建立高中物理学科核心素养的捷径——学会在收集错题中“淘金”

甘肃 任耀金

自新课标、新教材、新高考实施以来,高中物理教学要建立学生的学科核心素养,这不但对教师的教学能力有了更高要求,对学生的“学习能力”要求也提高了,通俗理解“中学生的学习”不外乎是模仿、练习达到低通路迁移。由于物理学科难度大、知识点涉及面广、概念抽象、实验与理论性强、运用数学知识解决问题能力要求高等特点,导致学生对物理的学习存在很多困扰。当下培养学生的学习能力是一线教师重要的研究项目,教师要引导学生克服困难,帮助学生收集错题,指导学生在错题中分析原因、反思、总结、归纳、更正。大量实践证明,做好错题集、用好错题集不单是任材使能的有效途径,更是在教学中培养学生学习能力的捷径。笔者结合多年教学实践,把2022年全国及各省高考试题中部分题目进行分析、归纳错因,以供借鉴。

一、错题常见类型及原因分析

1.审题马虎

物理考试中审题能力很关键,审题中对细节、暗示、关键词的把握和领会常常是破题的关键。因此,在平时一定要养成良好的审题习惯,题目中关键字词要勾画出来。物理题目中常见的关键字词有:光滑、粗糙、水平、竖直、倾斜、忽略、不计、匀速、匀加速、相对静止、一起运动、缓慢、刚好、恰好、可能、最大、最小、最高点、最低点、至少、最初、最终、最后、自由、正比于等。

【例1】(2022·全国乙卷·16)如图1所示,固定于竖直平面内的光滑大圆环上套有一个小环,小环从大圆环顶端P点由静止开始自由下滑,在下滑过程中,小环的速率正比于 ( )

图1

A.它滑过的弧长

C.它到P点的距离

D.它与P点的连线扫过的面积

【错解】设圆环下降的高度为h,根据机械能守恒定律得mgh＝mv2,解得v＝。

故选B。

【错误原因】小环从固定于竖直平面内的光滑大圆环的顶端P点由静止开始自由下滑,就直接想到符合机械能守恒定律的条件,因此直接套用熟悉的公式,而忽视问题是小环的速率正比于哪个物理量,没有多加思考正比的关系,形成错误。

【正解】如图2所示,设圆环下降的高度为h,圆环的半径为R,此时圆环到P点的距离为L,根据机械能守恒定律得mgh＝mv2,由几何关系可得h＝Lsinθ,sinθ＝,联立可得h＝,则v＝,故C正确,ABD 错误。

图2

【评析】对解决竖直平面内圆周运动的两种模型——绳模型和杆模型,把握清楚关键知识点后一定要看题目问什么,不能只是把熟悉的公式代入计算,而不仔细审题,解决这类题目一定要分析关键字词的物理意义和对应的数学关系。

在光源的选择上，首先需要考虑激光的波长对系统的影响.如图7所示，分别以常用的中心波长为325 nm、488 nm和632 nm的单色激光作为光源，在matlab中画出归一化光强随腔长变化的曲线.根据式(2)可得，光强的极大值和极小值分别为

2.概念模糊、混淆不清

学好高中物理,概念理解非常重要,通俗地说,物理学是要讲“理”的学科。因此,教师在教学中不仅要向学生讲清楚物理知识“是什么”,更为重要的是向学生讲清楚物理知识的“为什么”。遗憾的是,部分学生只知道物理知识“是什么”,根本不知道物理知识的“为什么”。要加强学生对以下概念的理解和区分:质点和一般物体、路程和位移、时间和时刻、速度和加速度、关系图像和实际轨迹、变化量和变化率、合力和分力、平均速度和平均速率、合运动和分运动、匀加速和匀速、超重失重和重力变化、天体半径和轨道半径及天体间距离、点电荷和一般带电体、匀强电场和一般电场、一般卫星和同步卫星、电场强度和电势及电势差、电容和电容器、电阻和容抗及感抗、功率和效率、电功和电热、磁通量和磁感应强度、基本粒子和宏观颗粒、轻杆模型和轻绳模型、电离和跃迁、反射和折射、动量和冲量等。

【例2】(2022·广东卷·5)目前科学家已经能够制备出能量量子数n较大的氢原子。氢原子第n能级的能量为,其中E1＝－13.6eV。图3是按能量排列的电磁波谱,要使n＝20的氢原子吸收一个光子后,恰好失去一个电子变成氢离子,被吸收的光子是 ( )

图3

A.红外线波段的光子 B.可见光波段的光子

C.紫外线波段的光子 D.X 射线波段的光子

【错解】要使处于n＝20的氢原子吸收一个光子后失去一个电子变成氢离子,只要吸收光子的能量值远大于E＝eV＝0.034eV,故选D。

【错误原因】学生对本题恰好失去一个电子变成氢离子,也就是吸收光子后刚好电离的临界值模糊不清。

【正解】要使处于n＝20的氢原子吸收一个光子后恰好失去一个电子变成氢离子,则需要吸收光子的能量为E＝eV＝0.034eV,则被吸收的光子是红外线波段的光子。故选A。

【评析】要正确解答此类题目,首先对物理中重要概念理解透彻、常见易混淆概念要清晰,本题的电离和跃迁及临界值要把握准确。

3.规律、定律和特征把握不准

熟练掌握中学物理定理、规律及物理模型的特征,是学好中学物理的重要环节。很多错题是对定理、定律及模型规律把握不准造成的,以下是高中物理中要熟练掌握的常见事物的特征和模型的规律:匀速运动和匀变速运动规律,平衡状态、静电平衡、热平衡、弹簧瞬时变化的特征、牛顿运动定律、机械能守恒定律、能量守恒定律、万有引力定律、动量守恒定律、电荷守恒定律、法拉第电磁感应定律、闭合电路欧姆定律、理想气体实验定律、楞次定律、动量定理和动能定理、光电效应规律等。

【例3】(2022·山东卷·2)我国多次成功使用“冷发射”技术发射长征十一号系列运载火箭。如图4 所示,发射仓内的高压气体先将火箭竖直向上推出,火箭速度接近零时再点火飞向太空。从火箭开始运动到点火的过程中( )

图4

A.火箭的加速度为零时,动能最大

B.高压气体释放的能量全部转化为火箭的动能

C.高压气体对火箭推力的冲量等于火箭动量的增加量

D.高压气体的推力和空气阻力对火箭做功之和等于火箭动能的增加量

【错解】B或C或D

【错误原因】对能量守恒定律把握不准而选择B;对动量定理把握不准而选择C;对动能定理把握不准而选择D。

【正解】火箭从发射舱发射出来,受竖直向下的重力、竖直向下的空气阻力和竖直向上的高压气体的推力作用,且推力大小不断减小。刚开始向上运动的时候,高压气体的推力大于向下的重力和空气阻力之和,故火箭向上做加速度减小的加速运动;当向上的高压气体的推力等于向下的重力和空气阻力之和时,火箭的加速度为零,速度最大;当向上的高压气体的推力小于向下的重力和空气阻力之和时,火箭向上做加速度增大的减速运动,直至速度为零,故当火箭的加速度为零时,速度最大,动能最大,故A 正确;根据能量守恒定律,可知高压气体释放的能量转化为火箭的动能、火箭的重力势能和内能,故B错误;根据动量定理,可知合力的冲量等于火箭动量的增加量,故C 错误;根据功能关系,可知高压气体的推力和空气阻力对火箭做功之和等于火箭机械能的增加量,故D 错误。

【评析】当做加速运动的物体加速度为零时,物体的速度最大、动能最大;由能量守恒定律可知,高压气体释放的能量应等于火箭所有获得的能量总和;由动量定理可知,合外力的冲量等于研究对象动量的变化;由功能关系可知,除重力和系统内弹力之外的力做功等于机械能的增量。

4.方法运用不当

物理解题中灵活选择方法很重要,方法得当,事半功倍、错误率低。如共点力平衡问题常可选择正交分解法、相似三角形法、图解法归纳巧用;计算位移时可选择匀变速直线运动的基本公式及推论法、图像法、平均值法、平均速度法、动能定理法要归纳巧用;计算加速度时可选用牛顿运动定律、匀变速直线运动规律、图像法、实验数据获得。

【例4】(2022·全国乙卷·15)如图5,一不可伸长轻绳两端各连接一质量为m的小球,初始时整个系统静置于光滑水平桌面上,两球间的距离等于绳长L。一大小为F的水平恒力作用在轻绳的中点,方向与两球连线垂直。当两球运动至二者相距时,它们加速度的大小均为 ( )

图5

【错解】部分同学看到本题题目是动态变化,就无从下手,故胡乱猜测答案为B或C或D。

【错误原因】没有明确本题是平衡问题,导致方法使用不当而出错。

图6

【评析】本题虽然没有明确字词说明是平衡问题,但是可在两球运动至二者相距时刻看成是平衡问题进行处理,从而选择正交分解法解答。

5.运用数学知识解决物理问题能力欠佳

数学知识在中学物理中应用非常广泛,运用数学知识解决物理问题的能力也是高考考查的主要能力之一,数学功底直接决定物理解题的正确率。如利用数学中函数图像理解物理图像中物理量间的含义;三角形知识和三角函数知识是解答力学平衡问题常用的方法;极限思想是解决临界问题的常用方法;向量运算是解决物理中矢量运算的知识依据;对称法、极值法、微元法、等效替代法等在中学物理中广泛应用,这些都源于对数学知识的累积。

二、结束语

在物理学习和备考复习中出错是财富,发现错误才知道自身的不足。为了“活化”错题集在物理学习和高考复习中的功效,一定要正确对待错题,只有这样错题才能越来越少。错题集的使用也需要灵活,需因人而异才能发挥它的最大效能。利用好错题集不但能使学生正确对待错误、提高学习和复习效率,还能提高物理学科核心素养及思维品质,改正马虎的毛病,准确理解概念、快速提高学习能力。因此,学会在错题集中“淘金”是物理教学中建立学科核心素养和高考复习中能力培养的捷径。