2021年高考理綜甲、乙卷天體運(yùn)動(dòng)試題評(píng)析與啟示

許冬保 朱文惠

摘 要：2021年高考全國(guó)理綜甲、乙卷分別對(duì)天體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了考查.甲卷在展示我國(guó)航天技術(shù)成就的同時(shí)，要求估算“天問(wèn)一號(hào)”遠(yuǎn)火點(diǎn)距離;乙卷在介紹2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)的同時(shí)，要求估算銀河系中黑洞的質(zhì)量.兩題在方法立意及學(xué)科素養(yǎng)的要求上驚人相似.同為單項(xiàng)選擇題，均考查生活實(shí)踐情境，并對(duì)開(kāi)普勒定律進(jìn)行考查.在建構(gòu)模型、推理論證等關(guān)鍵能力及學(xué)科核心素養(yǎng)方面的考查層級(jí)基本相同.研究試題，知微見(jiàn)著，給教學(xué)的啟示有：走出考綱，走進(jìn)課程標(biāo)準(zhǔn);建構(gòu)模型，發(fā)展科學(xué)思維;推理論證，提高推演能力.

關(guān)鍵詞：高考理綜;試題評(píng)析;模型建構(gòu);推理論證

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）17-0044-03

作者簡(jiǎn)介：許冬保（1963-），男，江西九江人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，中學(xué)特級(jí)教師，研究方向：物理考試命題及其評(píng)價(jià);

朱文惠（1965-），男，江西贛州人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：中學(xué)數(shù)學(xué)教育.

2021年高考全國(guó)理綜甲、乙卷中分別出現(xiàn)了天體運(yùn)動(dòng)試題.兩道試題情境、設(shè)問(wèn)不同，但立意與學(xué)科素養(yǎng)的要求驚人相似.兩道試題均為單項(xiàng)選擇題，均以生活實(shí)踐情境（科技發(fā)展前沿）呈現(xiàn)，均對(duì)開(kāi)普勒第三定律進(jìn)行考查，建構(gòu)模型、推理論證等關(guān)鍵能力及學(xué)科核心素養(yǎng)方面的考查層級(jí)基本相同.研究試題，知微見(jiàn)著，2021年天體運(yùn)動(dòng)試題帶給我們哪些方面的教學(xué)啟示呢？

1 全國(guó)甲卷試題分析

1.1 試題呈現(xiàn)

全國(guó)高考理科綜合甲卷第18題，原題如下：

2021年2月，執(zhí)行我國(guó)火星探測(cè)任務(wù)的“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器在成功實(shí)施三次近火制動(dòng)后，進(jìn)入運(yùn)行周期約為1.8×105s的橢圓形停泊軌道，軌道與火星表面的最近距離約為2.8×105m.已知火星半徑約為3.4×106m，火星表面處自由落體的加速度大小約為3.7m/s2，則“天問(wèn)一號(hào)”的停泊軌道與火星表面的最遠(yuǎn)距離約為

A.6×105m B.6×106m

C.6×107m D.6×108m

1.2 試題分析

不計(jì)火星自轉(zhuǎn)，在火星表面自由落體的物體，有 GMmR2=mg.

對(duì)于橢圓形停泊軌道，半長(zhǎng)軸a為

式中，R=3.4×106m，d1=2.8×105m，d2為軌道與火星表面的最遠(yuǎn)距離.

對(duì)于繞火星做圓周運(yùn)動(dòng)的探測(cè)器而言，由萬(wàn)有引力定律及牛頓運(yùn)動(dòng)定律，有

由開(kāi)普勒第三定律知，對(duì)于橢圓軌道，圓周半徑r等于橢圓軌道半長(zhǎng)軸a.聯(lián)立解得

1.3 試題評(píng)價(jià)

試題以我國(guó)“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器成功發(fā)射為依托，主要考查“科學(xué)思維”學(xué)科素養(yǎng)中的模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證等要素.試題涉及萬(wàn)有引力定律、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、開(kāi)普勒第三定律及圓周運(yùn)動(dòng)等內(nèi)容，要求考生具有一定的理解能力、推理論證能力、模型建構(gòu)能力以及數(shù)學(xué)運(yùn)算能力.

1.4 試題背景

在世界航天史上，“天問(wèn)一號(hào)”不僅在火星上首次留下中國(guó)人的印跡，而且首次成功實(shí)現(xiàn)了通過(guò)一次任務(wù)完成火星環(huán)繞、著陸和巡視三大目標(biāo)，充分展現(xiàn)了中國(guó)航天人的智慧，標(biāo)志著我國(guó)在行星探測(cè)領(lǐng)域跨入世界先進(jìn)行列.

“天問(wèn)一號(hào)”的成功發(fā)射，標(biāo)志著我國(guó)航天事業(yè)在自主創(chuàng)新、跨越發(fā)展中所取得的重大成就.在航天發(fā)展史上，“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)實(shí)現(xiàn)了6個(gè)首次.即首次實(shí)現(xiàn)地火轉(zhuǎn)移軌道探測(cè)器發(fā)射;首次實(shí)現(xiàn)行星際飛行;首次實(shí)現(xiàn)地外行星軟著陸;首次實(shí)現(xiàn)地外行星表面巡視探測(cè);首次實(shí)現(xiàn)4億公里距離的測(cè)控通信;首次獲取第一手的火星科學(xué)數(shù)據(jù)[1].

2 全國(guó)乙卷試題分析

2.1 試題呈現(xiàn)

全國(guó)高考理科綜合乙卷第5題，原題如下：

科學(xué)家對(duì)銀河系中心附近的恒星S2進(jìn)行了多年的持續(xù)觀測(cè)，給出1994年到2002年間S2的位置如圖1所示.科學(xué)家認(rèn)為S2的運(yùn)動(dòng)軌跡是半長(zhǎng)軸約為1000AU（太陽(yáng)到地球的距離為1AU）的橢圓，銀河系中心可能存在超大質(zhì)量黑洞.這項(xiàng)研究工作獲得了2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).若認(rèn)為S2所受的作用力主要為該大質(zhì)量黑洞的引力，設(shè)太陽(yáng)的質(zhì)量為M，可以推測(cè)出該黑洞質(zhì)量約為

A.4×104M B.4×106M

C.4×108M D.4×1010M

2.2 試題分析

設(shè)地球繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的半徑為r，周期為T(mén).由萬(wàn)有引力定律及牛頓運(yùn)動(dòng)定律，有

設(shè)黑洞質(zhì)量為M′，恒星S2的質(zhì)量為m，繞黑洞做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑為r′.同理，有

設(shè)恒星S2繞黑洞做橢圓運(yùn)動(dòng)的半長(zhǎng)軸為a.由開(kāi)普勒第三定律知，對(duì)于橢圓軌道，r′=a.

據(jù)題意，恒星S2繞黑洞做橢圓運(yùn)動(dòng)，由圖1可知，S2運(yùn)動(dòng)周期T′≈2002-1994×2y=16y.

2.3 試題評(píng)價(jià)

本題是一道聯(lián)系實(shí)際的情境化選擇題，主要考查考生“科學(xué)思維”學(xué)科素養(yǎng)中的模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證等要素.試題涉及引力定律、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、開(kāi)普勒第三定律、圓周運(yùn)動(dòng)等知識(shí).要求考生能夠運(yùn)用所學(xué)概念和規(guī)律分析解決實(shí)際問(wèn)題.

試題以2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)為依托，信息新穎、情境別致.要求能通過(guò)簡(jiǎn)化的天體運(yùn)動(dòng)模型求得黑洞的質(zhì)量.試題所給數(shù)據(jù)真實(shí)，符合實(shí)際情況.試題以恒星S2繞黑洞運(yùn)動(dòng)的時(shí)間標(biāo)度呈現(xiàn)觀測(cè)信息，基于極坐標(biāo)下，極角的變化獲得周期.該題對(duì)考生收集信息、分析論證、模型建構(gòu)等方面的能力進(jìn)行有效的考查.

2.4 試題背景

2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了三位獲獎(jiǎng)?wù)?英國(guó)物理學(xué)家羅杰·彭羅斯證明黑洞是廣義相對(duì)論的直接產(chǎn)物;德國(guó)科學(xué)家賴(lài)因哈德·根策爾和美國(guó)科學(xué)家安德烈婭·蓋茲則發(fā)現(xiàn)，在銀河系的中心，有一個(gè)看不見(jiàn)的、質(zhì)量極大的天體控制著周邊恒星的軌道，該天體的唯一解釋就是一個(gè)超大質(zhì)量黑洞.

在近30年的觀測(cè)中，根策爾和蓋茲的團(tuán)隊(duì)不斷完善觀測(cè)技術(shù)，追蹤觀測(cè)區(qū)域內(nèi)眾多恒星中一批最亮恒星的運(yùn)動(dòng)軌跡.其中一顆恒星在不到16年的時(shí)間內(nèi)完成了圍繞星系中心的完整運(yùn)行，科學(xué)家們得以繪制出它的完整軌道.兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在數(shù)十年如一日的觀測(cè)后得出一致結(jié)論：銀河系中心存在一個(gè)質(zhì)量非常大且看不見(jiàn)的天體，在不超過(guò)太陽(yáng)系的空間中聚集了約400萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量，使周邊恒星急速旋轉(zhuǎn).這個(gè)看不見(jiàn)的天體，即黑洞[2].

3 教學(xué)啟示

兩道試題均以最新國(guó)內(nèi)、外科技發(fā)展的成果為載體，考查天體運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，試題所給數(shù)據(jù)真實(shí)，最后結(jié)果均為估算，是近年高考天體運(yùn)動(dòng)試題中比較精彩的試題，給我們今后的物理教學(xué)帶來(lái)重要的啟示.

3.1 走出考綱 走進(jìn)課程標(biāo)準(zhǔn)

2021年高考全國(guó)理綜甲、乙卷天體運(yùn)動(dòng)試題，均涉及開(kāi)普勒第三定律的應(yīng)用.然而，在2019年以前的考試大綱中，開(kāi)普勒第三定律未列入考查內(nèi)容.多年來(lái)高考命題堅(jiān)守不超越考綱的原則，開(kāi)普勒第三定律從未在全國(guó)高考試卷中出現(xiàn).而今年該知識(shí)點(diǎn)的出現(xiàn)，表明今后的高考命題不再囿于傳統(tǒng)意義下的考試大綱的約束.事實(shí)上教育部考試中心自2019年之后不再頒布考試大綱，顯然命題設(shè)計(jì)與此是相匹配的.

物理課程標(biāo)準(zhǔn)在選修1模塊中，基于“物理學(xué)與人類(lèi)認(rèn)識(shí)”主題下的內(nèi)容要求中明確指出：“了解古希臘的宇宙觀與中國(guó)古代的宇宙觀.了解哥白尼日心說(shuō)對(duì)宇宙觀的沖擊.了解開(kāi)普勒定律對(duì)牛頓發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律的重要作用[3].”可見(jiàn)，開(kāi)普勒定律是課程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的學(xué)習(xí)內(nèi)容.

綜上，開(kāi)普勒定律的考查，意味著傳統(tǒng)考綱約束下的命題已成為過(guò)去，以后的高考命題將以課程標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的內(nèi)容為考查范圍.因此，走進(jìn)課程標(biāo)準(zhǔn)，基于核心素養(yǎng)統(tǒng)領(lǐng)下的課程改革、教學(xué)改革已成定勢(shì).

3.2 建構(gòu)模型 發(fā)展科學(xué)思維

科學(xué)思維是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的抽象概括過(guò)程.在物理學(xué)中，建構(gòu)模型是一種重要的科學(xué)思維方法.模型建構(gòu)作為一種認(rèn)識(shí)手段和思維方式，是學(xué)生根據(jù)研究問(wèn)題和情境，在對(duì)客觀事物進(jìn)行抽象概括的基礎(chǔ)上構(gòu)建易于研究的、能反映事物本質(zhì)特征和共同屬性的理想模型、理想過(guò)程、理想實(shí)驗(yàn)和物理概念的過(guò)程.建構(gòu)模型有助于幫助學(xué)生抓住事物的關(guān)鍵要素，加深對(duì)概念、過(guò)程和系統(tǒng)的理解，形成系統(tǒng)思維[4].

天體運(yùn)動(dòng)中的模型主要有，天體的自轉(zhuǎn)模型、行星（或衛(wèi)星）模型、同步衛(wèi)星模型以及多星模型等.在教學(xué)中要讓學(xué)生體會(huì)建構(gòu)物理模型的思維方法，理解物理模型的適用條件，能通過(guò)建構(gòu)物理模型來(lái)研究實(shí)際問(wèn)題，在教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷物理概念的建構(gòu)過(guò)程和物理規(guī)律的形成過(guò)程，是發(fā)展科學(xué)思維的重要途徑.

甲卷考查了不計(jì)自轉(zhuǎn)條件下，行星表面重力與引力的關(guān)系模型及“天問(wèn)一號(hào)”在停泊軌道上運(yùn)動(dòng)的模型;乙卷考查了恒星S2繞黑洞運(yùn)動(dòng)及地球繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的模型.此外，在建構(gòu)相關(guān)運(yùn)動(dòng)模型的過(guò)程中，必須明確天體的質(zhì)點(diǎn)模型.可以說(shuō)，自然科學(xué)的發(fā)展是相關(guān)模型不斷建構(gòu)、批判、修正、重構(gòu)的過(guò)程;而物理問(wèn)題的分析就是建構(gòu)模型、應(yīng)用模型的過(guò)程.在教學(xué)中模型建構(gòu)表現(xiàn)在能夠分析模型所涉及的各個(gè)要素及其結(jié)構(gòu)，使用模型解釋物理現(xiàn)象和過(guò)程，闡明物理概念和原理，在真實(shí)的情境中具有構(gòu)建模型的意識(shí)和能力等[4].因此，新課程理念下，建構(gòu)模型的教學(xué)理應(yīng)受到關(guān)注和重視.

3.3 推理論證 提高推演能力

物理課程標(biāo)準(zhǔn)指出：科學(xué)思維包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素，科學(xué)思維包含的要素是構(gòu)建物理科考試關(guān)鍵能力的重要基礎(chǔ).在高考評(píng)價(jià)體系中，將科學(xué)思維中的科學(xué)推理、科學(xué)論證合并為“推理論證能力[5]”.

科學(xué)推理不僅包括邏輯上的歸納推理、演繹推理及類(lèi)比推理，而且包括分析與綜合、抽象與概括、比較與分類(lèi)等思維方式，還包括控制變量及組合推理、概率推理、相關(guān)推理、因果推理等推理形式.科學(xué)論證要求考生具有使用科學(xué)證據(jù)的意識(shí)和能力，能運(yùn)用證據(jù)對(duì)研究的問(wèn)題進(jìn)行描述、解釋和預(yù)測(cè)[4].

甲卷中半長(zhǎng)軸的計(jì)算及萬(wàn)有引力定律、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、開(kāi)普勒第三定律及圓周運(yùn)動(dòng)等知識(shí)的綜合應(yīng)用，推理得出“天問(wèn)一號(hào)”的停泊軌道與火星表面的最遠(yuǎn)距離，由于結(jié)果為1位有效數(shù)字，因此，通過(guò)推理論證、近似估算即可獲得答案;乙卷中恒星S2繞黑洞運(yùn)動(dòng)周期是關(guān)鍵證據(jù)，要求考生具有強(qiáng)烈的證據(jù)意識(shí)，通過(guò)觀察從題給的圖示中獲取答案，所考查的知識(shí)點(diǎn)與甲卷基本相同.考生的文字推理及數(shù)據(jù)計(jì)算能力普遍較低，這是不爭(zhēng)的事實(shí).兩道試題均要求考生具有一定的推理論證與數(shù)學(xué)推演的能力.同時(shí)，數(shù)學(xué)運(yùn)算能力與信心在考生答題中同樣重要.教學(xué)中針對(duì)學(xué)生的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)當(dāng)重視和加強(qiáng)文字推演及數(shù)據(jù)運(yùn)算能力的提高.

參考文獻(xiàn)：

[1]趙藝涵.“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器成功完成首次火星探測(cè)任務(wù)[J].中國(guó)設(shè)備工程，2021（05）：3.

[2]蔡榮根，曹利明，李理，楊潤(rùn)秋.時(shí)空奇點(diǎn)和黑洞——2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)解讀[J].物理，2021（01）：11-18.

[3]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[4]廖伯琴.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2018.

[5]程力，李勇.基于高考評(píng)價(jià)體系的物理科考試內(nèi)容改革實(shí)施路徑[J].中國(guó)考試，2019（12）：38-44.

（收稿日期：2021-06-19）