高考物理江蘇卷回旋加速器“三部曲”的賞析與啟示

蔣霖峰 陸建隆

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院,江蘇 南京 210097)

·高考命題研究·

高考物理江蘇卷回旋加速器“三部曲”的賞析與啟示

蔣霖峰 陸建隆*

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院,江蘇 南京 210097)

縱覽近40年的高考物理試題發(fā)現(xiàn),帶電粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)一直是考查重點(diǎn),而以回旋加速器為試題情景更是高頻發(fā)生．本文以2009、2011、2016高考物理江蘇卷中三道回旋加速器計(jì)算題為例,賞析其在能力立意下傳統(tǒng)模型的創(chuàng)新和物理原汁原味的體現(xiàn),在此基礎(chǔ)上探討進(jìn)一步提高高中物理教學(xué)與復(fù)習(xí)質(zhì)量的建議．

高考物理江蘇卷;回旋加速器;帶電粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng);物理教學(xué)建議

1 引言

一年一度的高考出現(xiàn)了許多優(yōu)秀試題,他們?cè)诮K端檢驗(yàn)高中教學(xué)質(zhì)量和科學(xué)區(qū)分考生能力從而選拔人才的同時(shí),為我們的教學(xué)研究提供了很好的平臺(tái)和切入點(diǎn)．

自1977年恢復(fù)高考以來(lái),縱覽1978—2016年的近40份高考物理真題江蘇卷(2004年以前為全國(guó)卷或教育部單為江蘇命制的卷,2004年以后則為江蘇省獨(dú)立命題)發(fā)現(xiàn),關(guān)于帶電粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)一直是高考考查的重點(diǎn)．近40份的高考真題卷中,有25份以計(jì)算題的形式考查了帶電粒子在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的相關(guān)知識(shí),尤其從2003年以來(lái),每年都會(huì)有相應(yīng)的計(jì)算題出現(xiàn),分值趨于穩(wěn)定,大約為全卷總分值的15%,體現(xiàn)終端評(píng)價(jià)對(duì)該部分內(nèi)容的重視程度．縱覽這些真題卷,發(fā)現(xiàn)在題干敘述方面亦有鮮明的特色變化,2000年之前的真題卷不重視試題情景的構(gòu)建,題干敘述顯得較理論化,缺乏生活氣息．而2000年之后,尤其是江蘇省獨(dú)立命題以來(lái),試題傾向于通過(guò)簡(jiǎn)潔的敘述,為學(xué)生提供一個(gè)真實(shí)的問(wèn)題背景,給考生完成思維任務(wù)或操作活動(dòng)提供一個(gè)平臺(tái),所有考生在這個(gè)平臺(tái)上展現(xiàn)自己解決問(wèn)題的能力．值得關(guān)注的是,2008年高考改革以來(lái)共出現(xiàn)3次以回旋加速器作為該部分計(jì)算題試題情景,且每次都在原有模型上有所創(chuàng)新,得到廣大一線教師的認(rèn)可與好評(píng)．

2 高考物理江蘇卷回旋加速器“三部曲”賞析

回旋加速器作為電磁學(xué)教學(xué)內(nèi)容之一,其在科研、醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用,符合情景化試題的素材要求,其相應(yīng)原理在高中物理教學(xué)中也是電磁學(xué)重點(diǎn)知識(shí)．我們欣喜地注意到近些年來(lái)江蘇卷就以簡(jiǎn)單的回旋加速器模型為例,命制出3道新題(表1),素材選擇的背后是對(duì)回旋加速器“三細(xì)節(jié)”的仔細(xì)考量,從而奏出“回旋加速器三部曲”．

表1 高考物理江蘇卷回旋加速器“三部曲”概述

正如表1所述,在物理教學(xué)中為了讓回旋加速器模型更加簡(jiǎn)單從而簡(jiǎn)化思維過(guò)程,通常對(duì)回旋加速器模型做出簡(jiǎn)化,常見的簡(jiǎn)化有忽略高能粒子的相對(duì)論效應(yīng)、忽略帶電粒子的加速時(shí)間等．這些簡(jiǎn)化隨著時(shí)間的推移在教學(xué)中已形成了“潛規(guī)則”,從而讓部分教師和學(xué)生產(chǎn)生思維定勢(shì):高能粒子就是該忽略相對(duì)論效應(yīng)、帶電粒子的加速時(shí)間當(dāng)然不用考慮等．2009年、2011年和2016年的高考物理江蘇卷就針對(duì)中學(xué)教學(xué)長(zhǎng)期形成的“固化認(rèn)識(shí)”進(jìn)行反撥,從而讓試題情景更具現(xiàn)實(shí)意義,彰顯試題的原汁原味．

2.1 三部曲之一:回旋頻率與加速頻率的匹配

2008年高考新方案的實(shí)施,強(qiáng)化了電磁學(xué)在高中物理教學(xué)的地位,電磁學(xué)部分的計(jì)算也成為3道計(jì)算題中的壓軸題．在當(dāng)時(shí),回旋加速器模型的重要性還沒有引起教師足夠的重視,對(duì)加速度問(wèn)題的考查也基于對(duì)模型的過(guò)多簡(jiǎn)化,例如回旋頻率永遠(yuǎn)與加速電壓的頻率相匹配,這樣一來(lái),粒子每回旋一個(gè)周期將恰好被加速,粒子出射的最大動(dòng)能只取決于磁感應(yīng)強(qiáng)度和D型盒的半徑等外在條件．事實(shí)上,磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大會(huì)導(dǎo)致回旋頻率的增大,從而需要頻率更高的加速電壓與其匹配,在現(xiàn)實(shí)情況中,磁感應(yīng)強(qiáng)度與加速電壓的頻率都有最大值的限制．在2009年的物理高考卷中就考查了這種現(xiàn)實(shí)情況(2009年第14題),讓一線教師充分認(rèn)識(shí)到很多“理所當(dāng)然”的簡(jiǎn)化在高考中會(huì)成為命題切入點(diǎn)．該題背景源于選修3-1課本中回旋加速器的相關(guān)內(nèi)容,考慮到回旋加速器是現(xiàn)代科學(xué)研究和生產(chǎn)中的重要設(shè)備,試題對(duì)回旋頻率與加速頻率匹配這一現(xiàn)實(shí)問(wèn)題做了一次創(chuàng)新性的考查．總的說(shuō)來(lái),本題基于回旋加速器基本工作原理設(shè)置3個(gè)問(wèn)題,第(1)問(wèn)考查考生對(duì)帶電粒子在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理解,較簡(jiǎn)單;第(2)問(wèn)要求考生知道粒子在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)的周期性,通過(guò)求解粒子被加速的總?cè)?shù)得到相應(yīng)結(jié)果;第(3)問(wèn)要求考生知道粒子通過(guò)狹縫一次次被加速的原理,通過(guò)邏輯推理,得到最大磁感應(yīng)強(qiáng)度和最高加速電場(chǎng)頻率之間的約束關(guān)系,分別討論粒子能獲得的最大動(dòng)能.要求考生具有較強(qiáng)的思維能力、綜合分析問(wèn)題的能力和應(yīng)用物理規(guī)律初步解決實(shí)際問(wèn)題的能力,屬較高要求．

本題對(duì)引導(dǎo)中學(xué)物理教學(xué)關(guān)注現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,加強(qiáng)與生產(chǎn)生活的實(shí)際應(yīng)用相聯(lián)系有重要的導(dǎo)向意義.本題的提問(wèn)方式新穎,層次分明,應(yīng)有較高的區(qū)分度.

2.2 三部曲之二:高能粒子相對(duì)論效應(yīng)的取與舍

本題的情景以質(zhì)量的相對(duì)論效應(yīng)為切入點(diǎn),看似超綱實(shí)則完全符合考綱要求,通過(guò)對(duì)相對(duì)論效應(yīng)的簡(jiǎn)化,較好地考查考生的分析綜合能力和應(yīng)用數(shù)學(xué)解決物理問(wèn)題的能力,對(duì)優(yōu)秀學(xué)生有很高的區(qū)分度．這對(duì)引導(dǎo)考生重視基本概念規(guī)律的學(xué)習(xí),摒棄“題海戰(zhàn)術(shù)”、“機(jī)械訓(xùn)練”有積極意義．

2.3 三部曲之三:考慮帶電粒子的加速時(shí)間

根據(jù)中學(xué)階段回旋加速器常規(guī)模型,由于帶電粒子動(dòng)能較大,D型盒之間的縫隙寬度較小,所以將帶電粒子在D型盒之間的加速時(shí)間忽略不計(jì),從而降低學(xué)生的思維層次,簡(jiǎn)化了相應(yīng)的物理模型．考慮現(xiàn)實(shí)情況下的回旋加速器:帶電粒子在D型盒之間的加速時(shí)間會(huì)導(dǎo)致每次回旋周期發(fā)生微小的改變,多次回旋之后,由于累加效應(yīng),回旋周期的改變將會(huì)導(dǎo)致回旋頻率與加速電壓頻率之間發(fā)生相移,從而限制粒子的出射動(dòng)能．在兩次以回旋加速器為考查背景之后,很多一線教師認(rèn)為加速器模型已經(jīng)開發(fā)殆盡,其作為壓軸計(jì)算題出現(xiàn)的可能性不大,但繼第2次考查回旋加速器后的5年,即2016年的江蘇高考物理卷,又以粒子的加速過(guò)程為切入點(diǎn),考慮粒子被加速過(guò)程所需時(shí)間,從而命制出一道區(qū)分度很高的壓軸題(2016年第15題)．本題作為2016年江蘇高考物理卷的壓軸題,在題干敘述中明確強(qiáng)調(diào)“現(xiàn)考慮粒子在狹縫中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間”,這與教學(xué)中常規(guī)加速器模型有很大不同,讓學(xué)生較為陌生,也是本題創(chuàng)新所在．當(dāng)然,本題在對(duì)模型進(jìn)行創(chuàng)新之余也對(duì)其創(chuàng)新之處做了相應(yīng)簡(jiǎn)化,其考慮“能夠出射的粒子每次經(jīng)過(guò)狹縫均做加速運(yùn)動(dòng)”,這讓考查既原汁原味又給考生提供解題“抓手”,規(guī)避部分由于考慮加速時(shí)間所帶來(lái)復(fù)雜情況的討論．基于以上考慮,本題設(shè)置3個(gè)小問(wèn),第(1)問(wèn)是常規(guī)問(wèn)題,難度較小;第(2)、(3)問(wèn)需要考慮粒子被加速時(shí)間不可忽略所帶來(lái)的相移,區(qū)分度較大．

從本題的物理模型可以看出,這是對(duì)回旋加速器模型的再次創(chuàng)新，在課堂教學(xué)中,我們一般不考慮粒子在電場(chǎng)中的加速時(shí)間,但本題以此為切入點(diǎn),考慮粒子在電場(chǎng)中的加速過(guò)程．

圖1 回旋加速器三部曲

如圖1所示，其實(shí)回旋加速器三部曲之間是互相關(guān)聯(lián)而非各自獨(dú)立的,若不考慮帶電粒子在電場(chǎng)中的加速時(shí)間那么將會(huì)導(dǎo)致帶電粒子的相移,從而使得加速頻率與回旋頻率不匹配,另一方面,高能粒子的相對(duì)論效應(yīng)會(huì)使粒子質(zhì)量發(fā)生改變,影響粒子回旋頻率,從而也會(huì)導(dǎo)致加速頻率與回旋頻率不匹配的問(wèn)題．所以,加速頻率與回旋頻率的匹配問(wèn)題是提高加速器效率的終端問(wèn)題,頻率匹配度的提高將會(huì)大幅度提高回旋加速器的效率,這也是在科研活動(dòng)中待解決的問(wèn)題之一．這3道高考題通過(guò)試題情景的構(gòu)建,將傳統(tǒng)模型進(jìn)行創(chuàng)新,為學(xué)生提供現(xiàn)實(shí)的物理問(wèn)題情景,體現(xiàn)了試題的原汁原味,彰顯了試卷的學(xué)科品味與科學(xué)內(nèi)涵,讓學(xué)生在解決真實(shí)問(wèn)題的過(guò)程中展現(xiàn)能力,體會(huì)物理知識(shí)的學(xué)以致用．

3 基于回旋加速器“三部曲”的對(duì)高中物理學(xué)習(xí)與復(fù)習(xí)的一點(diǎn)教學(xué)啟示

江蘇高考物理卷對(duì)回旋加速器的3次考查,表象上意在讓加速器模型更接近現(xiàn)實(shí)情景,彰顯試題的原汁原味;從更深層次的意義上來(lái)說(shuō),是想通過(guò)加速器的3次終端評(píng)價(jià),反撥中學(xué)物理教學(xué)尤其是高三復(fù)習(xí)課教學(xué)的改革深化,在逐步走出題海戰(zhàn)術(shù)的誤區(qū)同時(shí),扎實(shí)推進(jìn)基于物理核心素養(yǎng)的物理教學(xué)．由前面對(duì)基于回旋加速器 “三部曲”試題的分析,有下列啟示供教師們參考．

(1) 深刻領(lǐng)會(huì)高考作為基礎(chǔ)教育終端評(píng)價(jià)對(duì)高中物理教學(xué)改革的反撥作用.

自江蘇省2004年自主命題以來(lái),命題工作已經(jīng)走過(guò)12個(gè)年頭,尤其從2008年“08方案”實(shí)施至今,高考物理江蘇卷已經(jīng)形成其穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)與鮮明的特色,命題質(zhì)量和水平逐步提高．高考作為一項(xiàng)為高等學(xué)校錄取新生服務(wù)的選拔性考試,一直是社會(huì)的熱點(diǎn)問(wèn)題,高考的改革牽動(dòng)著億萬(wàn)百姓的神經(jīng)．高考江蘇卷切合高中課程與教學(xué)改革時(shí)機(jī),堅(jiān)持大膽探索,試題堅(jiān)持能力立意,形成了具有獨(dú)特風(fēng)格的江蘇卷．

以往,人們總是將考試與應(yīng)試教育聯(lián)系在一起,認(rèn)為只要有考試,素質(zhì)教育就不可能實(shí)現(xiàn)．實(shí)則不然,高考作為基礎(chǔ)教育的總指揮棒,一線教師和學(xué)校管理者在指揮棒的引導(dǎo)下安排相應(yīng)教學(xué)任務(wù),若指揮棒指揮合理,將中學(xué)教育向能力培養(yǎng)方向指揮,讓試卷真正能考查出考生的相應(yīng)能力,讓“刷題”也不一定能拿高分,那么一線教師也將會(huì)逐漸摒棄題海戰(zhàn)術(shù),從教學(xué)意識(shí)層面逐步實(shí)現(xiàn)從“應(yīng)試教育”向“素養(yǎng)教育”的轉(zhuǎn)變,這便是高考作為終端評(píng)價(jià)的正向反撥作用,所以一張高質(zhì)量的高考卷將促進(jìn)中學(xué)教育制度的改革,有利于教學(xué)實(shí)踐的優(yōu)化提升．作為中學(xué)教師,應(yīng)該深刻認(rèn)識(shí)到高考對(duì)教學(xué)改革不斷深化的正向作用,在高考物理江蘇卷的核心命題思想和相應(yīng)試卷特色的指導(dǎo)下改進(jìn)教學(xué)工作,切實(shí)提高學(xué)生物理學(xué)習(xí)與復(fù)習(xí)的質(zhì)量．

(2) 巧用優(yōu)質(zhì)高考題資源進(jìn)行深度備課從而促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí).

恢復(fù)高考40年、分省命題12年涌現(xiàn)了一大批優(yōu)質(zhì)的高考試題．作為教師,研究這些好題,將好題中的思路方法帶入課堂,將好題的命題思路帶入教研活動(dòng),不僅有利于學(xué)生能力的培養(yǎng)更有利于教師自身的專業(yè)化發(fā)展．近年來(lái)首都師大的邢紅軍教授提出了高端備課的概念,其強(qiáng)調(diào)在教學(xué)設(shè)計(jì)中體現(xiàn)“從物理知識(shí)傳授到物理方法教育,再到物理思想形成的核心理念”,邢紅軍教授提出的高端備課本質(zhì)上是凸顯科學(xué)方法教育的備課．從中我們可以得到這樣的啟發(fā),物理教學(xué)設(shè)計(jì)一定要有自己的核心理念．那么對(duì)于高三的復(fù)習(xí)課教學(xué),我們自然應(yīng)該凸顯評(píng)價(jià)的正向作用．不可否認(rèn),高三的復(fù)習(xí)教學(xué)就是為了迎戰(zhàn)高考,為了復(fù)習(xí)課的高效開展,從評(píng)價(jià)入手,深入研究高考優(yōu)秀題,做到用一道優(yōu)秀題串起一堂優(yōu)質(zhì)復(fù)習(xí)課．例如帶電粒子在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的復(fù)習(xí)課上,教師可以將高考物理江蘇卷的回旋加速器三部曲作為3個(gè)范例,串起整節(jié)復(fù)習(xí)課,教師通過(guò)對(duì)范例的解讀,培養(yǎng)學(xué)生在近似真實(shí)的情景中解決問(wèn)題的能力,促進(jìn)學(xué)生高效學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)．在此,我們提出高考復(fù)習(xí)課備課的新范式:組織一線教師通過(guò)教研活動(dòng)的形式研究?jī)?yōu)秀高考題,通過(guò)改編、提煉等方式總結(jié)出優(yōu)秀題的思想方法,最后將其帶入課堂．簡(jiǎn)而言之,高三復(fù)習(xí)課的備課應(yīng)該是基于高考評(píng)價(jià)的深度備課．

(3) 積極探索江蘇卷試題特色和變化規(guī)律,力圖使考生的高三復(fù)習(xí)與最后高考無(wú)縫對(duì)接.

從回旋加速器“三部曲”的考查我們可以窺探出一些高考?jí)狠S題的部分命題思路,其針對(duì)平常教學(xué)中常規(guī)的回旋加速器模型進(jìn)行創(chuàng)新:默認(rèn)粒子質(zhì)量不變,卻在2011年高考中考慮了相對(duì)論效應(yīng);默認(rèn)粒子加速時(shí)間不計(jì),卻在2016年高考中考慮了加速時(shí)間帶來(lái)的相移．所以,對(duì)舊素材進(jìn)行深度挖掘,從物理模型的簡(jiǎn)化點(diǎn)入手挖掘命題點(diǎn),將物理模型部分去理想化,從而將舊素材創(chuàng)新化,一道新穎質(zhì)高的試題就誕生了．

切實(shí)領(lǐng)悟到江蘇高考物理卷試題特色和變化規(guī)律的一線教師將會(huì)自然意識(shí)到,在能力立意指導(dǎo)下的高考物理命題旨在反撥高三物理復(fù)習(xí)教學(xué)走出題海戰(zhàn)術(shù)．只有真正讓學(xué)生走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、讓學(xué)生親歷探究過(guò)程、讓學(xué)生解題中體會(huì)學(xué)以致用、讓學(xué)生系統(tǒng)復(fù)習(xí)中感悟到物理對(duì)現(xiàn)代社會(huì)的重要影響,我們的物理教學(xué)與復(fù)習(xí)就真正落實(shí)了基于物理核心素養(yǎng)的教學(xué),我們的考生就能在高考中發(fā)揮出自己的高水平,真正做到贏在高考．

1 張大昌,張維善，等.高中物理選修3-4[M].人民教育出版社,2010:106.

2 邢紅軍.高中物理高端備課[M]. 北京：中國(guó)科技出版社, 2014.

3 江蘇省教育考試院試題分析編寫組.2015年高考(江蘇卷)試題分析[M].南京：東南大學(xué)出版社,2015:107-109.

4 丁岳林.例說(shuō)相移對(duì)回旋加速器的影響[J]. 物理教師, 2012(3)：40-42.

5 黃紅波.物理高考中的試題情境[J]. 物理教師, 2016, 37(6)：83-87.

6 李維兵.對(duì)回旋加速器中運(yùn)動(dòng)軌跡相關(guān)問(wèn)題的分析[J].物理教師，2012(4)：14-15.

7 卞志榮.回旋加速器與高考[J].物理教師，2010(12)：51-52.

2016-08-15)

* 通訊作者：陸建隆，E-mail: 723538706@qq.com.