2021年高考物理试题分析与备考建议

柴天虎

2021年的高考物理试题，不管是新高考卷还是全国卷，都在贯彻落实《深化新时代教育评价改革总体方案》要求：穩步推进高考改革，构建引导学生德智体美劳全面发展的考试内容体系，改变相对固化的试题形式，增强试题开放性，减少同学们死记硬背和“机械刷题”的现象。下面，笔者选取了几道具有代表性的高考真题，与同学们一起来看看2021年物理试题中高考改革的趋势。

一、侧重考查基础，注意回归教材

【例1】（2021·全国甲卷）2021年2月，执行我国火星探测任务的“天问一号”探测器在成功实施三次近火制动后，进入运行周期约为1.8×105s的椭圆形停泊轨道，轨道与火星表面的最近距离约为2.8×105m。已知火星半径约为3.4×106m，火星表面处自由落体的加速度大小约为3.7m/s2，则“天问一号”的停泊轨道与火星表面的最远距离约为（ ）

A.6×105mB.6×106mC.6×107mD.6×108m

【分析】该题需要考生对开普勒第三定律有较深刻的理解：对于绕同一中心天体的探测器（卫星），如果周期相等，则轨道半长轴相等。根据开普勒第三定律可知，做匀速圆周运动的卫星的轨道半径与“天问一号”轨道半长轴相等时，二者的周期相等。根据万有引力提供向心力求出匀速圆周运动卫星的轨道半径，即可得到“天问一号”的长轴，再根据几何关系求解“天问一号”的停泊轨道与火星表面的最远距离。

【解答】根据题意可知火星的半径为R=3.4×106m，轨道与火星表面的最近距离约为h=2.8×105m。设火星的质量为M，“天问一号”所在椭圆轨道的半长轴为r。

设想在火星上方有一颗卫星做半径为r的匀速圆周运动，根据开普勒第三定律=k，可知该卫星的周期T=1.8×105s。对该卫星，根据万有引力提供向心力可得=mr，在火星表面，根据万有引力和重力的关系可得=mg，联立解得r≈3.26×107m。

设“天问一号”的停泊轨道与火星表面的最远距离为H，根据几何关系可得h+2R+H=2r，解得H≈6×107m，故C正确、ABD错误。

【例2】（2021·新高考Ⅰ卷）如图1，在（a，0）位置放置电荷量为q的正点电荷，在（0，a）位置放置电荷量为q的负点电荷，在距P（a，a）为√2q的某点处放置正点电荷Q，使得P点的电场强度为零。则Q的位置及电荷量分别为（ ）

A. （0，2a），√2q B. （0，2a），2√2q

C. （2a，0），√2q D. （2a，0），2√2q

【分析】以坐标系设置点电荷位置为情景，通过点电荷电场叠加，考查库仑定律、电场强度，侧重考查电场强度的矢量性。

【解答】根据点电荷的场强公式及平行四边形定则，可以求出点电荷+q与-q在P点的合场强的大小为E合= 2××cos45°=，方向与-x方向成45°角指向左上方，那么+Q在P点产生的场强与E合大小相等，方向相反。再根据点电荷的场强公式，可得=E合，代入解得Q=2√2q，方向应与+x方向成45°，结合题意可知+Q应在y轴上的（0，2a）位置。故ACD错误，B正确。

二、创设真实问题情境，强调学以致用

【例3】（2021·新高考Ⅰ卷）我国古代著作《墨经》中记载了小孔成倒像的实验，认识到光沿直线传播。身高1.6m的人站在水平地面上，其正前方0.6m处的竖直木板墙上有一个圆柱形孔洞，直径为1.0cm、深度为1.4cm，孔洞距水平地面的高度是人身高的一半。此时，由于孔洞深度过大，使得成像不完整，如图2所示。现在孔洞中填充厚度等于洞深的某种均匀透明介质，不考虑光在透明介质中的反射。

（1）若该人通过小孔能成完整的像，透明介质的折射率最小为多少？

（2）若让掠射进入孔洞的光能成功出射，透明介质的折射率最小为多少？

【分析】本题以小孔成像空洞深度过大为背景，在孔间填入透明介质考查光的折射，情境新颖，难点在于画出符合题意的光路图。（1）只要头部能够在后面成像，则脚也一定能够成像，画出光路图，根据几何关系求解入射角正弦值和折射角的正弦值，根据折射定律求解折射率;（2）若让掠射进入孔洞的光能成功出射，入射角等于90°时光线能够射出，折射率最小，画出光路图，求出折射角的正弦值，根据折射定律求解。

【解答】（1）若该人通过小孔能成完整的像，作出的光路图如图3所示（根据对称性可知，只要头部能够在后面成像，则脚也一定能够成像）。

根据几何关系可得sinα=，其中AC=×1.6m=0.8m，DE=1.0cm=0.01m，BO=0.6m。

sinβ=，其中OD=1.4cm=0.014m。

根据折射定律可得n=，代入数据解得n=1.37。

（2）若让掠射进入孔洞的光能成功出射，折射率最小时光的传播情况如图4所示;根据几何关系可得α′=90°，sinβ′=sinβ，根据折射定律可得n′=，解得n′=1.72。

【提示】解答光的折射类题目的关键是弄清楚光的传播情况，画出光路图，根据图中的几何关系求出折射角或入射角，然后根据光的折射定律或全反射的条件列方程求解。

三、试题灵活多变，重点考查学生的关键能力

【例4】（2021·甲卷）如图5，长度均为l的两块挡板竖直相对放置，间距也为l，两挡板上边缘P和M处于同一水平线上，在该水平线的上方区域有方向竖直向下的匀强电场，电场强度大小为E;两挡板间有垂直纸面向外、磁感应强度大小可调节的匀强磁场。一质量为m，电荷量为q（q>0）的粒子自电场中某处以大小为v0的速度水平向右发射，恰好从P点处射入磁场，从两挡板下边缘Q和N之间射出磁场，运动过程中粒子未与挡板碰撞。已知粒子射入磁场时的速度方向与PQ的夹角为60°，不计重力。

（1）求粒子发射位置到P点的距离;

（2）求磁感应强度大小的取值范围;

（3）若粒子正好從QN的中点射出磁场，求粒子在磁场中的轨迹与挡板MN的最近距离。

【分析】本题以带电粒子在磁场中的偏转为情境，要求学生能够将题干的约束条件用数学公式表达，对学生应用数学处理物理问题的能力要求较高。

（1）粒子在电场中做类平抛运动，根据类平抛运动轨迹以及勾股定理求解粒子发射位置到P点的距离;（2）粒子在磁场中做匀速圆周运动，根据粒子出射点的边界条件，求出临界磁感应强度，进而求出磁感应强度的取值范围;（3）根据粒子正好从QN的中点射出磁场这一边界条件，画出粒子的运动轨迹，然后由几何关系求出粒子做匀速圆周运动的轨迹圆半径，再由几何关系求出粒子在磁场中的轨迹与挡板MN的最近距离。

【解答】（1）带电粒子在电场中受到竖直向下的电场力作用，粒子做类平抛运动，在P点对速度进行分解，如图6所示。

tan60°=，粒子做类平抛运动，水平方向上x=v0t0，竖直方向上y=at02，vy=at0，其中a=。

粒子发射位置到P点的距离s=，在P点的速度大小v=，联立解得s=。

（2）带电粒子从Q点射出磁场，运动轨迹如图7所示。

由几何关系可知：粒子从下边缘Q点射出时，轨迹圆的半径为R1=。

由洛伦兹力提供向心力可知qvB=m，磁感应强度B=，由此可得B1==。带电粒子从N点射出磁场，运动轨迹如图8所示。

由几何关系可知，粒子从下边缘N点射出时，设轨迹圆的半径为R2，在△ONE中：（R2-l）2+（-l）2=R22，解得：R2=（+1）l。

由洛伦兹力提供向心力可知：qvB=m，磁感应强度B=，由此可得B2==。磁感应强度大小的取值范围为B2

（3）若粒子正好从QN的中点射出磁场，画出粒子在磁场中的运动轨迹如图9所示。

由几何关系可知，在△OAF中，（l-R3）2+（+）2= R32。该轨迹与MN极板最近的距离Δx=L-。

联立解得Δx=l。

【提示】对于带电粒子在电场中类平抛运动，将运动按照电场力方向及与其垂直方向分解即可;在磁场中的匀速圆周运动，关键在于找到粒子在磁场中运动的轨迹和边界条件，由几何关系求出轨迹圆的半径，或者由洛伦兹力提供向心力求出半径。

【例5】（2021·新高考Ⅰ卷）如图10，竖直平面内一足够长的光滑倾斜轨道与一长为L的水平轨道通过一小段光滑圆弧平滑连接，水平轨道右下方有一段弧形轨道PQ。质量为m的小物块A与水平轨道间的动摩擦因数为μ。以水平轨道末端O点为坐标原点建立平面直角坐标系xOy，x轴的正方向水平向右，y轴的正方向竖直向下，弧形轨道P端坐标为（2uL，uL），Q端在y轴上。重力加速度为g。

（1）若A从倾斜轨道上距x轴高度为2uL的位置由静止开始下滑，求A经过O点时的速度大小;

（2）若A从倾斜轨道上不同位置由静止开始下滑，经过O点落在弧形轨道PQ上的动能均相同，求PQ的曲线方程;

（3）将质量为λm（λ为常数且λ≥5）的小物块B置于O点，A沿倾斜轨道由静止开始下滑，与B发生弹性碰撞（碰撞时间极短），要使A和B均能落在弧形轨道上，且A落在B落点的右侧，求A下滑的初始位置距x轴高度的取值范围。

【分析】本题考查动能定理、平抛运动规律、动量守恒定律及其相关知识点，主要考查综合运用知识分析解决物理问题的能力。

（1）此过程由动能定理直接求解即可。（2）根据题意物块A落在弧形轨道上的动能均相同，利用平抛运动的规律，推导出落在弧形轨道上的物块的动能与水平位移和竖直位移的关系式;再把A点的坐标代入动能的关系式，求得具体的动能表达式;然后再利用动能与水平位移和竖直位移的关系式，可推导出所求的曲线方程。（3）由动能定理求得A与B碰撞前瞬间速度大小，由弹性碰撞的特点——系统动量守恒和机械能守恒，求得碰撞后瞬间A、B的速度大小，碰后A速度反向，再返回O点;要使A落在B落点的右侧，需满足A平抛初速度大于B的平抛初速度;要使A和B均能落在弧形轨道上，只需A能够落在轨道上，利用平抛运动规律求出落在P点的临界平抛初速度大小，需要A平抛的初速度不大于此临界速度，两条件结合解得A下滑的初始位置距x轴高度的取值范围。

【解答】（1）设物块A由静止开始运动到O点的速度大小为v0，对此过程由动能定理得mg·2μL-μmgL=mv02-0，解得v0=。

（2）A经O点水平抛出后做平抛运动，设水平位移为x，竖直位移为y，物块A经过O点的速度大小为vx，落到弧形轨道上时，速度大小为v，竖直方向速度大小为vy，落在弧形轨道上的动能均为Ek，则x=vxt，y=gt2，vy2=2gy，解得vx2=，Ek=mv2=m（vx2+vy2）=m（+2gy）。

已知P点坐标为（2uL，uL），即当物块A落到P点时，x=2uL，y=uL，可得Ek=m[+2guL]=2μmgL。

依题意，物块A落在弧形轨道上的动能均相同，则有m（+2gy）=2μmgL，整理得PQ的曲线方程为：+2y=4μL，0≤x≤2μL。

（3）设A下滑的初始位置距x轴高度为h，A与B碰撞前瞬间速度大小为vA，碰撞后瞬间A、B的分别为vA1、vB，对A由静止开始运动到碰撞B之前的过程，由动能定理得mgh-μmgL=mvA2-0，解得vA=。

A与B发生弹性碰撞的过程，设水平向右为正方向，因B质量为λm（λ≥5），大于A的质量，碰后A的速度水平向左，由动量守恒定律和机械能守恒定律，可得mvA=-mv2A1+λmvB，mvA2=mv2A1+λmvB2，解得：vA1=vA，vB=vA。

设碰撞之后A向左运动再返回O点的速度大小为vA2，对此过程由动能定理得-2μmgL=mv2A2-mv2A1，解得：v2A2=v2A1-4μgL=（）2vA2-4μgL。

要使A落在B落点的右侧，需满足vA2>vB，即v2A2>vB2，则有（）2vA2-4μgL>（vA）2，解得v2A>μgL。将vA=代入得h>μL。

由（2）的结论vx2=，可得当物体落在P（2μL，μL）点时，在O点平抛的初速度大小满足：vx2=2μgL。

要使A和B均能落在弧形轨道上，因vA2>vB，故只要A能落在弧形轨道上，B就一定能落在弧形轨道上，所以需满足v2A2≤v2x，即（）2vA2-4μgL≤2μgL，解得h≤[3（）2+1]μL。

则A下滑的初始位置距x轴高度的取值范围为：μL

【提示】此题考查对复杂的运动形式分析处理，难度较高，计算推演有一定难度，涉及动能定理、平抛运动的分解、弹性碰撞，建议考生理解相关物理规律的来龙去脉，对弹性碰撞的结果在自行推导后熟记下来，以便在考场上节约时间。

四、2022年高考物理备考建议

1.物理概念和规律是高中物理的基础性内容，是学生形成和深化物理观念的重要途径。高考物理命题依据课程标准，贴近中学物理教学实际，创设典型的问题情境，考查学生对基本物理概念、物理规律全面深刻的理解和掌握。笔者建议，同学们可以结合教材，将物理概念、规律自行梳理一遍，整理在笔记上，构建知识网络。

2.高考物理试题善于理论联系实际，设计与生产实践、体育运动、科技前沿等方面紧密联系的真实情境，考查学生灵活运用所学物理知识分析解决问题的能力，目的是激发学生学习物理的兴趣，引导学生注重學以致用。笔者建议同学们多关注“窗外事”，如奥运会、国家科技突破等，平时多从物理解读去分析，也可有针对性做一些联系实际的物理题目，提高分析能力。

3.高考物理试题通过丰富试题的呈现形式、设置新颖的问题角度等方式，增强试题的灵活性，考查学生的推理能力、分析综合能力、应用数学处理物理问题的能力等，目的是引导教学，减少死记硬背和“机械刷题”现象，引导学生培养关键能力和学科素养。平时复习时，同学们一定要知道知识的来龙去脉，重在理解与推理，记忆一定是在理解基础之上的。对于复杂的问题，可拆解成一个一个小问题处理;每做完一道解答题，可以尝试总结一下该题考查的知识点。

总之，高考试题侧重考查基础，善于以新情境形式呈现，灵活多变。在复习备考中，我们尽力做到知识框架完整，概念清晰，对规律理解到位，多尝试举一反三，具体问题具体分析，尽可能地适应新高考要求，在高考中取得令自己满意的成绩。