科技情境类试题的命题特点及解题策略

胡道成

(贵州省威宁县毕节第三实验高级中学)

随着国家教育政策和考试评价体系的不断变化,情境化试题已成为高考物理命题的必然趋势。情境化试题通过创设真实的生产生活、科技创新、体育运动等情境,提出实际问题,让学生在实际问题的解决过程中展现自己的核心素养,既为高校选拔出具有发展潜能的高素质人才,也为知识取向教学转向素养导向教学、落实立德树人教育根本任务指引了方向。科技情境类试题频繁出现在高考物理试题和一些省市的模拟试题中,这类试题以科技领域的真实情境为测试载体,以物理学科核心素养为测试宗旨,聚焦关键能力、学科素养和思维品质的考查,能较好地契合新课程改革理念及新高考评价体系的要求,也能反映科技领域最新的研究成果,从而引导考生树立民族自信心与自豪感,是高考不断强化育人功能,系统地加强考试内容的思想教育和价值引领的具体表现。现结合实例剖析科技情境类试题的一些命题特点,探索对应的一些解题策略,以期对高考备考复习有所裨益。

一、主要考查提取、加工物理信息与联结必备知识的能力

以密切联系生产、生活的科技应用为载体,运用文字、图片、数据、图表等形式来承载物理模型和必备知识,并给出辅助公式以呈现解题信息,通过设计问题任务,将不同的物理量联系起来,以开阔学生物理视野,启迪学生科学思维,考查学生完整提取、加工物理信息与联结物理必备知识的能力。

【例1】(陕西省宝鸡千阳县中学2023届模考题)为了测量某化工厂的污水排放量,技术人员在该厂的排污管末端安装了如图1所示的流量计,该装置由绝缘材料制成,长、宽、高分别为a=1 m、b=0.2 m、c=0.2 m,左、右两端开口,在垂直于前、后面的方向加磁感应强度为B=1.25 T的匀强磁场,在上、下两个面的内侧固定有金属板M、N作为电极,污水充满装置以某一速度从左向右匀速流经该装置时,用电压表测得两个电极间的电压U=1 V。且污水流过该装置时受到阻力作用,阻力Ff=kLv,其中比例系数k=15 N·s/m2,L为污水沿流速方向的长度,v为污水的流速。下列说法中正确的是

图1

( )

A.金属板M电势不一定高于金属板N的电势,因为污水中负离子较多

B.污水中离子浓度的高低对电压表的示数也有一定影响

C.污水的流量(单位时间内流出的污水体积)Q=0.16 m3/s

D.为使污水匀速通过该装置,左、右两侧管口应施加的压强差为Δp=1 500 Pa

【点评】本题考查电磁流量计,教材上的电磁流量计是圆管,只要测出管壁上关于圆管轴线对称的两点间的电势差,即可求出管中液体的流量。这里则是立方体形状的电磁流量计,题中给出了阻力表达式,增设了“离子浓度”“压强差”两个问题,考生需要完整地提取出题给信息,将电压表示数、流速、流量、阻力、压强等物理量联系起来,而“电压稳定后离子做匀速运动,电场力与洛伦兹力相等”则是解决问题的“必备知识”,要以此结论作为未知量与已知量的“桥梁”,解题时要善于围绕这个重要结论来通过物理公式将新增的物理量结合起来,才能最终找到待求量与所有已知量之间的联系。

二、主要考查学生解读情境素材、建立物理模型的能力

命题者将需要考查的必备知识通过物理模型加载到新颖的科技情境中,实现了试题的情境化过程,考生需要通过现场学习,对科技情境进行识别、比较、简化、抽象和提炼,从而“还原”为自己熟悉的物理模型,撕开情境化试题的神秘面纱,实现试题的去情境化,把陌生的科技情境还原为自己熟悉的纯物理问题情境。通过解读情境素材、建立物理模型,运用物理观念和科学思维能力来寻找解题突破口。

【例2】(2023年陕西省咸阳市模拟题)舰载机电磁弹射是现在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。某同学自己设计了一个如图2甲所示的电磁弹射系统模型。该弹射系统工作原理如图2乙所示,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,同时对动子施加一个回撤力F,在t3时刻撤去力F,最终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图像如图2丙所示。已知模型飞机起飞速度v1=40 m/s,t1=1.5 s,t2=2.0 s,线圈匝数n=50匝,每匝周长l=1 m,动子和线圈的总质量m=5 kg,线圈的电阻R=0.5 Ω,R0=4.5 Ω,B=0.1 T,不计空气阻力和飞机起飞对动子运动速度的影响,求:

甲

(1)动子和线圈向前运动的最大位移;

(2)回撤力F与动子速度v大小的关系式;

(3)图2丙中v2的数值。(保留2位有效数字)

【点评】本题中的“辐向磁场”是学生感到很陌生的模型,其实,开关S与1接通时通过恒流源给线圈提供电流,若对线圈进行分割,建立“导体微元”就能弄清其所受安培力的“状态模型”;开关S掷向2接通定值电阻,则又属于“导体棒切割磁感线运动”而产生感应电动势,动子在“辐向磁场”施加的安培力与外加回撤力F作用下做匀减速运动的“过程模型”。这里完全可以直接从图2丙中的v-t图线入手,摆脱图甲的情境给自己带来的巨大心理冲击,从图中提取出“动子将飞机推动到最大速度后减速返回”这个信息,而图中的t2时刻表示动子和线圈速度为零,显然是返回点,所以可由图像信息直接求动子和线圈向前运动的最大位移。t1～t2时间内动子和线圈(相当于导体棒)向右运动,安培力与回撤力都向左,t2时刻以后安培力反向,根据牛顿第二定律即可找到回撤力F与动子速度v大小的关系式。t3时刻撤去力F,则成为“单杆模型”的非匀减速运动,动量定理就是解题的基本工具。面对陌生的科技情境,首先要冷静下来,识别其物理模型,消除心理上的恐惧感,相信“新题不难”,逐渐找到电磁感应现象中的基本规律和常用公式,就会在“山重水复疑无路”的新情境中,逐渐找到“柳暗花明又一村”的熟题感。

三、主要考查学生运用数学知识进行推理、论证与求解能力

应用数学知识处理物理问题的能力一直是高考物理的重要内容,要求考生能根据具体的物理情境,找出物理问题并根据物理定理、定律等列出物理量之间的关系式,把物理条件通过几何、三角函数、代数、解析几何等数学知识转换成数学方程,再运用数学知识进行推理、论证与求解而得出结果,或是直接用图像解决问题,必要时还要对所得结果进行物理化的解释或取舍。

图3

(1)通过磁分析器选择出来的离子的比荷;

(2)偏转系统仅加电场时,离子在穿越偏转系统中沿电场方向偏转的距离;

(3)偏转系统仅加磁场时,离子注入晶圆的位置坐标(x,y)(用长度R1、R2及L表示)。

图4

四、主要考查学生对物理思想方法的领悟能力与实验探究能力

物理实验的思想、方法是实验探究能力的灵魂,历史上许多实验的设计思路非常别致,实验原理、思想和方法可谓精彩绝伦,而许多实验仪器的工作原理、使用方法又属于科技创新的典型例子。引导学生灵活地运用学过的一些理论、实验方法、仪器去研究某些未知的物理问题,或者从物理学史上的精美实验中去领悟一些物理思想,把它迁移到其他领域去解决一些没有做过的实验中的某些问题,是培养学生实验探究能力的有效途径,也完全符合高考命题“服务选才,引导教学”的命题要求,所以命题专家会在非实验题中考查学生的物理思想方法领悟能力与实验探究能力。

【例4】(2023年北京市朝阳区质量检测题)密立根油滴实验将微观量转化为宏观量进行测量,揭示了电荷的不连续性,并测定了元电荷的数值。实验设计简单巧妙,被称为物理学史上最美实验之一。该实验的简化装置如图5甲所示。水平放置、间距为d的两平行金属极板接在电源上,在上极板中间开一小孔,用喷雾器将油滴喷入并从小孔飘落到两极板间。已知油滴带负电。油滴所受空气阻力f=6πrηv,式中η为已知量,r为油滴的半径,v为油滴的速度大小。已知油的密度为ρ,重力加速度为g。

甲

(1)在极板间不加电压,由于空气阻力作用,观测到某一油滴以恒定速率缓慢下降距离L所用的时间为t1,求该油滴的半径r;

(2)在极板间加电压U,经过一段时间后,观测到(1)问中的油滴以恒定速率缓慢上升距离L所用的时间为t2。求该油滴所带的电荷量Q;

(3)实验中通过在两极板间照射X射线不断改变油滴的电荷量。图5乙是通过多次实验所测电荷量的分布图,横轴表示不同油滴的编号,纵轴表示电荷量。请说明图乙中油滴所带电荷量的分布特点,并说明如何处理数据进而得出元电荷的数值。

(3)电荷量的分布呈现出明显的不连续性,这是量子化的表现。根据图5乙中数据分布的特点,可将电荷量数值近似相等的数据分为一组,求出每组电荷量的平均值,再对各平均值求差值。在实验误差允许范围内,若发现各平均值及差值均为某一最小数值的整数倍,则这个最小数值即为元电荷的数值。

【点评】密立根油滴实验巧妙地将微观量转化为宏观量进行测量,本题引导中学物理教学要带领学生“重走”科学家们的“发现之旅”,让学生领悟物理思想方法的重要价值。板间未加电压时油滴向下做匀速直线运动,建立球体匀速运动模型,根据所给公式结合平衡条件即可求出油滴半径;板间加电压时,油滴匀速缓慢上升,也是一种平衡状态,通过列出电场力与重力和阻力的平衡关系即可计算油滴的电荷量;而元电荷的计算则要求出电荷量的平均值及其差值,并且平均值与差值要是某一最小数值的整数倍,才能确定这个最小数值为元电荷的电荷量,这是计算微小量的一种科学思维方法。