赏析物理选考试题 对接学科核心素养

陶汉斌

[摘 要]文章对2021年浙江省1月与6月两次选考物理试题做简要评析。这两次考试试题充分体现了中国科技发展成果和传统文化。试题突出对物理基本概念与基本规律的考查，解题的关键是能够在具体的情景中构建出正确的物理模型。这两份试卷科技情景与物理知识的衔接非常自然，回归了物理知识的本真，体现了物理规律的简洁之美。任何一个题目都有相关的素材，每一个题目都有特定的背景，并且与学生物理核心素养的考查一一对接，一个题目链接几个核心素养，集中考查了学生的四大物理核心素养。

[关键词]中国科技;模型建构;素材背景;核心素养

[中图分类号]    G633.7        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2021）26-0039-04

2021年浙江省1月与6月的两次选考物理试题亮点很多，特别是中国科技和传统文化。比如1月选考物理试题集中展示了我国取得的科技成就（九章、奋斗者、嫦娥五号、托卡马克核聚变），也及时回应了社会关注的热点（芯片问题），体现了物理源自生产生活的理念（滑雪2题，汽车2题，摘松果1题）。6月选考物理试题的第1题的背景是5月17日《自然》报道中国科学家探测到迄今为止最高能量的[γ]射线，第4题是5月15日“天问一号”着陆器成功着陆火星表面的场景，第8题是大功率微波在军事上的应用，第14题是可控核聚变，第22题是空间站的离子推进器。又如第17（1）题“验证机械能守恒定律”，不同于常规设问，而是基于学生易错的操作来设置问题;第18（2）题在伏安法测电阻的基础上，设置了一种比较新颖的测电阻方法，间接考查了仪器最小分度对测量误差的影响。这些试题有利于学生关注科学前沿、重视探究和增强创新意识，考查了学生的物理核心素养。学生解题的关键是在物理背景比较复杂的情境中，建立正确的物理模型，而一旦模型建好之后，物理模型是简洁的，其中运用到的数学知识也是简单的。

一、重视基础，考查物理观念

选考物理试题必须突出对物理基本概念与基本规律的考查，这才是物理的本真。抓基础就抓住了高考，因为越基础的知识对新问题的适应性就越广，迁移能力就越强。你成绩好，说明你的基础知识比较扎实。越难的题目分数越少，这是历年出题的原则，每年都这样。这些以双基知识为背景的试题，突出考查了物理核心素养中的四大物理观念——物质观、相互作用观、运动观和能量观，物理观念是物理概念和规律等在头脑中的提炼和升华。

[例1]（2021年1月选考第2题）如图1所示，2020年12月我国科学家在量子计算领域取得了重大成果，构建了一台76个光子100个模式的量子计算机“九章”，它处理“高斯玻色取样”的速度比目前最快的超级计算机“富岳”快一百万亿倍。关于量子，下列说法正确的是（ ）。

A.是计算机运算的一种程序

B.表示运算速度的一个单位

C.表示微观世界的不连续性观念

D.類似于质子、中子的微观粒子

解析：量子的观念是普郞克为解释黑体辐射提出的表示微观世界的不连续性的观念，是一种观念。量子不是表示类似于质子、中子的微观粒子，不是计算机运算的一种程序，也不是表示运算速度的一个单位。本题正确选项是C。

点评：量子的观念表达的是微观世界的不连续性，比如电荷电量的量子化，又如光子说中能量量子化理论，玻尔原子模型中轨道量子化理论。

[例2]（2021年6月选考第6题）某书中有如图2所示的图，用来表示横截面是“<”形导体右侧的电场线和等势面，其中a、b是同一条实线上的两点，c是另一条实线上的一点，d是导体尖角右侧表面附近的一点。下列说法正确的是（ ）。

A.实线表示电场线

B.离d点最近的导体表面电荷密度最大

C.“<”形导体右侧表面附近电场强度方向均相同

D.电荷从a点到c点再到b点电场力做功一定为零

解析：处于静电平衡的导体，是个等势体，则整个导体为等势体。由于电场线方向总是与等势面垂直，所以实线不是电场线，是等势面，故A错误;根据等势面的疏密表示场强的强弱，则d点的场强较弱，并且电场强度越大的地方电荷密度越大，所以B错误;在“<”形导体右侧表面上下部分附近电场强度方向不相同，所以C错误;由于a、b在同一等势面上，则电荷从a点到c点再到b点电场力做功一定为零，所以D正确。本题正确选项为D。

点评：本题以静电场为背景，考查了电场也是客观存在的物质，可分别从力与能量的角度描述电场。考查了学生对电场物质观和能量观的理解。

二、重视深度学习，考查科学思维

物理深度学习主旨就是让学生感受深度学习的过程，以真正引领学生的科学思维。走向核心素养的深度学习，是指在教师引领下，学生围绕具有挑战性的学习主题，积极参与、主动体验成功、获得发展的有意义的学习过程。现在有相当一部分选考物理的考生，通过大量刷题寻找解题的机械套路，他们学到了一些好用的“定理”“推论”，但这些只是浅层学习，结果在物理选考中结论套用发挥失常，导致考试成绩不理想。我们应该引导学生回归基础，回归物理的本源去认知物理概念与物理规律。

“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。选考物理试题大多以实际问题为背景，每个题目都戴了一个“帽子”，要求学生用清晰的物理观念，分析物理对象和过程中的关键特征和主要因素，建立合适的物理模型，在此基础上通过科学推理、科学论证、质疑创新等多种思维方式解决问题，突出了对核心素养的考查。

[例3]（2021年1月选考第16题）发电机的示意图如图3甲所示，边长为L的正方形金属框，在磁感应强度为B的匀强磁场中以恒定角速度绕OO'轴转动，阻值为R的电阻两端的电压如图3乙所示。其他电阻不计，图3乙中的Um为已知量。则金属框转动一周（ ）。

A.框内电流方向不变

B.电动势的最大值为[Um]

C.流过电阻的电荷量[q=2BL²/R]

D.电阻产生的焦耳热[Q=π UmBL2/R]

解析：此图来自课本中的交流电模型，当线框转动时，框内电流方向每经过中性面一次都要变化一次，则选项A错误;由图3乙可知，电动势的最大值为[Um] ，选项B正确;线圈转过半周，则流过电阻的电荷量为[q=IΔt=ERΔt=ΔφR=2BL2R]，则金属框转过一周流过电阻的电荷量为[q=2q=4BL2R]，因此C选项是错误的;因为[Um=BωL2]，则[ω=UmBL2]，金属框转过一周电阻产生的焦耳热[Q=U2RT=Um22R·2πω=πUmBL2R]，选项D正确。本题正确选项是B、D。

点评：这其实是一个直流发电机的模型，线圈内部产生的是正弦交流电，而输出的是直流电。考查了学生的迁移能力、建模能力和分析推理能力。

[例4]（2021年6月选考第6题）大功率微波对人和其他生物有一定的杀伤作用。实验表明，当人体单位面积接收的微波功率达到250 W/m2时会引起神经混乱，达到1000 W/m2时会引起心肺功能衰竭。现有一微波武器，其发射功率[P=3×107W]。若发射的微波可视为球面波，则引起神经混乱和心肺功能衰竭的有效攻击的最远距离约为（ ）。

A. [100 m]  [25 m]   B. [100 m]  [50 m]

C. [200 m]  [100 m] D. [200 m]  [50 m]

解析：设微波有效攻击范围为r时，单位面积接收微波功率为：[P=PS=P4πr2]

解得：[r=P4πP]

则引起神经混乱时有：

[r1=P4πP1′=3×1074×3.14×250≈100 m]

引起心肺功能衰竭时有：

[r2=P4πP2′=3×1074×3.14×1000≈50 m]

所以本题正确选项为B。

点评：本题以大功率微波的应用为背景，构建球状的辐射模型，考查了模型建构和科学推理能力。

三、注重拓展创新，考查科学探究

浙江省以往的实验题总是从认识器材、选择器材、实验操作、数据处理、误差分析五个方面来出题的。现在就是想进行实验拓展与创新，有拓展的小设计，目的就是想改变一下浙江省物理实验考查风格，即考查实验素养，引导科学探究。“科学探究”主要包括问题、证据、解释、合作与交流等要素。

实验题要有灵活性，就需要在课本实验的基础上稍微变一下，并不完全依照课本上的实验。2021年1月选考的光学实验题从4根大头针到3根大头针的拓展，第18题电学实验让学生画出测电动势与内阻的原理电路图。阅卷时发现，此题得分是相当低的，这是书本实验的拓展，其实，实验中的一个电路图书上是有的，又没叫你算量程，也没叫你电路连线，就仅仅画原理图而已。有电流表、有电阻箱，可学生就是没有意识到电表的改装。2021年6月选考实验题中“验证机械能守恒定律”，不同于常规设问，而是基于学生易错的操作设置问题。电学实验题是在伏安法测电阻的基础上，设置了一种比较新颖的测电阻方法，间接考查了仪器最小分度对测量误差的影响。

[例5]（2021年1月选考第18题）在“测定电池的电动势和内阻”实验中，

①用如图4所示的电路图测量，得到的一条实验数据拟合线如图5所示，则该电池的电动势[E=]        V（保留3位有效数）;内阻[r=]          （保留2位有效数字）。

②现有如图6所示的实验器材，照片中电阻箱阻值可调范围为0～9999 Ω，滑动变阻器阻值变化范围为0～10 Ω，电流表G的量程为0～3 mA、内阻为200  Ω，电压表的量程有0～3 V和0～15 V。请在图6中选择合适的器材，在答题纸相应方框中画出两种测定一节干电池的電动势和内阻的电路图。

解析：①根据闭合电路欧姆定律有： [U=E-Ir]

将题干中的图线延长与横纵轴分别相交，如图7所示。

图像与纵轴交点即为电动势，即[E=1.46 V]。

图像斜率的绝对值为电源内阻，即[r=1.46-1.100.56Ω≈0.64 Ω]。

②电流表量程太小，使用电阻箱和电压表代替电流表进行测量，电路图如图8所示。

根据闭合电路欧姆定律[E=U+Ir=U+UR′r]  变形得：[1U=rE⋅1R′+1E]

绘制[1U-1R′]图像，可知图像斜率为[rE]，与纵轴截距为[1E]，从而求解电动势和内阻。

也可以通过电阻箱改装电流表，扩大电流表的量程，测量电流，电路图如图9所示。

I为改变量程之后的电流表示数，根据闭合电路欧姆定律[E=U+Ir]，可以绘制[U-I]图像求解电动势和内阻。

点评：实验题就是要在课本实验的基础上进行拓展与创新。有电流表、有电阻箱，可是学生就是没有意识到先进行电表改装。这些试题有利于学生关注科学前沿、重视探究和增强创新意识。

[例6]（2021年6月选考第17题）在“验证机械能守恒定律”实验中，小王用如图10所示的装置，让重物从静止开始下落，打出一条清晰的纸带，其中的一部分如图11所示。O点是打下的第一个点，A、B、C和D为另外4个连续打下的点。

①为了减小实验误差，对体积和形状相同的重物，实验时选择密度大的理由是 。

②已知交流电频率为[50 Hz]，重物质量为[200 g]，当地重力加速度[g=9.80 m/s2]，则从O点到C点，重物的重力势能变化量的绝对值[ΔEp=] J，C点的动能[EkC=] J（计算结果均保留3位有效数字）。比较[EkC]与[ΔEp]的大小，出现这一结果的原因可能是 。

A.工作电压偏高

B.存在空气阻力和摩擦力

C.接通电源前释放了纸带

解析：①在验证机械能守恒实验时阻力越小越好，因此密度大的阻力与重力之比更小。

②由图中可知OC之间的距离为[xOC=27.90 cm]，因此机械能的减少量为：

[ΔEp=mgxOC=0.2×9.8×0.2790 J=0.547 J]

匀变速运动时间中点的速度等于这段时间的平均速度，因此有：

[vC=xBD2T=0.330-0.2332×0.02m/s=2.425 m/s]

所以动能的增加量为：

[EkC=12mv2c=12×0.2×2.425×2.425 J=0.588 J]

工作电压偏高不会影响实验的误差，存在摩擦力会使重力势能的减少量大于动能的增加量，只有提前释放了纸带，纸带的初速度不为零，下落到同一位置的速度偏大才会导致动能的增加量大于重力势能的减少量。

点评：在这个实验中由于存在阻力，在常规的设问中都是重力势能的减小量大于动能的增加量。本题不同于常规设问，而是基于学生易错的操作设置问题，让学生尊重实验事实，用物理原理进行科学分析，充分考查了科学探究中的问题、证据、解释、合作与交流等物理素养。

四、关注立德树人，重视科学精神培养

选考物理试题以我国近年来重大工程和科技成就为背景，充分展示中国元素。如6月选考第1题展示了中国科学家首次探测到最高能量的[γ]射线，第11题以泵车为例展示中国制造成就，第19题以机动车礼让行人為背景展示中国公民素养，第3题的火箭发射场景、第4题的“天问一号”着陆火星和第22题的空间站离子推进器都展示了中国航天事业所取得的成就。这些试题有利于激发学生的爱国情怀，培养学生的科学精神。

在科学发展的过程中，蕴含着科学家充满人文主义的科学态度和科学精神。中国人正是发扬了“两弹一星”精神和航天精神，从第一颗原子弹、第一枚导弹、第一颗人造地球卫星到第一艘“神舟”飞船，从神五、神六号载人飞船的成功发射到嫦娥一号探月行动的成功，天问一号火星探测器，神舟十二号3名航天员进驻天和核心舱，中国航天总是以勇于攀登、不断进取的精神，一步步地迈向航天科学技术的高峰。

[例7]（2021年1月选考第14题）如图12所示是我国全超导托卡马克核聚变实验装置。2018年11月，该装置实现了1×108  ℃等离子体运行等多项重大突破，为未来和平利用聚变能量迈出了重要一步。关于核聚变，下列说法正确的是（ ）。

A.聚变又叫热核反应

B.太阳就是一个巨大的热核反应堆

C.高温能使原子核克服核力而聚变

D.对相同质量的核燃料，轻核聚变比重核裂变产能多

解析：聚变又叫热核反应，选项A正确;太阳就是一个巨大的热核反应堆，选项B正确;  要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10-15  m以内，核力才能起作用，那么热核反应时要将轻核加热到很高的温度，使它们具有足够的动能来克服核力而聚变在一起形成新的原子核，即高温能使轻核克服核力而聚变，但不是能使所有的原子核克服核力而聚变，选项C错误;对相同质量的核燃料，轻核聚变比重核裂变产能多，选项D正确。故本题正确选项为A、B、D。

点评：实现可控核聚变是我们的中国梦，在不久的将来即将实现，到那时也就没有能源危机了。这样的情境大大激发了学生的爱国情怀，充分展示了中国科技成就，增强了学生的爱国主义精神。

[例8]（2021年1月选考第20题）机动车礼让行人是一种文明行为。如图13所示，质量[m=1.0×103 kg]的汽车以[v1=36 km/h]的速度在水平路面上匀速行驶，在距离斑马线[s=20 m]处，驾驶员发现小朋友排着长[l=6 m]的队伍从斑马线一端开始通过，立即刹车，最终恰好停在斑马线前。假设汽车在刹车过程中所受阻力不变，且忽略驾驶员反应时间。

（1）求开始刹车到汽车停止所用的时间和所受阻力的大小;

（2）若路面宽[L=6 m]，小朋友行走的速度[v0=0.5 m/s]，求汽车在斑马线前等待小朋友全部通过所需的时间;

（3）假设驾驶员以[v2=54 m/h]超速行驶，在距离斑马线[s=20 m]处立即刹车，求汽车到斑马线时的速度。

解析：（1）根据平均速度有：[t1=sv]

解得刹车时间[t1=4 s]，刹车加速度为：[a=v1t1]

根据牛顿第二定律有：[Ff=ma]

解得：[Ff=2.5×103 N]

（2）小朋友过斑马线的时间为[t2=l+Lv0]，等待的时间为[t=t2-t1=20 s]。

（3）根据[v22-v2=2as]  解得[v=55m/s]。

点评：走进社会，走进生活，是学习物理的根本。本题以机动车礼让行人为背景展示中国公民的基本素养。立德树人，增强民族自信心，是培养人的基本准则和目标。

（责任编辑 易志毅）