聚焦核心素养 凸显课改特色——2018年北京高考物理试题分析

詹 凯 田成良

(1. 首都师范大学附属中学,北京 100089; 2. 海淀区教师进修学校,北京 100080)

2017年新版物理课程标准明确提出“从物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任”等方面提炼学科育人价值,充分体现学科教学促进学生核心素养发展的独特作用．[1]2018年北京高考物理考题紧扣核心素养,对考生进行了全面考查．近几年考试题型的不断更新,北京高考物理试题凸显课改特色,变解题为解决问题,由做题转为做事,切实做到了十九大报告的要求——“落实立德树人根本任务,发展素质教育”．

1 突出强调物理观念

新课标中明确指出:物理观念是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识,是物理概念和规律等在头脑中的提炼和升华．“物理观念”包括物质观念、运动观念、相互作用观念、能量观念及其应用等要素．

题1.(北京高考卷第23题)如图1所示,用电动势为E,内阻为r的电源,向滑动变阻器R供电．改变变阻器R的阻值,路端电压U与电流I随之变化．

图1 图2

(1) 以U为纵坐标,I为横坐标,在图2中画出变阻器阻值R的变化过程中U-I图像的示意图,并说明U-I图像与两坐标轴交点的物理意义．

(2) ① 请在图2画好的U-I关系图线上任取一点,画出带网格的图形,以其面积表示此时电源的输出功率;

② 请推导该电源对外电路能够输出的最大功率及条件．

(3) 请写出电源电动势定义式,并结合能量守恒定律证明:电源电动势在数值上等于内、外电路电势降落之和．

解析： (1) 如图3所示，其中图线与U轴交点为电源电动势E,与I轴交点为短路电流E/r．

图3 图4

(2) ① 如图4所示,阴影部分代表电源输出功率．

② 电源输出的电功率为

当外电路电阻R=r时,电源输出的电功率最大,为

(3) 电动势定义式

根据能量守恒,在图1所示电路中,非静电力做功W产生的电能等于在外电路和内电路产生的电热,即

W=I2rt+I2Rt=Irq+IRq，

E=Ir+IR=U内+U外，

E=U内+U外.

评析：此题设计精妙,考题一改“测量电源电动势和内阻”的传统实验题套路,变为一道计算加论述的综合性考题,溯本求源,很好地考查了考生对于该实验基本原理的深层把握程度．其中第(3)题要求学生“结合能量守恒定律证明:电源电动势在数值上等于“内、外电路电势降落之和”．非常好地体现了能量观在物理学中的重要价值,让学生意识到闭合电路欧姆定律并不是欧姆定律的简单延伸,而是能量守恒在电路中的直接体现．

值得注意的是,从2015年的考题开始,北京高考物理计算题中均出现了说明、论证类的考题.这类考查方式非常有效地引导考生要在理解的基础上掌握物理知识,而不是简单地照猫画虎、死记硬背．

2 注重科学建模能力

科学建模能力是科学思维的重要组成部分之一,通过基于经验事实的模型的构建,可以从物理学视角深入认识客观事物的本质属性、内在规律以及相互关系．

图5

题2.(北京高考卷第24题)(1) 静电场可以用电场线和等势面形象描述,如图5所示．

① 请根据电场强度的定义和库仑定律推导出点电荷Q的场强表达式;

解析：(1) ① 在距Q为r的位置放一电荷量为q的检验电荷．

根据库仑定律检验电荷受到的电场力

根据电场强度的定义

② 穿过两等势面单位面积上的电场线条数之比

评析： 此题在考查考生建模能力上下足了功夫.第(1)题由课内所学的“磁通量”概念引出了“通量”这个更大层次的概念,并通过类比磁通量的定义方法,引出了“电通量”的概念,让在模型建构中实现知识的迁移．第(2)题进一步拓展对“通量”的理解,将其应用于天体的电磁波能量辐射的守恒,有效地测查了考生科学推理与论证的能力．

此外，历届河北省青少年科技创新大赛，也少不了滨河路小学同学们的身影。六年来，滨河路小学共上报青少年竞赛项目163项，优秀科技实践活动4份，辅导员创新项目1项，优秀科幻画128幅。其中，上报项目获省一等奖6项，二等奖16项，三等奖43项；优秀科技实践活动获省一等奖1个，二等奖1个，三等奖2个；优秀科幻画获省二等奖5个，三等奖12个。

该题在选材上非常考究．电通量概念在普通物理电磁学中是一个非常重要的概念,与电通量相关的高斯定律最终作为了麦克斯韦方程组的电场散度方程．该题大胆创新,将大学内容下沉至高中生能力范围,实现中等教育与高等教育的“无缝对接”．

物理概念的类比与扩展,曾经在2015、2016年北京高考中也都出现过．2015年北京高考第23题研究了弹簧的弹性势能,并在第(3)问设问“为什么不存在与摩擦力对应的‘摩擦力势能’的概念”;2016年第23题研究了匀强电场对带电粒子的作用问题,并在第(3)问要求考生“重力场中建立重力势的概念”．这些试题通过类比的方式,将模型建构、科学推理、科学论证有机地结合在一道考题中,在更高层面考查了考生物理观念的内化程度．

3 深度考查科学探究能力

图6

近几年北京高考实验题风格鲜明,多以课内实验或者演示实验为切入点,从实验原理、实验操作、实验现象解释与质疑等多方面展开考查,让学生经历了设计、操作、观察、思考、评估与反思等多个思维过程,有效避免了“假实验、假探究”．这样的考查方式也促使我们在教学中要注重对于学生科学探究能力的培养,特别是在实验课中要有意识引导学生发挥主观能动性,能够真正经历提出问题、形成猜想与假设、设计实验验证、评估与讨论等环节,将培养学生科学探究能力落地生根．

题3.(北京高考第19题)研究与平行板电容器电容有关因素的实验装置如图6所示,下列说法正确的是

(A) 实验前,只用带电玻璃棒与电容器a板接触,能使电容器带电.

(B) 实验中,只将电容器b板向上平移,静电计指针的张角变小.

(C) 实验中,只在极板间插入有机玻璃板,静电计指针的张角变大.

(D) 实验中,只增加极板带电量,静电计指针的张角变大,表明电容增大.

答案： (A)．

评析： 此题是研究与平行板电容器电容有关因素的实验,但在考查方式上比以往深入许多．首先题目条件完全呈现在配图中,考生需仔细研读实验装置图．在选项设置方面,(A)选项考查了实验前的准备工作,(D)选项不仅仅考查了实验现象,还对该现象做出解释,检验学生的评估能力．该实验在最新课程标准中被列入了21个“学生必做实验”中．

4 渗透科学态度与责任

科学态度与责任是指在认识科学本质,认识科学·技术·社会·环境(STSE)关系的基础上,逐渐形成的探索自然的内在动力,严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度,以及遵守道德规范,保护环境并推动可持续发展的责任感．这是我国社会主义核心价值观教育在物理学科中的具体体现．

题4.[北京高考第21(5)题]早在16世纪末,伽利略就猜想落体运动的速度应该是均匀变化的．当时只能靠滴水计时,为此他设计了如图7所示的“斜面实验”,反复做了上百次,验证了他的猜想．请你结合匀变速直线运动的知识,分析说明如何利用伽利略“斜面实验”检验小球的速度是随时间均匀变化的．

图7

解析： 如果小球的初速度为0,其速度v∝t,那么它通过的位移x∝t2．因此,只要测量小球通过不同位移所用的时间,就可以检验小球的速度是否随时间均匀变化．

评析： “伽利略对于自由落体的研究”是人教版教材中独立的一节内容,今年第21题考查研究匀变速直线运动实验,其中第(5)小题回顾了伽利略探究自由落体运动的历史．考题中明确指出了伽利略的猜想、如何设计实验冲淡重力,要求考生能够从实验结果出发反推猜想正确与否．整个实验过程强调严谨的科学态度,不迷信、不盲从、从实际出发的科学精神,在潜移默化中渗透了价值观的教育．

5 弘扬民族精神提升自豪感

新版物理课程标准明确提出“注重于生产生活、现代社会及科技发展的联系,反映当代科学技术发展的重要成果和科学思想,同时关注物理学的技术应用带来的社会问题”．2018年北京高考物理考题在选材与立意上突出体现了鲜明的时代感．

第22题以2022年冬奥会为背景,由跳台滑雪项目导入情境,研究了斜面上的运动与力的关系．奥运会的召开再一次增强了民族自信心．第24题则以2016年在贵州建成的“天眼”为主题进行考查．

题5.[北京高考第24(2)题]观测宇宙中辐射电磁波的天体,距离越远单位面积接收的电磁波功率越小,观测越困难．为了收集足够强的来自天体的电磁波,增大望远镜口径是提高天文观测能力的一条重要途径．2016年9月25日,世界上最大的单口径球面射电望远镜FAST在我国贵州落成启用．被誉为“中国天眼”．FAST直径为500 m,有效提高了人类观测宇宙的精度和范围．

① 射直径为100 m的望远镜能够接收到的来自某天体的电磁波功率为P1,计算FAST能够接收到的来自该天体的电磁波功率P2．

② 在宇宙大尺度上,天体的空间分布是均匀的．仅以辐射功率为P的同类天体为观测对象,设直径为100 m望远镜能够观测到的此类天体数目是N0,计算FAST能够观测到的此类天体数目N.

解析： ① 地球上不同望远镜观测同一天体,单位面积上接收的功率应该相同,因此

② 在宇宙大尺度上,天体的空间分布是均匀的．因此,一个望远镜能观测到的此类天体数目正比于以望远镜为球心、以最远观测距离为半径的球体体积．

设地面上望远镜能观测到此类天体需收集到的电磁波的总功率的最小值为P0,直径为100 m望远镜和FAST能观测到的最远

距离分别为L0和L,则

可得L=5L0.则

评析： “中国天眼”由我国天文学家南仁东于1994年提出构想,历时22年建成,举世瞩目、功成名就,是我国科技史上的辉煌篇章．本题从天眼观测天体的实际问题出发,考生在解题时能切实感受到了我国科技发展的飞速进步,体会到天眼工程的竣工使宇宙学研究精度和范围得到巨大提升,让学生真正理解科技兴国的意义,民族自豪感油然而生．南仁东工程师卧薪尝胆、不畏艰辛、不求名利,个中科学精神值得代代传颂．

纵览2018年的北京考题,从伽利略的自由落体研究,到牛顿的苹果落地;从天眼的建成并投入使用,到即将举办的冬奥会,博古论今、中外荟萃,为我们展示了一个丰富多彩、立体化的物理学．让我们在此体会到物理学在推动人类进步与发展中的巨大作用．

6 总结

2018年北京高考物理考试稳中求变,内容丰富且时代感强,紧扣物理学科核心素养,充分落实了新颁布的课程标准．考题试卷结构、整体难度保持稳定性,在设问角度、小题数量等细节方面也做了大胆的尝试与创新．试题难度结构合理,基础题、综合体分值分配得当．从考题中我们得到启示:在教学中我们必须落实学科核心素养的培养,要注重基础内容的牢固性,注重从实际中来、到实际中去的物理学习方法,为学生终身发展打下坚实的基础．