基于“四层”“四翼”的2023年新高考重庆卷第15题评析

杨昌兴　元星　沈晨　张倩

摘   要：基于“四层”“四翼”两个维度对2023年新高考重庆卷第15题进行深入分析。该题以带电粒子在电场、磁场和真空中的运动为学习探索的问题情境，考查学生对物理概念、规律和模型的理解及应用，考查模型建构、科学推理及论证等物理学科关键能力。题目设问层次分明，既注重基础性，又重视综合性、应用性，凸显了创新性，体现出较强的选拔作用。通过对第15题的研究，针对其命题特点和意图给出教学启示，为新高考背景下的物理教学备考提供有益参考。

关键词：新高考物理；四层；四翼；试题分析

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）5-0047-6

《中国高考评价体系》已成为指导我国高考内容和命题改革的测评体系，“一核四层四翼”构成其基本内涵。其中，“一核”为核心功能，即“立德树人、服务选才、引导教学”；“四层”为考查内容，即“核心价值、学科素养、关键能力、必备知识”；“四翼”为考查要求，即“基础性、综合性、应用性、创新性”［1］。

2023年新高考重庆卷第15题以一种新型粒子加速器的理想模型为情境，提取加速器模型中的电磁场约束条件，设置了带电粒子在电场、磁场和真空中的运动问题，考查内容广泛。本文从高考评价体系视角，基于“四层”“四翼”两个评价维度对该题进行深入分析，为新高考背景下的物理教学备考提供借鉴。

1    题目再现及思路点拨

1.1    题目再现

某同学设计了一种粒子加速器的理想模型。如图1所示，xOy平面内，x轴下方充满垂直于纸面向外的匀强磁场，x轴上方被某边界分成两部分，一部分充满匀强电场（电场强度方向与y轴的负方向成α角），另一部分无电场，该边界与y轴交于M点，与x轴交于N点。只有经电场到达N点、与x轴正方向成α角斜向下运动的带电粒子才能进入磁场。从M点向电场内发射一个比荷为的带电粒子A，其速度大小为v0、方向与电场方向垂直，仅在电场中运动时间T后进入磁场，且通过N点时的速度大小为2v0。忽略边界效应，不计粒子重力。

（1）求角度α及M、N两点的电势差。

（2）在该边界上任意位置沿与电场垂直方向直接射入电场内的、比荷为的带电粒子，只要速度大小适当，就能通过N点进入磁场，求N点的横坐标及此边界方程。

（3）若粒子A第一次在磁场中运动时磁感应强度大小为B1，以后每次在磁场中运动时磁感应强度大小为上一次的一半，则粒子A从M点发射后，每次加速均能通过N点进入磁场。求磁感应强度大小B1及粒子A从发射到第n次通过N点的时间。

1.2    思路点拨

（1）不计重力的带电粒子A在M点以速度v0垂直电场射入，仅在电场力作用下做类平抛运动，经时间T以2v0的速度通过N点进入磁场。粒子从M到N的类平抛过程，其运动轨迹如图2所示。由几何关系可得：cos2α==，故α=30°；根据动能定理有qUMN=m（2v0）2-m（v0）2，求出电势差UMN=。

（2）带电粒子在电场中都做类平抛运动，题干又给出“只有经电场到达N点、与x轴正方向成α角斜向下运动的带电粒子才能进入磁场”，说明粒子的速度偏转角都相同。根据平抛运动的二级结论，即速度偏转角的正切值等于位移偏转角正切值的两倍（tanα=2tanθ），如图3所示。所以，粒子从边界任何位置射出后，运动到N点的位移偏转角也为定值，即该电场边界一定是过M、N两点的直线，因此找出M、N两点的位置坐标，即可求出边界方程。

方法一：类平抛运动的一般解法。粒子A的运动分解为沿着v0方向的匀速直线运动和电场方向的匀加速直线运动，分别记为x'和y'，如图4所示。

2    试题评析

2.1    “四层”考查内容的描述性分析

“四层”是考查内容，更是素质教育目标在高考中的提炼。高考通过“四层”规定命题内容，评价考生素质内涵［1］。

2.1.1    必备知识

图10是本题所考查的必备知识。本题涉及运动观、相互作用观以及能量观三大物理观念，考查了静电场力、洛伦兹力、电势差和电场力做功等基本概念，考查了匀速直线运动、类平抛运动和匀速圆周运动等基本模型，考查了动能定理、类平抛运动规律和带电粒子在匀强磁场中的运动规律等基本规律，考查了运动的合成与分解、类比迁移等基本方法，以及数学知识在物理学中的运用。可以看出，本题涉及知识都为高中物理主干知识，考查较为丰富与全面。

2.1.2    核心价值

本题表面上是以一种新型粒子加速器的理想模型为学习探索问题情境，但其本质是设置带电粒子在一定约束条件下在匀强电场、磁场和真空中的运动问题。解题时学生应透过现象挖掘本质，这是以对“学生世界观和方法论”的考查落实“核心价值”。

2.1.3    学科素养

本题对“学科素养”的考查，主要在“学习掌握”和“思维方法”上。要求学生根据具体问题情境的需要，获取关键信息；运用类比、建模等思维方法，建立所学知识与陌生情境之间的内在联系，以此对问题进行求解。例如，本题中可以把带电粒子在匀强电场中的运动类比为斜面上的类平抛运动模型，又根据题干分析得到带电粒子的速度偏转角一定这一隐含关键信息，结合平抛运动中速度偏转角与位移偏转角之间的关系，得到电场边界方程为过M、N两点的直线，以及第三问中的几何关系和时间关系。

2.1.4    关键能力

依据《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》［2］和《中国高考评价体系说明》［1］，高考物理学科考查的关键能力包括理解能力、推理论证能力、模型建构能力、实验探究能力、创新能力 5 种关键能力［3］。本题对“关键能力”的考查，表现在“理解”“推理论证”“模型建构”“创新”4个方面。除此之外，本题还特别要求学生具备运用数学手段解决物理问题的能力。

（1）理解能力

学生应能够阅读和理解题目文本、符号和公式，并能从复杂、陌生的情境中提取有效信息，调动思维，透过现象看到粒子加速器的本质，发现隐含的物理规律及原理。

（2）模型建构能力

学生需要在解决问题中识别、构建正确的物理模型。本题研究的是不计重力的带电粒子在匀强电场、磁场和真空中的运动模型。其中，因为电场强度的方向与初速度的方向始终垂直，所以带电粒子在电场中的运动可处理成类平抛运动模型。带电粒子在单边有界匀强磁场中，其运动方向和磁场方向垂直，洛伦兹力提供向心力，故带电粒子在磁场区域内做匀速圆周运动。带电粒子射入真空中后是匀速直线运动模型。

（3）推理论证能力

学生需要从已有的信息和已学的知识出发，经由准确、充分的证据链和清晰、严密的逻辑链，推导出合理的结论。本题中的具体表现有，第二问中电场边界方程的求解过程，电场边界是过M、N两点的直线的证明过程；第三问中通过分析带电粒子在单边有界匀强磁场中运动模型的规律，得到带电粒子在真空中做匀速直线运动的方向的过程，以及分析归纳得出带电粒子在电场、磁场和真空中的运动时间成等比规律等都需要学生具备较高的推理论证能力。

（4）创新能力

学生需要能在复杂、新颖的情境中，从多个视角独立思考，灵活地、创造性地运用不同方法，发散地解决新问题。本题中具体体现在，运用类平抛运动的一般解法、或一般曲线运动的合成与分解法、或解析法求解电场边界方程。

（5）运用数学解决物理问题的能力

本题要求学生能根据题设条件，结合运动分析，运用数形结合思想，通过寻找带电粒子在电场、磁场及真空中运动的位移关系、速度关系、角度等几何关系，确定带电粒子在电场中运动的解析方程，确定带电粒子在磁场中的运动半径及时间。还要求学生能具备较强的数学归纳、分析和计算能力，从而求出带电粒子做周期性运动的时间。

2.2    “四翼”考查要求描述性分析

“四翼”是素质教育的评价维度在高考中的体现，也是实现对高考试题质量有效评价的基本指标［1］。

2.2.1    基础性

基础性体现在本题考查的知识点都属于中学物理的主干知识或必备知识，考查的三个物理模型都是高中阶段典型的基本模型。

2.2.2    综合性

综合性体现在本题以新颖、复杂的情境为载体，综合考查了运动、相互作用及能量三大物理观念；综合考查了匀速直线运动、类平抛运动、匀速圆周运动三大物理模型；综合考查了电势差、运动的合成与分解等多个知识点；综合考查了模型建构、推理论证等多种关键能力和学科素养。要求学生能综合运用物理学的概念、规律分析问题和解决问题，做到知识、能力和素养的融会贯通。

2.2.3    应用性

应用性体现在粒子加速器这一模型在现代科学的发展中有着举足轻重的作用，是我们打开微观世界大门的必备工具，在高能物理、量子物理等领域有着广泛应用。

2.2.4    创新性

创新性试题是以两个或两个以上的情境为载体，通过设置新颖的试题呈现方式和设问方式，同时考查多个知识点或技能［4］。本题以带电粒子在电场、磁场以及真空中的多种运动情境为载体，每个情境蕴含多个知识与技能，相互影响，综合运用，属于创新性试题。另一方面，第二问的多解性也体现出该题的开放性与探究性，凸显创新性。

3    教学启示

3.1    精细化物理规律、模型的理解和应用

基础知识、规律和模型不仅是解决物理问题的第一步，也是处理综合类试题的核心要素，更是形成物理观念的基石。所以在教学过程中，教师应当引导学生细化、深化对物理概念、规律和模型的理解，对相关知识融会贯通，并逐渐形成对物理的结构性、整体性认识。针对某一具体的物理模型，教师不仅要引导学生熟练地掌握其基本解法，还应要求学生对该模型的变式进行研究和解读，把每一物理模型“吃深”“吃透”，能够做到模型的迁移与应用。物理模型或物理规律的二级结论能够帮助我们减少思维过程，减轻计算量，因此教师在高三复习过程中要督促学生掌握二级结论的推导过程并熟练应用。

3.2    提升学生审题能力

以情境承载考查内容，实现考查要求已成为新高考命题的基本特征和要求。考生对情境理解的透彻程度影响考生对试题的完成程度，所以能够快速准确审题显得尤为重要。教师可以引导学生从以下三个关键点入手，提升学生的审题能力：①进行精准的过程分析——准确分析出物体的运动过程与受力特点，并与所掌握的物理知识建立联系，为构建物理模型提供基础；②进行缜密的条件分析——理清并记录条件，方便找寻各物理量之间的关系；③进行关键信息的提取——如“恰好”“刚刚”“才能”“只有”等。

3.3    注重物理学科关键能力的培养

新高考命题改革最显著的特征就是实现从“考知识”向“考能力”的转变。因而在备战高考的教学中，教师要鼓励学生多角度主动思考、深入探究，发现新问题，找出新规律；要引导学生减少死记硬背和“机械刷题”，培养模型建构、逻辑推理论证等高阶思维能力和知识迁移应用能力；要让学生在质疑讨论中构建物理学科的知识结构、方法体系、模型系统，培养学生的质疑和创新能力。教师还要尽可能地重现物理实验的探究过程，提高学生的实验探究能力。

3.4    增强运用数学知识解决物理问题的能力

“应用数学处理物理问题的能力”一直是高考选拔学生的重要内容，也是物理学科核心素养的基本要素。在平时的教学中，教师可以多让学生动手计算，增强学生的心算、估算和笔算能力，提高计算速度和准确性，提高学生数学计算能力。碰到有难度的物理问题时，教师要引导学生运用物理思维，注意数形结合、函数解析等数学思想方法解决问题。教师还可以通过Geogebra、几何画板、多媒体等现代化技术有意识地培养学生的空间想象能力。

参考文献：

［1］教育部考试中心.中国高考评价体系说明［M］.北京：人民教育出版社，2019.

［2］中华人民共和国教育部. 普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［3］程力，李勇.基于高考评价体系的物理科考试内容改革实施路径［J］.中国考试，2019（12）：38-44.

［4］张红洋，张婧婧.高考物理试题的情境化特征研究［J］.物理教师，2022，43（3）：75-79.

（栏目编辑    陈  洁）

收稿日期：2023-09-26

作者简介：杨昌兴（1998-），男，中学二级教师，主要从事高中物理教学工作。