巧设工程科技情境 考查学生核心素养

[摘   要]2021年1月浙江选考物理试题充分体现了中国特色与爱国情怀，突出中国元素、物理应用和物理思想。试题以重大工程和科技成就为背景，创设真实的物理情境，集中考查物理基本概念与规律。命题者在命题的过程中，将学过的物理知识融入真实场景，要求考生答题时，运用物理观念进行科学思维，构建物理模型;运用物理思想设计实验进行科学探究。

[关键词]工程科技;物理模型;核心素养

[中图分类号]    G633.7        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2021）11-0035-05

2021年1月浙江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），及时回应了社会热点（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）。2021年浙江高考命题坚持高考改革方向，试题以实际高科技问题为背景，要求学生分析物理现象中的关键特征和主要因素，建立合适的物理模型。高考物理试题旨在引导学生关注我国近年来的重大工程和科技成就，充分体现了中国特色与爱国情怀，突出中国元素、物理应用和物理思想。在平时的教学过程中，教师要非常重视物理基本概念和基础理论的学习，提高学生运用物理规律和物理原理分析和解决具有真实背景问题的能力，使教学逐步走出题海，回归核心素养的培养。本文从以下几个方面对2021年1月浙江选考物理试题进行分析探讨。

一、工程科技与爱国情怀

在2021年1月这套物理试卷中，试题以我国近年来的重大工程和科技成就为背景，考查学生的基本概念和知识。如第1题以我国安装在南极大陆昆仑站的自主研发的全自动无人值守望远镜为背景，考查国际基本单位;第2题以我国量子计算机“九章”的重大成果为背景，考查微观世界中量子化的概念;第3题以我国“奋斗者”号载人潜水器在马里亚纳海沟成功坐底为背景，考查了理想化物理模型质点的概念;第7题以我国首个实施月面采样返回的航天器“嫦娥五号”为背景，考查运动学中力、运动和能量的一些基本规律;第14题以我国全超导托卡马克核聚变实验装置为背景，考查原子物理中有关核聚变的相关问题。这些选考物理试题，不仅能积极引导学生掌握物理的基本概念和基礎理论，还有利于激发学生的爱国情怀，激励学生勇攀科学高峰。挖掘中国元素，讲好中国故事，整套试题处处体现了科学、技术和社会的紧密结合，要求学生能够抽丝剥茧，找出相关物理概念在具体问题中的相互关系，构建相关的物理模型并加以应用。

二、物理应用与生产生活

物理来源于生活，又服务于社会生活实践。在物理知识的应用考查方面，试题既注重考核学生对物理基本概念、规律和原理的理解和掌握情况，又突出能力导向，强化物理应用，鼓励学生将所学的知识应用到生产实践中去。如第6题为在雪道上滑雪，考查物理学的基本观念——力、运动和能量;第11题是汽车能量转换问题，给出总能量在各级能量间的传输情况，可以有效考查考生对内能与能量守恒定律的理解情况;第15题呈现松果采摘的场景，主要考查机械运动中的受迫振动问题;第16题给出交流发电装置，通过外接铜环的作用将交流电转换成相应的直流电，学生要将交变电流中有效值、最大值和电量的知识进行有效迁移;第20题利用学生熟悉的轨道游戏，考查圆周运动和平抛运动，并应用动能定理和逆向思维进行解题。所有这些试题均紧密联系日常生活和生产实际，能有效考查学生的理解能力、建模能力和分析推理能力。

三、物理原理与科学探究

每年高考物理电学实验题是学生关注的焦点，这些考题常考常新，精彩纷呈。实验复习，给人的感觉就是摸不着头脑，“一听就懂，一做就错”，基本上得不到什么分数。高考实验题，虽然面目年年新，但都是源于教材实验，都是对相关实验的加工和深化，注重考查物理学科核心素养、关注物理实验过程，突出考查学生是否真正做过相关实验。物理原理是我们求解实验题的“航标灯”，为我们指明了实验学习、备考，甚至高考实验答题的方向，可使我们在解答高考实验题时少走弯路，如果没有理论的指导，搞错了解题的方向，那么，越努力，就错得越离谱！

物理选考第17题的第（2）问测量玻璃的折射率，不同于教材中用4枚大头针测量的方法，只有3枚大头针的新情景下，如何解决问题，要求学生用3枚大头针进行测量，但实验原理没变，还是光的折射定律，你看到大头针的像就是相关的折射光线进入人的眼睛。实验题第18题的第（1）问给出一些电学实验器材，让学生设计两种测定一节干电池的电动势和内阻的方案，其中的一种方案必须先将电阻箱改装成一个电流表，然后进行实验。第18题的第（2）问通过可拆变压器硅钢片的叠放位置考查学生对涡流的认识和理解，此题能够很好地考查学生的实验观察能力，并利用电磁感应中涡流产生的原理进行分析。这些实验试题既基于教材而又高于教材，重点考查了学生利用所学基础知识和基本理论分析解决实际问题的能力，有利于引导学生积极开展实验探究，有利于增强学生的创新意识，提高学生的创新能力。

四、物理模型与数学模型

在读题审题的过程中，要求考生分析物理现象中的关键特征和主要因素，建立合适的物理模型与数学模型，从而考查学生的模型建构能力。该试卷第21题以“嫦娥五号”成功实现月球着陆和返回为背景，设计了一种新型着陆装置，考查学生对电路、电磁感应定律、电容器、安培力。物理选考第22题以芯片制造技术为背景，设计了离子注入晶圆的问题情境，考查学生对电场、磁场、平抛运动、圆周运动和牛顿运动定律等基本知识和基本理论的综合应用能力。此题突出考查了运动的独立性原理，立体三维空间的想象能力，最终还是聚焦在数学中小量的近似计算方法和物理建模能力，回归核心素养中的模型建构，以实践数学与物理的互利合作。

2.螺旋运动过程——力与运动的独立作用

本题借用复合场的平台，考查圆周运动、类平抛运动中的偏转问题，平抛运动要运用运动的独立性原理，最后一小题在叠加场中也要运用运动的独立性原理进行解题。学生要有一定的空间想象能力，能将立体图转化为平面图进行思考。

3.小量近似——彰显数学魅力

在上述运算过程中用到小量近似计算的方法，经过电场和磁场偏转的角度都很小，当α很小时，有[sinα≈tanα≈α，cosα≈1-α?/2]，这种小量近似在学习单摆模型时曾经做过推导。从上面关系式的推导过程可以看出，由于角度很小，此时的平抛运动与圆周运动的偏转量近似相同，平抛运动速度的延长线经过水平位移的中点，而圆周运动速度延长线也经过水平位移的中点，电偏转与磁偏转的规律是一样的，真体现了小量近似的数学魅力。

五、科学思维方法——盘点独立作用原理

本次浙江选考物理计算的第20题和第22题的最后一小题，彰显了对力与运动的独立作用原理的考查。在研究复杂的物理问题时，经常利用独立性原理把复杂的物理问题分解成几个简单的物理问题，常用的独立性原理有力的独立作用原理和运动的独立性原理。独立性原理是研究复杂物理问题的常用方法。

在高中物理知识的学习过程中，学生已接触了力与运动的独立作用原理。比如在讲到竖直上抛运动时，可用竖直向上的匀速直线运动和自由落体运动进行合成。在学习运动的合成与分解时，平抛运动就是用简单的水平方向的匀速直线运动与竖直方向的自由落体运动合成的，也就是说两个方向的运动是相互独立、互不干扰的，而时间是相同的。

1.巧用“配速法”及运动的独立性原理解题

带电粒子进入复合场中，可能受到重力、电场力和洛伦兹力的作用，弄清这些场力的作用可以用“配速法”及运动的独立性“玩转”各种复杂的运动，我们可用最简单的运动形式来求解复杂的运动问题。

[例2]在空间有相互垂直的场强为E的匀强电场和磁感应强度为[B]的匀强磁场。如图3所示，一电子从原点静止释放，求电子在[y]轴方向前进的最大距离和此时电子的速度（电子电量为e、质量为m）。

解析：此题可利用运动的独立性原理进行分析求解。虽然电子在O点速度为零，但也可以设想为具有沿x方向的速度[+v]和[-v]，其中[v]应满足[Bev=eE]。照此设想，电子在其后的运动过程中将受到三个力，一个是沿y方向的电场力，一个是由于电子沿x轴向右运动而产生的沿[-y]方向的洛伦兹力，另一个是电子沿[-x]轴运动产生的沿[y]方向的洛伦兹力，注意到电子沿[-y]方向所受的洛伦兹力和它所受的电场力相平衡，所以电子的运动可视为是一个速度为v沿x轴正向的匀速直线运动和一个速率为v的匀速圆周运动的合成，如图4所示。

而此时匀速圆周运动的速度v方向与水平方向匀速直线运动的速度v的方向相同，所以电子的合速度为[2v=2EB]

点评：此题利用“配速法”将电场力与洛伦兹力的一个分力平衡，电子的运动可视为是一个速度为v沿x轴正向的匀速直线运动和一个速率为v的匀速圆周运动的合成，是匀速圆周运动与匀速直线运动的合成。

2.巧用动量定理及力的獨立作用原理解题

[例3]现代科学仪器常利用电场、磁场控制带电粒子的运动。真空中存在着如图5所示的多层紧密相邻的匀强电场和匀强磁场，电场与磁场的宽度均为d。电场强度为E，方向水平向右;磁感应强度为B，方向垂直纸面向里。电场、磁场的边界互相平行且与电场方向垂直。一个质量为m、电荷量为q的带正电粒子在第1层电场左侧边界某处由静止释放，粒子始终在电场、磁场中运动，不计粒子重力及运动时的电磁辐射。

（1）求粒子在第2层磁场中运动时速度v2的大小与轨迹半径r2;

（2）粒子从第n层磁场右侧边界穿出时，速度的方向与水平方向的夹角为[θn]，试求[sinθn];

（3）若粒子恰好不能从第n层磁场右侧边界穿出。试问在其他条件不变的情况下，也进入第n层磁场，但比荷较该粒子大的粒子能否穿出该层磁场右侧边界，请简要推理说明之。

解析：此题如果利用常规的方法进行解题，那会非常烦琐，计算量也非常大。在解第（2）小题和第（3）小题时，可用运动的独立性原理解题。

（1）粒子进入第2层磁场时经过两次电场加速，由动能定理有：

在第2层做匀速圆周运动，有：

点评：现代科学仪器常利用电场、磁场控制带电粒子的运动，其中最典型的是电场加速、磁场偏转，控制带电粒子在场中的运动，这类题目我们也可以运用独立性原理解题。

[   参   考   文   献   ]

[1]  陶汉斌. 建构物理模型 厚植物理观念：鉴赏2020年1月浙江选考物理压轴题[J].物理教师，2020，41（5）：84-86+89.

[2]  余婷婷，钱长炎，李欢欢.2019年高考全国理综卷Ⅰ（物理）第24题解析及启示[J].物理教师，2020，41（3）：78-81.

（责任编辑 易志毅）