夯實(shí)基礎(chǔ)知識(shí),提高核心素養(yǎng)

楊鴻恩

帶電物體在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)是高中物理教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，該問(wèn)題在2022年廣東高考物理試卷中以第14題（15分）的形式出現(xiàn). 通過(guò)對(duì)近幾年高考真題的研究，筆者發(fā)現(xiàn)該問(wèn)題涉及運(yùn)動(dòng)分析，受力分析，電勢(shì)能變化等高中物理主干知識(shí)，并呈現(xiàn)出考察內(nèi)容多、研究對(duì)象多、運(yùn)動(dòng)過(guò)程復(fù)雜的特點(diǎn). 該問(wèn)題的求解對(duì)學(xué)生綜合能力要求高，需要學(xué)生對(duì)主干知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行綜合分析，選取研究對(duì)象，明晰運(yùn)動(dòng)過(guò)程，巧妙獲取有效信息等綜合能力. 這體現(xiàn)了高考題立足于核心素養(yǎng)方面的考查，重點(diǎn)指向物理觀念應(yīng)用、科學(xué)思維和創(chuàng)新能力，有利于引導(dǎo)教師在教育教學(xué)實(shí)踐注重導(dǎo)向核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，實(shí)現(xiàn)立德樹人的教育目標(biāo). 因此，筆者通過(guò)深入分析2022年廣東高考物理試卷第14題，提出幾點(diǎn)教學(xué)啟示，希望能夠?qū)Ω咧形锢斫處煹慕虒W(xué)有所幫助.

一、真題再現(xiàn)

【2022年廣東高考物理14題】（15分）密立根通過(guò)觀測(cè)油滴的運(yùn)動(dòng)規(guī)律證明了電荷的量子性，因此獲得了 1923年 的諾貝爾獎(jiǎng). 圖1是密立 根油滴實(shí)驗(yàn)的原理示意圖，兩個(gè)水平放置、相距為d的足夠 大金屬極板，上極板中央有一小孔. 通過(guò)小孔噴入一些小油滴，由于碰撞或摩擦，部分油滴帶上了電荷. 有兩個(gè)質(zhì)量均為m0、位于同一豎直線上的球形小油滴A和B，在時(shí)間t內(nèi)都勻速下落了距離h1. 此時(shí)給兩極板加上電壓U（上極板接正極），A繼續(xù)以原速度下落，B經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后向上勻速運(yùn)動(dòng). B在勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)間t內(nèi)上升了距離 h2（h1≠h2），隨后與A合并，形成一個(gè)球形新油滴，繼續(xù)在兩極板間運(yùn)動(dòng)直至勻速. 已知球形油滴受到的空氣阻力大小為f =k[m][]v，其中k為比例系數(shù)，m為油滴質(zhì)量，v 為油滴運(yùn)動(dòng)速率. 不計(jì)空氣浮力，重力加速度為g. 求：

（1）比例系數(shù)k;

（2）油滴A、B的帶電量和電性;B上升距離h2電勢(shì)能的變化量;

（3）新油滴勻速運(yùn)動(dòng)速度的大小和方向.

【命題意圖】本題以密立根油滴實(shí)驗(yàn)為命題背景，考查了電場(chǎng)中帶電油滴的受力分析與運(yùn)動(dòng)分析，兩個(gè)研究對(duì)象，不同運(yùn)動(dòng)過(guò)程，考生需要對(duì)兩個(gè)油滴進(jìn)行受力分析，運(yùn)用平衡條件、運(yùn)動(dòng)學(xué)公式以及討論分類來(lái)求解. 該題涉及兩個(gè)油滴不同的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，對(duì)油滴電性的判斷，以及阻力隨運(yùn)動(dòng)速度變化而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)情景分析難度加大，考生需具備較強(qiáng)的思維能力、全面掌握運(yùn)動(dòng)情景和受力情況，深入理解運(yùn)動(dòng)與相互作用的關(guān)系.

二、試題分析及考查能力

1. 試題關(guān)鍵詞句解讀.

①“由于碰撞或摩擦，部分油滴帶上了電荷”其中“部分”這個(gè)詞給出了油滴帶電的可能性，即可能會(huì)帶電，也可能不帶電;“帶上了電荷”表明電性未知，需要學(xué)生猜想或判斷.

②“勻速下落”、“A繼續(xù)以原速度下落，B經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后向上勻速運(yùn)動(dòng)”、“新油滴，繼續(xù)在兩極板間運(yùn)動(dòng)直至勻速”這幾處表述重點(diǎn)提到關(guān)鍵詞“勻速”. 這個(gè)詞是物理知識(shí)中重要的物理概念，是其中的一種平衡狀態(tài)，具有豐富的物理內(nèi)含.

③“（h1≠h2）”這是一個(gè)非常隱蔽的信息，兩次運(yùn)動(dòng)時(shí)間均為t，但是距離卻是不相等，表明運(yùn)動(dòng)速度不相等. 既然距離不相等，就意味著有大小之分，到底是h1>h2還是h1

④“與A合并”說(shuō)明兩油滴會(huì)有相遇并發(fā)生類似完全非彈性碰撞的過(guò)程. 這是一個(gè)信息對(duì)于最終的解答是不是需要分析表述出來(lái)，學(xué)生要做出判斷與選擇.

2. 試題解析與考查能力.

① 由題意可知，油滴A和B在時(shí)間t內(nèi)都勻速下落了距離h1，由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可得：兩個(gè)油滴在未加電壓U前的速度均為v1=. 此時(shí)根據(jù)平衡條件知，m0g=f，又由題干知f1=k[m0][]v1可解得k=

該問(wèn)題比較基礎(chǔ)，學(xué)生利用運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求出速度，根據(jù)勻速運(yùn)動(dòng)，受力平衡，結(jié)合題中的空氣阻力大小表達(dá)式即可算出k. 該問(wèn)題需要學(xué)生認(rèn)真審題，保持清醒頭腦，抓住關(guān)鍵語(yǔ)句，對(duì)新情景問(wèn)題不懼怕，正確理解空氣阻力表達(dá)式的每個(gè)字母意義，考查了學(xué)生的應(yīng)變能力和理解能力.

② 當(dāng)加電壓U后，A繼續(xù)以原速度下落，B經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后向上勻速運(yùn)動(dòng)，因此可見加電壓形成電場(chǎng)對(duì)A是沒(méi)有影響的，油滴A是沒(méi)有帶電的，故電量為0. 油滴B會(huì)經(jīng)歷向下減速后再向上勻速運(yùn)動(dòng)，說(shuō)明加電壓后油滴B應(yīng)該受到向上的電場(chǎng)力，然而電場(chǎng)方向根據(jù)圖中所示兩金屬板上正，下負(fù)，電場(chǎng)方向豎直向下，故油滴B是帶負(fù)電. 接下來(lái)要求出油滴B所帶的電量，雖然油滴B的運(yùn)動(dòng)過(guò)程復(fù)雜，但題中給出這樣的表述“B在勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)間t內(nèi)上升了距離 h2”完全降低了難度，讓學(xué)生只需要再根據(jù)油滴B的勻速過(guò)程分析與第（1）問(wèn)分析方法完全相同.然而需要注意到空氣阻力的方向變?yōu)榱讼蛳?，?dǎo)致平衡方程為：m0g+f1=Eq，油滴B向上勻速運(yùn)動(dòng)的速度為v2=，f2=k[m0][]v2，E=，結(jié)合第（1）問(wèn)求得的k=，綜上可求得：q=.

油滴B上升距離h2電勢(shì)能的變化量直接根據(jù)功能關(guān)系可知：ΔEp=-Eqh2，所以ΔEp=-.

該問(wèn)題中，要求學(xué)生能夠準(zhǔn)確地從兩個(gè)油滴在加電場(chǎng)后運(yùn)動(dòng)描述中獲取信息，從而判斷出帶電的電性，為進(jìn)一步分析受力以及后續(xù)的運(yùn)動(dòng)做好準(zhǔn)備. 學(xué)生解題過(guò)程中遇見困難時(shí)靈活處理，設(shè)適當(dāng)?shù)奈粗?，選擇合理的運(yùn)動(dòng)學(xué)公式，可以得到正確的結(jié)果. 該問(wèn)涉及到物理中的核心內(nèi)容“力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系”，力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，物體的運(yùn)動(dòng)是由力和初速度共同決定的，考查了學(xué)生的運(yùn)動(dòng)觀和相互作用觀，同時(shí)也考查了分析和綜合能力，體現(xiàn)物理高考在考查知識(shí)的同時(shí)注重考查能力，并把對(duì)能力的考查放在首要位置.

③ 當(dāng)兩個(gè)油滴合并成一個(gè)后，新油滴的運(yùn)動(dòng)情況也是比較復(fù)雜的，但問(wèn)題也是只關(guān)注勻速運(yùn)動(dòng)后的速度大小與方向. 這其實(shí)都是為了減輕學(xué)生的分析負(fù)擔(dān)，降低難度，但又有一定的能力要求在于速度方向不同，空氣阻力方向也不同，平衡方程也會(huì)不同. 基于這一點(diǎn)，學(xué)生必須考慮到問(wèn)題分類與討論.

若向上運(yùn)動(dòng)2m0g+f3=Eq，f3=k（2m0[）][]v3，解得v3=? ? （條件h2>h1）.

向下運(yùn)動(dòng)2m0g=Eq+f4，f4=k（2m0[）][]v4，解得v4=（條件h1>h2）.

該問(wèn)要求考生從試題中“形成一個(gè)球形新油滴，繼續(xù)在兩極板間運(yùn)動(dòng)直至勻速”，獲取重要信息“勻速”——再次體現(xiàn)受力平衡條件的應(yīng)用. 質(zhì)量變化，速度變化，空氣阻力變化，唯有電場(chǎng)力不變，這些分析能力的要求對(duì)于在考場(chǎng)緊張作答的學(xué)生來(lái)說(shuō)也是需要謹(jǐn)慎的.本問(wèn)通過(guò)題設(shè)所描述的情景，需要學(xué)生重新對(duì)新油滴作為研究對(duì)象分析，對(duì)可能出現(xiàn)的結(jié)果提出討論的依據(jù)與分類，通過(guò)對(duì)比分析數(shù)學(xué)推理進(jìn)行論證，很好的考查了科學(xué)思維能力方面的核心素養(yǎng).

三、復(fù)習(xí)備考建議

通過(guò)對(duì)2022年廣東高考物理試題第14題的剖析可以發(fā)現(xiàn)，高考物理試題都極為注重核心素養(yǎng)的考查，高考備考不僅是為了考試，更是為了培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力.考題通過(guò)對(duì)主要知識(shí)點(diǎn)、核心概念和基本規(guī)律的考察，同時(shí)著力于對(duì)物理過(guò)程的剖析和物理思維的考察，其實(shí)質(zhì)就是對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的考察，對(duì)于如何培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素質(zhì)，筆者覺得在教育教學(xué)與復(fù)習(xí)備考過(guò)程中可關(guān)注這樣的一些方面：

1. 重抓基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)科學(xué)物理觀念.

在高中物理中，綜合性的物理難題往往是由很多基礎(chǔ)性的問(wèn)題有機(jī)組合而成的. 力學(xué)和電學(xué)的綜合問(wèn)題往往涉及到電磁學(xué)的基本規(guī)律、動(dòng)力學(xué)、能量和動(dòng)量等多方面的知識(shí)，需要學(xué)生熟悉各板塊基本規(guī)律和基礎(chǔ)知識(shí)，準(zhǔn)確處理知識(shí)點(diǎn)關(guān)聯(lián)細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)完美的綜合. 通過(guò)強(qiáng)化物理基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)，理解物理規(guī)律和原理的本質(zhì)，加強(qiáng)學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)的教學(xué)和基本技能的培養(yǎng)，樹立正確的物質(zhì)觀、運(yùn)動(dòng)觀、能量觀和相互作用觀.

2. 重視物理過(guò)程，提高科學(xué)思維能力.

注意研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，訓(xùn)練學(xué)生受力分析與運(yùn)動(dòng)分析的二個(gè)基本技能. 因?yàn)槭芰Ψ治雠c運(yùn)動(dòng)分析都是物理課程的綜合分析問(wèn)題的基礎(chǔ)知識(shí)，在解決綜合問(wèn)題時(shí)必須同步完成.有些題目存在多解的情形，要求學(xué)生分析判斷、演繹與推論等. 在備考中積極指導(dǎo)學(xué)生剖析物理過(guò)程，以訓(xùn)練學(xué)生的邏輯推理能力、分析與綜合能力、以及應(yīng)用數(shù)學(xué)方法解決物理問(wèn)題的能力.

3. 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)探究，提升科學(xué)探究能力.

物理是一門實(shí)驗(yàn)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)過(guò)程就是一個(gè)探究的過(guò)程.密立根油滴實(shí)驗(yàn)就是一個(gè)很好詮釋.當(dāng)時(shí)密立根在測(cè)定出元電荷電量的過(guò)程中，需要有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)分析能力、仔細(xì)的觀察能力、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评砟芰?，這些能力要求就是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的要求. 在學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)中，培養(yǎng)學(xué)生良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，注重小組成員間的合作，共同探究實(shí)驗(yàn)的目的、過(guò)程、操作方法、采集數(shù)據(jù)并處理數(shù)據(jù)得出結(jié)論.尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)，形成科學(xué)態(tài)度，這樣對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的形成就有很好的促進(jìn)作用.

最后，筆者根據(jù)以往教學(xué)發(fā)現(xiàn)“上海市奉賢區(qū)2018學(xué)年度高三第一學(xué)期教學(xué)質(zhì)量檢測(cè)”中有一道題目情景與2022年廣東高考真題極為相似，對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的考查也基本一致，只是廣東高考真題把空氣阻力的表達(dá)式變得復(fù)雜一些，作為相似例題供讀者賞析.

四、相似例題賞析

如圖2所示，密立根油滴實(shí)驗(yàn)的裝置示意圖. 一帶負(fù)電油滴處于水平放置的兩平行金屬板A、B之間. 當(dāng)平行板不帶電時(shí)，油滴由于受到重力作用加速下落，速率變大，受到的空氣阻力也變大，因此油滴很快會(huì)以一恒定速率v1勻速下落.當(dāng)上極板A帶負(fù)電，下極板B帶等量正電時(shí)，兩極板之間形成的電場(chǎng)可看作勻強(qiáng)電場(chǎng)且電場(chǎng)強(qiáng)度為E，該油滴下落的最終速率為v2. 已知運(yùn)動(dòng)中油滴受到的阻力可由公式f=kv計(jì)算（其中k為常數(shù)），速率v1、v2、常數(shù)k、電場(chǎng)強(qiáng)度E均為已知，帶電油滴運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終未觸及極板. 求：

（1）油滴的重力G;

（2）油滴所帶的電量大小q;

（3）若將兩極板A、B上所帶電荷互換，請(qǐng)分析油滴的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并求出最終速率v3.

【解析】

（1）恒定速率v1勻速下落，則由受力平衡知，G=f1=kv1.

（2）電場(chǎng)強(qiáng)度為E方向豎直向上，油滴帶負(fù)電，則受電場(chǎng)力向下，下落的最終速率為v2，即勻速向下，由平衡條件得：qE+G=f2，f2=kv2，聯(lián)立求得：q=.

（3）兩極板A、B上所帶電荷互換，電場(chǎng)方向變?yōu)樨Q直向下，油滴電量不變，所受電場(chǎng)力大小不變，只是方向變?yōu)樨Q直向上. 由于不清楚電場(chǎng)力與重力的大小關(guān)系，此后油滴的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析需要進(jìn)一步討論：

①若qE

②若qE=G，即v2=2v1，油滴先向上做減速運(yùn)動(dòng)至速度為零時(shí)，將停止運(yùn)動(dòng)，最終速率v3=0.

③若qE>G，即v2>2v1，油滴先向上做減速運(yùn)動(dòng)至速度為零時(shí)，空氣阻力為零，因?yàn)閝E>G，油滴不會(huì)靜止，繼續(xù)向上加速直到勻速，由平衡條件得：qE=G+f3，f3=kv3，最終速率v3=v2-2v1.

五、練習(xí)

如圖3所示為美國(guó)物理學(xué)家密立根測(cè)量油滴所帶電荷量裝置的截面圖，兩塊水平放置的金屬板間距為d. 油滴從噴霧器的噴嘴噴出時(shí)，由于與噴嘴摩擦而帶負(fù)電. 油滴散布在油滴室中，在重力作用下，少數(shù)油滴通過(guò)上面金屬板的小孔進(jìn)入平行金屬板間. 當(dāng)平行金屬板間不加電壓時(shí)，由于受到氣體阻力的作用，油滴最終以速度v1豎直向下勻速運(yùn)動(dòng);當(dāng)上板帶正電，下板帶負(fù)電，兩板間的電壓為U時(shí)，帶電油滴恰好能以速度v2豎直向上勻速運(yùn)動(dòng). 已知油滴在極板間運(yùn)動(dòng)時(shí)所受氣體阻力的大小與其速率成正比，油滴密度為ρ，已測(cè)量出油滴的直徑為D（油滴可看做球體，球體體積公式V=πD3），重力加速度為g.

（1）設(shè)油滴受到氣體的阻力f=kv，其中k為阻力系數(shù)，求k的大小;

（2）求油滴所帶電荷量.

【參考答案】

（1）k=πρD3g

（2）q=

責(zé)任編輯 李平安