驗探究和科學思維能力的培養(yǎng)。開好是指基于教材實驗,深度挖掘實驗背景和原理方法,體會科學家的辛苦付出和實驗器材的巧妙設計。同時要拓寬實驗問題視角,引導學生經歷定性—半定量—定量的科學探究過程,基于新技術手段對原有的實驗裝置進行改進、創(chuàng)新,感悟用科學方法解決問題的巧妙之處,培養(yǎng)學生提出問題、分析問題和解決問題的能力。