例谈高考试题对中学物理教学的反馈作用——以2022年高考全国甲、乙卷物理试题为例

江西 许冬保

«中国高考评价体系»(以下简称«评价体系»)指出,高考的考查目的是“立德树人、服务选才、引导教学”。它是对素质教育中高考核心功能的高度概括,回答“为什么考”的问题。2022年全国高考理综物理试题,高度契合高中课程改革的培养目标和评价目标。试题在完成选拔任务的同时,对基础教育具有重要的反馈作用,本文试浅谈之。

1 以我国科研成果为载体,引导关注现代社会

【例1】(2022·全国乙卷·14)2022 年3 月,中国航天员翟志刚、王亚平、叶光富在离地球表面约400km 的“天宫二号”空间站上通过天地连线,为同学们上了一堂精彩的科学课。通过直播画面可以看到,在近地圆轨道上飞行的“天宫二号”中,航天员可以自由地漂浮,这表明他们 ( )

A.所受地球引力的大小近似为零

B.所受地球引力与飞船对其作用力两者的合力近似为零

C.所受地球引力的大小与其随飞船运动所需向心力的大小近似相等

D.在地球表面上所受引力的大小小于其随飞船运动所需向心力的大小

【分析评价】试题考查对万有引力定律的简单应用,主要考查学生的理解能力。航天员在空间站中所受地球引力提供其做圆周运动所需的向心力。因此,引力等于向心力。然而试题选项C中,为何出现“近似”二字?

(1)地球并非是严格意义下的惯性参考系。航天员除受地球引力作用外,还需考虑惯性离心力。

(2)“天宫二号”所受地球引力大小及其运行速率均会发生扰动,并非恒定值。

(3)由于“天宫二号”离地面约400km,除受到引力外,还会受到非引力作用。如地球周围残余大气的阻力、太阳光的压力等。实际中的航天员是处于微重力环境。

【反馈作用】试题以航天员在“天宫二号”中漂浮为情境,考查对航天器中失重现象本质的理解,展示我国在航空航天领域取得的重大成果,增强学生的民族自信心和自豪感。试题难度虽小,但文字表述严谨,符合学科的特点。教学反馈作用主要表现为,在中学教学中,坚持立德树人,引导学生关注现代社会、科技发展取得的成就,特别是我国所取得的重大科研成果;对物理概念与规律的教学,要坚持理论性与实践性、基础性与严谨性相统一的教学策略。

2 以演示实验情境为载体,渗透重视实验教学

【例2】(2022·全国甲卷·24)将一小球水平抛出,使用频闪仪和照相机对运动的小球进行拍摄,频闪仪每隔0.05s发出一次闪光。某次拍摄时,小球在抛出瞬间频闪仪恰好闪光,拍摄的照片编辑后如图1 所示。图1 中的第一个小球为抛出瞬间的影像,每相邻两个球之间被删去了3个影像,所标出的两个线段的长度s1和s2之比为3∶7。重力加速度大小取g＝10m/s2,忽略空气阻力。求在抛出瞬间小球速度的大小。

图1

【分析评价】试题以频闪照片为载体,考查对平抛运动规律的应用。学生可在水平方向与竖直方向建立相关方程求解。设计实践探索情境,有利于体现对学生的模型建构、推理论证以及实验探究等关键能力的考查。

【反馈作用】该题以实验为背景创设问题情境,体现了实践应用能力考查的广度。试题提供了使用频闪仪和照相机探究平抛运动初速度的思路,引导学生关注实验操作,理解技术发展对物理学的作用,渗透实验教学的意义。再如全国乙卷第18题,由智能手机中的磁传感器测量某地磁感应强度,要求学生根据题中给出的测量结果论证测量地点、地磁场方向等,让学生体会科学技术对生活和学习的影响,有利于提升学生对物理实验探究的兴趣,发展学生的证据意识,突出实验的教学功能和教学价值。

3 以竞赛类试题情境为载体,显化科学方法教育

【例3】(2022·全国甲卷·18)空间存在着匀强磁场和匀强电场,磁场的方向垂直于纸面(xOy平面)向里,电场的方向沿y轴正方向。一带正电的粒子在电场和磁场的作用下,从坐标原点O由静止开始运动。下列四幅图中,可能正确描述该粒子运动轨迹的是 ( )

【分析评价】试题考查带电粒子在复合场中的运动,主要考查“科学思维”学科素养中的科学推理、科学论证以及“物理观念”中的运动与相互作用观念、能量观念。试题涉及受力情况、运动情况以及功能关系的分析,渗透等效思想方法,要求学生有较强的分析、推理能力。

【反馈作用】试题所述情境为物理竞赛中的常规问题情境。一般采用平衡电场力与重力的方法,要求掌握运动合成与分解的思想方法。将带电粒子的运动等效为匀速圆周运动与匀速直线运动的合运动,轨迹线是滚轮线。若电场力大于重力,可能的轨迹线如图2甲、乙所示;若电场力小于重力,可能的轨迹线如图2丙、丁所示。在中学数学课程中,学生已学习滚轮线,因此,学生理解试题的难度不大。从物理科学方法的视角分析,试题涉及定性或半定量分析方法、数学方法及等效转换方法等,以科学方法的应用考查学科关键能力,是高考命题的基本思想。教学中需通过渗透或显化的方式达到科学方法教育的目的。

图2

4 以«课程标准»为命题导向,遵循«评价体系»

【例4】[2022·全国甲卷·33(2)]如图3所示,容积均为V0、缸壁可导热的A、B两汽缸放置在压强为p0、温度为T0的环境中;两汽缸的底部通过细管连通,A汽缸的顶部通过开口C与外界相通:汽缸内的两活塞将缸内气体分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四部分,其中第Ⅱ、Ⅲ部分的体积分别为和。环境压强保持不变,不计活塞的质量和体积,忽略摩擦。

图3

(1)将环境温度缓慢升高,求B汽缸中的活塞刚到达汽缸底部时的温度;

(2)将环境温度缓慢改变至2T0,然后用气泵从开口C向汽缸内缓慢注入气体,求A汽缸中的活塞到达汽缸底部后,B汽缸内第Ⅳ部分气体的压强。

【分析评价】试题考查气体实验定律及一定质量理想气体状态方程的应用。问题(2),研究Ⅱ、Ⅲ两部分气体及Ⅳ部分气体。设当A中的活塞到达汽缸底部时Ⅳ中气体的压强为p,此时气体体积为V,则Ⅱ、Ⅲ两部分气体被压缩的体积为V0－V,则对Ⅱ、Ⅲ两部分气体及气体Ⅳ,根据一定质量的理想气体状态方程得

本题研究对象多,气体状态的确定容易出现错误,但该题整体难度不大。

【反馈作用】该题为选考试题,对教学有何影响呢? 该题的出现可能具有重要意义。众所周知,以三维课程目标为课程改革方向的高考新课程卷,始于2007 年宁夏卷,在2007—2021这15年里,教育部考试中心命制的全国新课程高考卷、新课程高考Ⅰ卷、Ⅱ卷、Ⅲ卷以及近年的甲卷、乙卷,长期坚持考查气体的3个实验定律,从未考查一定质量的理想气体状态方程。在一定程度上控制了试题的难度。2019年后«普通高中物理课程标准(2017 年版2020 年修订)»(以下简称«课程标准»)替代了«普通高等学校招生全国统一考试大纲»(以下简称«考试大纲»),2020年、2021年仍然坚持以往的命题风格,试题未超出«考试大纲»范围。2022年试题的变化表明,今后命题不再受制于过去的«考试大纲»,以«课程标准»及«评价体系»为根本依据,将是今后一段时间高考命题的指导思想,这对物理教学具有重要的导向作用。

5 以创新设问方式为依托,引导教学回归本质

【例5】(2020·全国乙卷·22)用雷达探测一高速飞行器的位置。从某时刻(t＝0)开始的一段时间内,该飞行器可视为沿直线运动,每隔1s测量一次其位置,坐标为x,结果如下表所示:

回答下列问题:

(1)根据表中数据可判断该飞行器在这段时间内近似做匀加速运动,判断的理由是:________________________;

(2)当x＝507m时,该飞行器速度的大小v＝_______m/s;

(3)这段时间内该飞行器加速度的大小a＝_________m/s2(保留2位有效数字)。

【分析评价】类比纸带实验,求速度及加速度属于常规问题,但该题的亮点在于匀加速运动的判据。即通过分析与计算可知,相邻1s内飞行器运动的位移之差接近Δx＝80m。由此可判断在误差允许范围内,飞行器做匀加速运动。

【反馈作用】试题为教材中“研究匀变速运动”实验的再现。多年来,该类试题主要考查实验数据的获取及处理,如对给出的纸带按要求编号以及测量计数点间的距离,考查学生的测量及分析数据的能力等。该题设问巧妙,考查学生的证据意识、逐差法的内涵及学科语言表述能力,对中学教学有着重要的指导意义。教学实践表明:目前学生机械刷题现象较为普遍,对于问题解决,往往知其然而不知其所以然。因此,试题要求学生回答飞行器做匀加速运动的判断理由,体现出引导中学教学回归物理的本质。而本题抽样难度为0.36,很难相信实测结果为较难试题。

6 以学习探索情境为载体,引领创新能力教育

【例6】(2022·全国乙卷·25)如图4(a),一质量为m的物块A与轻质弹簧连接,静止在光滑水平面上;物块B向A运动,t＝0时与弹簧接触,到t＝2t0时与弹簧分离,第一次碰撞结束,A、B的v-t图像如图4(b)所示。已知从t＝0到t＝t0时间内,物块A运动的距离为0.36v0t0。A、B分离后,A滑上粗糙斜面,然后滑下,与一直在水平面上运动的B再次碰撞。之后A再次滑上斜面,达到的最高点与前一次相同。斜面倾角为θ(sinθ＝0.6),与水平面光滑连接。碰撞过程中弹簧始终处于弹性限度内。求:

图4

(1)第一次碰撞过程中,弹簧弹性势能的最大值;

(2)第一次碰撞过程中,弹簧压缩量的最大值;

(3)物块A与斜面间的动摩擦因数。

【分析评价】这是一道以学习探索情境为载体的试题。通过理论分析(另撰文论述)可以得到,在碰撞过程中A、B速度表达式分别为

试题的亮点在于如何求得从t＝0到t＝t0时间内两图线所围成的曲边梯形的面积? 该问具有较大的开放性,可选用的方法有函数积分法、弹性势能公式法、图像面积分析法、等效法等。学生大多用后两种分析方法,而后两种方法也演绎出多种不同的思维方法。下面列举其中的两种方法。

方法一:类比人船模型

设某时刻,A、B的速度分别为vA、vB。由动量守恒定律有mvA＋5mvB＝(m＋5m)v0

式中,v0为弹簧压缩至最短时的速度。在A、B相互作用过程中,该式恒成立。亦即上述方程每时每刻均成立,则平均动量守恒,即

因此,在0～t0内,有mxA＋5mxB＝6mv0t0

已知xA＝0.36v0t0,则xB ＝1.128v0t0。当弹簧压缩至最短时,压缩量Δx＝xB－xA＝0.768v0t0

若取小段时间Δt,

即mvA·Δt＋5mvB·Δt＝(m＋5m)v0·Δt

求出该时间段Δt内相应的位移,然后再累积求和,可得到相同的结果。

方法二:从图形面积上突破

将动量守恒表达式mvA＋5mvB＝(m＋5m)v0,变形为

图5

【反馈作用】该题以两体通过弹簧的碰撞以及速度-时间图像为情境,主要考查动量守恒定律、能量守恒定律、牛顿运动定律、函数图像等知识点。要求学生具有清晰、系统的运动与相互作用观念及能量观念。试题重点考查学生的模型建构、科学推理、科学论证及质疑创新等科学思维能力;抽样难度为0.144,属于难题。如上所述,试题第(2)小问,图形面积计算的方法多样,有效地考查了学生的创新能力。在学生的错误解答中,有一类很典型的错误,即通过动能定理建立方程求解。

对于A、B之间的相互作用力用平均力等效,由动能定理有

说明:③式可称之为质心的动能定理形式。若将弹簧与A作为系统建立质点系动能定理方程,应为

④⑥联立可得相同的结果。

综上,解答中①、②的错误具有较大的隐蔽性,错误的原因是认为对A、B的平均力相同,实际上在两个不同的位移上,平均力不相等。

在高中物理课程中,动能定理或功能关系的教学,是重点也是难点。试题分析中选择弹簧与A为研究对象,该对象不能视为质点,因其存在内力做功。而关于质心动能定理表达式中,位移理解为质心位移,而非力的作用点的位移。该题对教学的反馈作用在于,物理学的重要概念与规律应讲清其内涵与外延。质点的动能定理、质点系的动能定理等规律如何在教学中讲清楚、讲到位,值得一线教师进行研究。此外,试题在第(2)中较好地考查了学生的开放性思维,而开放性思维是创新思维的重要组成部分,它要求能够突破传统思维定式和狭隘眼界,多视角、全方位分析与解决问题。该题引导教学中要更加重视对学生的创新精神和创新能力的培养。

«评价体系»是高考命题、评价与改革的理论基础和实践指南。2022年全国高考理综物理试题,高度契合高中课程改革的培养目标和评价目标,对中学物理教学具有十分重要的反馈作用。对于理顺教考关系、实现“以考促教、以考促学”的目的,促进立德树人根本任务的落实具有鲜明的引领作用。