落实核心素养 凸显创新情境——2022年创新高考试题分析及变式展示

浙江 刘银奎 河北 李红波 湖南 杨宗礼

【真题展示1】(2022·浙江卷·21)舰载机电磁弹射是现代航母最先进的弹射技术,我国在这一领域已达到世界先进水平。某兴趣小组开展电磁弹射系统的设计研究,如图1所示,用于推动模型飞机的动子(图中未画出)与线圈绝缘并固定,线圈带动动子,可在水平导轨上无摩擦滑动。线圈位于导轨间的辐向磁场中,其所在处的磁感应强度大小均为B。开关S与1接通,恒流源与线圈连接,动子从静止开始推动飞机加速,飞机达到起飞速度时与动子脱离;此时S掷向2接通定值电阻R0,同时施加回撤力F,在F和磁场力作用下,动子恰好返回初始位置停下。若动子从静止开始至返回过程的v-t图如图2所示,在t1至t3时间内F＝(800－10v)N,t3时撤去F。已知起飞速度v1＝80m/s,t1＝1.5s,线圈匝数n＝100匝,每匝周长l＝1m,动子和线圈的总质量m＝5kg,飞机质量M＝10kg,R0＝9.5Ω,B＝0.1T,不计空气阻力和飞机起飞对动子运动速度的影响,求:

图1

图2

(1)恒流源的电流I;

(2)线圈电阻R;

(3)时刻t3。

【创新点说明】选取我国航母电磁弹射技术的发展作为试题情境,情境新颖、科技感强,促进学生对科学、技术、社会、环境之间关系的理解。用较为少见的辐向(径向)磁场代替常见的平行方向磁场,用新颖的立体问题代替常见的平面问题,并结合v-t图像,综合考查安培力和其他力共同作用下的运动规律、电磁感应以及动量定理等核心知识。

【变式】(多选)电磁阻尼器具有噪声小、可靠性高等优点,在电磁制动领域有着广泛的应用。如图3 所示为某一种电磁阻尼器的示意图(纵截面),圆筒状的S磁极与圆柱状的N 磁极产生辐向磁场,其俯视图如图4所示。现有一圆形线圈以初速v0从阻尼器上端的开口处进入,线圈进入辐向磁场后立即做减速运动,线圈平面在下落过程中始终保持水平且不与磁极相接触,已知线圈直径为D,匝数为n,线圈由密度为d、电阻率为ρ、横截面为s0的细金属丝绕制而成,线圈所在位置的磁感应强度大小均为B,当线圈在磁场内下落高度为h时,速度减小到最小值vmin(未知),设磁场区域在竖直方向足够长,重力加速度为g,不计空气阻力和其他一切摩擦阻力。下列说法中正确是 ( )

A.线圈在下落过程中产生的感应电流方向为逆时针(俯视)

C.线圈在下落h的过程中,通过的总电荷量

【答案】BC

【变式说明】本题选取永磁体式电磁阻尼器作为试题情境,考查学生对圆形线圈在辐向磁场中切割磁感线而产生电磁感应现象的理解,考查牛顿运动定律、电磁阻尼、电阻定律、右手定则、动生电动势的计算、闭合电路欧姆定律、感应电荷量的计算等。本题注重对物理观念与科学思维的考查,试题综合性较强、涉及的知识与规律较多,同时对模型建构能力也有较高要求,学生需要建立导体棒切割磁感线模型、闭合电路模型、变加速运动模型、导体电阻计算模型;同时也需运用平均电流计算电量、平均速度计算位移的思维方法。本题以生活情境为命题素材,体现了«中国高考评价体系»中提出的“价值引领、素养导向、能力为重、知识为基”的高考评价理念,充分体现了对学生关键能力的重视和学科核心素养的考查。

【真题展示2】(2022·山东卷·11)如图5所示,某同学将离地1.25m 的网球以13m/s的速度斜向上击出,击球点到竖直墙壁的距离为4.8m。当网球竖直分速度为零时,击中墙壁上离地高度为8.45m 的P点。网球与墙壁碰撞后,垂直墙面速度分量大小变为碰前的0.75倍。平行墙面的速度分量不变。重力加速度g取10m/s2,网球碰墙后的速度大小v和着地点到墙壁的距离d分别为 ( )

图5

【创新点说明】试题将一个斜抛运动(通过逆向思维可以看做是平抛运动)从二维平面转移到了三维空间,通过碰撞将两个过程有机地结合起来,考查了学生的空间想象能力和立体思维。

【变式】某实验小组做风洞实验,俯视图如图6所示,实线表示一竖直墙壁,风力水平向左,他们将一个质量为m＝0.3kg的小球以v0＝5m/s的初速度水平抛出,初速度方向与竖直墙壁的夹角θ＝37°,已知重力加速度g取10m/s2,小球受到的水平风力大小恒为2N,风洞空间足够大,小球运动过程中没有与风洞壁碰撞。下列说法中正确的是 ( )

图6

A.小球做变加速曲线运动

C.当小球在虚线右侧运动的过程中离虚线所在竖直面最远时小球的位移为

D.当小球到达虚线正下方时小球的速率为13m/s

【答案】CD

【变式说明】本题以小球在风洞中的运动为情境,将牛顿运动定律、匀变速直线运动、运动的合成与分解等内容融于一体,考查了学生的理解能力、分析综合能力、推理能力;解决此题需要学生能够在头脑中建立立体情境,考查了学生的空间想象力和对三维坐标系的灵活运用。

【真题展示3】(2022·山东卷·15)某些鱼类通过调节体内鱼鳔的体积实现浮沉。如图7 所示,鱼鳔结构可简化为通过阀门相连的A、B两个密闭气室,A室壁厚,可认为体积恒定,B室壁薄,体积可变;两室内气体视为理想气体,可通过阀门进行交换。质量为M的鱼静止在水面下H处。B室内气体体积为V,质量为m;设B室内气体压强与鱼体外压强相等、鱼体积的变化与B室气体体积的变化相等,鱼的质量不变,鱼鳔内气体温度不变。水的密度为ρ,重力加速度为g。大气压强为p0,求:

图7

(1)鱼通过增加B室体积获得大小为a的加速度,需从A室充入B室的气体质量Δm;

(2)鱼静止于水面下H1处时,B室内气体质量m1。

【创新点说明】本题以鱼在水中的沉浮为情境,将鱼鳔的两个气室进行分割,实现了模型的转化;将气体实验定律与鱼的受力分析和牛顿运动定律相结合,实现了考点的综合,考查了学生的模型建构能力、分析综合能力。

【变式1】“气球小车”是一种深受小朋友喜欢的玩具。如图8所示,一气球小车放在光滑的水平面上,紧挨气球出气口有一固定在桌面上的竖直挡板,打开气球夹子前气球内气体的体积为V,质量为m,压强为1.1p0,气球出气口的截面积为S,打开气球夹子的同时释放小车。在打开夹子的瞬间,气球内气体以初速度v0从出气口喷出,设喷出的气体与挡板作用后瞬间速度减小为零。已知气球小车的质量为M(质量变化忽略不计),大气压为p0且保持不变,忽略气球内气体温度的变化。求:

图8

(1)打开夹子的瞬间气球小车的加速度;

(2)打开夹子一小段时间后气球内气体的压强减为1.05p0,同时气球的体积变为0.5V,设气球喷出气体的平均速度为0.5v0,求此时小车的速度大小。

【变式说明】本题以气球小车的运动为情境,将牛顿运动定律、动量定理、气体实验定律、动量守恒定律等内容有机结合,考查了学生的理解能力、分析综合能力、推理能力;解决此题需要学生理解题干所述的问题情境,考查了学生获取信息的能力和对知识的灵活运用能力。

【真题展示4】(2022·湖南卷·5)2022 年北京冬奥会跳台滑雪空中技巧比赛场地边,有一根系有飘带的风力指示杆,教练员根据飘带的形态提示运动员现场风力的情况。若飘带可视为粗细一致的匀质长绳,其所处范围内风速水平向右、大小恒定且不随高度改变。当飘带稳定时,飘带实际形态最接近的是 ( )

【真题情境再现】

图9

【试题评价】1.本题突出情境的创新,强调知识在实际情境的灵活运用。以北京2022 年冬奥会跳台滑雪空中技巧比赛为情境,通过指示杆的飘带考查物体的平衡及整体法、隔离法和微元法的灵活应用。

2.本题关注时代发展,将学科内容和体育活动紧密结合,充分展示中国元素,提升学生的民族自豪感和自信心,强调育人导向,凸显立德树人。

3.本题以风力指示杆的飘带为研究对象,要求学生判断飘带实际形态,看似常规,但设问角度新颖,要求学生建立物理模型,灵活运用物理知识解决实际问题,对促进学生核心素养的培养和发展具有导向功能。

4.本题不偏不怪,在具体情境中考查学生对物理本质的理解,通过常规方法定量或定性判断并解决问题,起到减少机械刷题现象的引导作用。

5.这是一道运用物理知识解决实际问题的好题。尖子生能找到模型快速解题,一般学生无从下手,乱猜乱填,命题者将正确答案设置为A,一般学生猜对概率会更低。本题具有较强选拔功能,承担了选拔优秀人才的任务。

【变式1】(改编)风洞实验主要用于运动物体(例如汽车等)与空气之间作用力的分析和研究。在风洞实验室中,将两个完全相同的小球用两段轻线连接后悬挂于天花板顶部,两球受到的水平风力相同,两小球处于稳定时,实际形态最接近的是 ( )

图10

【改编意图】本题沿用真题的命题思想,改编试题情境,以风洞实验为情境,考查共点力平衡的综合、整体法和隔离法的灵活应用。

【解析】设上段细线与水平方向夹角为α,每个小球受到的重力为mg,每个小球受到的水平风力为F,以两个小球作为整体,受重力、风力和拉力作用,处于平衡状态,tanα＝;设下段细线与水平方向夹角为β,以下端小球为研究对象,同理可得tanβ＝,则α＝β,故选B。

【答案】B

【变式2】(改编)用两绝缘细线将两个完全相同的金属小球A、B相连并悬挂在O点,两小球分别带有等量异种电荷,A带正电,B带负电,未加电场时,系统在竖直方向处于静止状态,如图11 所示。现加入水平方向向右的匀强电场,当系统处于新的平衡状态时,两小球所处位置可能是( )

图11

【改编意图】改编真题题设条件,要求学生对研究对象能正确进行受力分析,会用整体法与隔离法解答带电物体在电场中的平衡问题,考查学生知识获取能力、迁移能力、思维认知能力。

【解析】先对A、B两球整体受力分析,受总重力2mg,电场力的合力为零,故拉力一定与重力平衡,方向竖直向上,故上段细线呈竖直状态,故AD 错误;再对A球受力分析,受重力、电场力和细线的拉力,由于电场力水平向右,根据三力平衡条件,细线的拉力一定向左上方,故B 错误,C正确。

【答案】C

【教学启示】2022年湖南高考物理试卷严格遵循«课程标准»的考查方向,注重体现物理学科特色,很好地考查了学生对相互作用、能量、运动等物理观念的认识,考查了模型建构、科学推理等科学思维能力及多种实验探究能力,对加强中学物理教学有指导作用,促进对学生物理核心素养的培养,助力学生物理思维能力的提高。

【总结】

1.在教学中,渗透与日常生活相关的情境,要从日常生活生产、体育活动、前沿热点等各方面扩大素材的选取范围,让教学与生活相结合,引导学生运用学过的物理知识解释生活中的现象,应用物理基础知识建立模型,解决实际问题。

2.新高考所带来的试题变化,意味着学生的学习模式需要改变,题海战术、刷题、背套路不再可靠,要领悟物理规律本质,调整学习内容,不能止于教材,要善于思考并拓展。新高考改革下,教师要善于引导,在教学之前要进行深度挖掘,让学生从被动接受型学习转变为主动研究型学习。