2021年高考物理試題分析與備考建議

柴天虎

2021年的高考物理試題，不管是新高考卷還是全國卷，都在貫徹落實(shí)《深化新時(shí)代教育評(píng)價(jià)改革總體方案》要求：穩(wěn)步推進(jìn)高考改革，構(gòu)建引導(dǎo)學(xué)生德智體美勞全面發(fā)展的考試內(nèi)容體系，改變相對(duì)固化的試題形式，增強(qiáng)試題開放性，減少同學(xué)們死記硬背和“機(jī)械刷題”的現(xiàn)象。下面，筆者選取了幾道具有代表性的高考真題，與同學(xué)們一起來看看2021年物理試題中高考改革的趨勢(shì)。

一、側(cè)重考查基礎(chǔ)，注意回歸教材

【例1】（2021·全國甲卷）2021年2月，執(zhí)行我國火星探測(cè)任務(wù)的“天問一號(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“天問一號(hào)”的停泊軌道與火星表面的最遠(yuǎn)距離約為（ ）

A.6×105mB.6×106mC.6×107mD.6×108m

【分析】該題需要考生對(duì)開普勒第三定律有較深刻的理解：對(duì)于繞同一中心天體的探測(cè)器（衛(wèi)星），如果周期相等，則軌道半長(zhǎng)軸相等。根據(jù)開普勒第三定律可知，做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星的軌道半徑與“天問一號(hào)”軌道半長(zhǎng)軸相等時(shí)，二者的周期相等。根據(jù)萬有引力提供向心力求出勻速圓周運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星的軌道半徑，即可得到“天問一號(hào)”的長(zhǎng)軸，再根據(jù)幾何關(guān)系求解“天問一號(hào)”的停泊軌道與火星表面的最遠(yuǎn)距離。

【解答】根據(jù)題意可知火星的半徑為R=3.4×106m，軌道與火星表面的最近距離約為h=2.8×105m。設(shè)火星的質(zhì)量為M，“天問一號(hào)”所在橢圓軌道的半長(zhǎng)軸為r。

設(shè)想在火星上方有一顆衛(wèi)星做半徑為r的勻速圓周運(yùn)動(dòng)，根據(jù)開普勒第三定律=k，可知該衛(wèi)星的周期T=1.8×105s。對(duì)該衛(wèi)星，根據(jù)萬有引力提供向心力可得=mr，在火星表面，根據(jù)萬有引力和重力的關(guān)系可得=mg，聯(lián)立解得r≈3.26×107m。

設(shè)“天問一號(hào)”的停泊軌道與火星表面的最遠(yuǎn)距離為H，根據(jù)幾何關(guān)系可得h+2R+H=2r，解得H≈6×107m，故C正確、ABD錯(cuò)誤。

【例2】（2021·新高考Ⅰ卷）如圖1，在（a，0）位置放置電荷量為q的正點(diǎn)電荷，在（0，a）位置放置電荷量為q的負(fù)點(diǎn)電荷，在距P（a，a）為√2q的某點(diǎn)處放置正點(diǎn)電荷Q，使得P點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度為零。則Q的位置及電荷量分別為（ ）

A. （0，2a），√2q B. （0，2a），2√2q

C. （2a，0），√2q D. （2a，0），2√2q

【分析】以坐標(biāo)系設(shè)置點(diǎn)電荷位置為情景，通過點(diǎn)電荷電場(chǎng)疊加，考查庫侖定律、電場(chǎng)強(qiáng)度，側(cè)重考查電場(chǎng)強(qiáng)度的矢量性。

【解答】根據(jù)點(diǎn)電荷的場(chǎng)強(qiáng)公式及平行四邊形定則，可以求出點(diǎn)電荷+q與-q在P點(diǎn)的合場(chǎng)強(qiáng)的大小為E合= 2××cos45°=，方向與-x方向成45°角指向左上方，那么+Q在P點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)與E合大小相等，方向相反。再根據(jù)點(diǎn)電荷的場(chǎng)強(qiáng)公式，可得=E合，代入解得Q=2√2q，方向應(yīng)與+x方向成45°，結(jié)合題意可知+Q應(yīng)在y軸上的（0，2a）位置。故ACD錯(cuò)誤，B正確。

二、創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境，強(qiáng)調(diào)學(xué)以致用

【例3】（2021·新高考Ⅰ卷）我國古代著作《墨經(jīng)》中記載了小孔成倒像的實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)到光沿直線傳播。身高1.6m的人站在水平地面上，其正前方0.6m處的豎直木板墻上有一個(gè)圓柱形孔洞，直徑為1.0cm、深度為1.4cm，孔洞距水平地面的高度是人身高的一半。此時(shí)，由于孔洞深度過大，使得成像不完整，如圖2所示?，F(xiàn)在孔洞中填充厚度等于洞深的某種均勻透明介質(zhì)，不考慮光在透明介質(zhì)中的反射。

（1）若該人通過小孔能成完整的像，透明介質(zhì)的折射率最小為多少？

（2）若讓掠射進(jìn)入孔洞的光能成功出射，透明介質(zhì)的折射率最小為多少？

【分析】本題以小孔成像空洞深度過大為背景，在孔間填入透明介質(zhì)考查光的折射，情境新穎，難點(diǎn)在于畫出符合題意的光路圖。（1）只要頭部能夠在后面成像，則腳也一定能夠成像，畫出光路圖，根據(jù)幾何關(guān)系求解入射角正弦值和折射角的正弦值，根據(jù)折射定律求解折射率;（2）若讓掠射進(jìn)入孔洞的光能成功出射，入射角等于90°時(shí)光線能夠射出，折射率最小，畫出光路圖，求出折射角的正弦值，根據(jù)折射定律求解。

【解答】（1）若該人通過小孔能成完整的像，作出的光路圖如圖3所示（根據(jù)對(duì)稱性可知，只要頭部能夠在后面成像，則腳也一定能夠成像）。

根據(jù)幾何關(guān)系可得sinα=，其中AC=×1.6m=0.8m，DE=1.0cm=0.01m，BO=0.6m。

sinβ=，其中OD=1.4cm=0.014m。

根據(jù)折射定律可得n=，代入數(shù)據(jù)解得n=1.37。

（2）若讓掠射進(jìn)入孔洞的光能成功出射，折射率最小時(shí)光的傳播情況如圖4所示;根據(jù)幾何關(guān)系可得α′=90°，sinβ′=sinβ，根據(jù)折射定律可得n′=，解得n′=1.72。

【提示】解答光的折射類題目的關(guān)鍵是弄清楚光的傳播情況，畫出光路圖，根據(jù)圖中的幾何關(guān)系求出折射角或入射角，然后根據(jù)光的折射定律或全反射的條件列方程求解。

三、試題靈活多變，重點(diǎn)考查學(xué)生的關(guān)鍵能力

【例4】（2021·甲卷）如圖5，長(zhǎng)度均為l的兩塊擋板豎直相對(duì)放置，間距也為l，兩擋板上邊緣P和M處于同一水平線上，在該水平線的上方區(qū)域有方向豎直向下的勻強(qiáng)電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度大小為E;兩擋板間有垂直紙面向外、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小可調(diào)節(jié)的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。一質(zhì)量為m，電荷量為q（q>0）的粒子自電場(chǎng)中某處以大小為v0的速度水平向右發(fā)射，恰好從P點(diǎn)處射入磁場(chǎng)，從兩擋板下邊緣Q和N之間射出磁場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)過程中粒子未與擋板碰撞。已知粒子射入磁場(chǎng)時(shí)的速度方向與PQ的夾角為60°，不計(jì)重力。

（1）求粒子發(fā)射位置到P點(diǎn)的距離;

（2）求磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的取值范圍;

（3）若粒子正好從QN的中點(diǎn)射出磁場(chǎng)，求粒子在磁場(chǎng)中的軌跡與擋板MN的最近距離。

【分析】本題以帶電粒子在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)為情境，要求學(xué)生能夠?qū)㈩}干的約束條件用數(shù)學(xué)公式表達(dá)，對(duì)學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理問題的能力要求較高。

（1）粒子在電場(chǎng)中做類平拋運(yùn)動(dòng)，根據(jù)類平拋運(yùn)動(dòng)軌跡以及勾股定理求解粒子發(fā)射位置到P點(diǎn)的距離;（2）粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，根據(jù)粒子出射點(diǎn)的邊界條件，求出臨界磁感應(yīng)強(qiáng)度，進(jìn)而求出磁感應(yīng)強(qiáng)度的取值范圍;（3）根據(jù)粒子正好從QN的中點(diǎn)射出磁場(chǎng)這一邊界條件，畫出粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后由幾何關(guān)系求出粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的軌跡圓半徑，再由幾何關(guān)系求出粒子在磁場(chǎng)中的軌跡與擋板MN的最近距離。

【解答】（1）帶電粒子在電場(chǎng)中受到豎直向下的電場(chǎng)力作用，粒子做類平拋運(yùn)動(dòng)，在P點(diǎn)對(duì)速度進(jìn)行分解，如圖6所示。

tan60°=，粒子做類平拋運(yùn)動(dòng)，水平方向上x=v0t0，豎直方向上y=at02，vy=at0，其中a=。

粒子發(fā)射位置到P點(diǎn)的距離s=，在P點(diǎn)的速度大小v=，聯(lián)立解得s=。

（2）帶電粒子從Q點(diǎn)射出磁場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)軌跡如圖7所示。

由幾何關(guān)系可知：粒子從下邊緣Q點(diǎn)射出時(shí)，軌跡圓的半徑為R1=。

由洛倫茲力提供向心力可知qvB=m，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=，由此可得B1==。帶電粒子從N點(diǎn)射出磁場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)軌跡如圖8所示。

由幾何關(guān)系可知，粒子從下邊緣N點(diǎn)射出時(shí)，設(shè)軌跡圓的半徑為R2，在△ONE中：（R2-l）2+（-l）2=R22，解得：R2=（+1）l。

由洛倫茲力提供向心力可知：qvB=m，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=，由此可得B2==。磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的取值范圍為B2

（3）若粒子正好從QN的中點(diǎn)射出磁場(chǎng)，畫出粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖9所示。

由幾何關(guān)系可知，在△OAF中，（l-R3）2+（+）2= R32。該軌跡與MN極板最近的距離Δx=L-。

聯(lián)立解得Δx=l。

【提示】對(duì)于帶電粒子在電場(chǎng)中類平拋運(yùn)動(dòng)，將運(yùn)動(dòng)按照電場(chǎng)力方向及與其垂直方向分解即可;在磁場(chǎng)中的勻速圓周運(yùn)動(dòng)，關(guān)鍵在于找到粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌跡和邊界條件，由幾何關(guān)系求出軌跡圓的半徑，或者由洛倫茲力提供向心力求出半徑。

【例5】（2021·新高考Ⅰ卷）如圖10，豎直平面內(nèi)一足夠長(zhǎng)的光滑傾斜軌道與一長(zhǎng)為L(zhǎng)的水平軌道通過一小段光滑圓弧平滑連接，水平軌道右下方有一段弧形軌道PQ。質(zhì)量為m的小物塊A與水平軌道間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ。以水平軌道末端O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立平面直角坐標(biāo)系xOy，x軸的正方向水平向右，y軸的正方向豎直向下，弧形軌道P端坐標(biāo)為（2uL，uL），Q端在y軸上。重力加速度為g。

（1）若A從傾斜軌道上距x軸高度為2uL的位置由靜止開始下滑，求A經(jīng)過O點(diǎn)時(shí)的速度大小;

（2）若A從傾斜軌道上不同位置由靜止開始下滑，經(jīng)過O點(diǎn)落在弧形軌道PQ上的動(dòng)能均相同，求PQ的曲線方程;

（3）將質(zhì)量為λm（λ為常數(shù)且λ≥5）的小物塊B置于O點(diǎn)，A沿傾斜軌道由靜止開始下滑，與B發(fā)生彈性碰撞（碰撞時(shí)間極短），要使A和B均能落在弧形軌道上，且A落在B落點(diǎn)的右側(cè)，求A下滑的初始位置距x軸高度的取值范圍。

【分析】本題考查動(dòng)能定理、平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律、動(dòng)量守恒定律及其相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，主要考查綜合運(yùn)用知識(shí)分析解決物理問題的能力。

（1）此過程由動(dòng)能定理直接求解即可。（2）根據(jù)題意物塊A落在弧形軌道上的動(dòng)能均相同，利用平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，推導(dǎo)出落在弧形軌道上的物塊的動(dòng)能與水平位移和豎直位移的關(guān)系式;再把A點(diǎn)的坐標(biāo)代入動(dòng)能的關(guān)系式，求得具體的動(dòng)能表達(dá)式;然后再利用動(dòng)能與水平位移和豎直位移的關(guān)系式，可推導(dǎo)出所求的曲線方程。（3）由動(dòng)能定理求得A與B碰撞前瞬間速度大小，由彈性碰撞的特點(diǎn)——系統(tǒng)動(dòng)量守恒和機(jī)械能守恒，求得碰撞后瞬間A、B的速度大小，碰后A速度反向，再返回O點(diǎn);要使A落在B落點(diǎn)的右側(cè)，需滿足A平拋初速度大于B的平拋初速度;要使A和B均能落在弧形軌道上，只需A能夠落在軌道上，利用平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律求出落在P點(diǎn)的臨界平拋初速度大小，需要A平拋的初速度不大于此臨界速度，兩條件結(jié)合解得A下滑的初始位置距x軸高度的取值范圍。

【解答】（1）設(shè)物塊A由靜止開始運(yùn)動(dòng)到O點(diǎn)的速度大小為v0，對(duì)此過程由動(dòng)能定理得mg·2μL-μmgL=mv02-0，解得v0=。

（2）A經(jīng)O點(diǎn)水平拋出后做平拋運(yùn)動(dòng)，設(shè)水平位移為x，豎直位移為y，物塊A經(jīng)過O點(diǎn)的速度大小為vx，落到弧形軌道上時(shí)，速度大小為v，豎直方向速度大小為vy，落在弧形軌道上的動(dòng)能均為Ek，則x=vxt，y=gt2，vy2=2gy，解得vx2=，Ek=mv2=m（vx2+vy2）=m（+2gy）。

已知P點(diǎn)坐標(biāo)為（2uL，uL），即當(dāng)物塊A落到P點(diǎn)時(shí)，x=2uL，y=uL，可得Ek=m[+2guL]=2μmgL。

依題意，物塊A落在弧形軌道上的動(dòng)能均相同，則有m（+2gy）=2μmgL，整理得PQ的曲線方程為：+2y=4μL，0≤x≤2μL。

（3）設(shè)A下滑的初始位置距x軸高度為h，A與B碰撞前瞬間速度大小為vA，碰撞后瞬間A、B的分別為vA1、vB，對(duì)A由靜止開始運(yùn)動(dòng)到碰撞B之前的過程，由動(dòng)能定理得mgh-μmgL=mvA2-0，解得vA=。

A與B發(fā)生彈性碰撞的過程，設(shè)水平向右為正方向，因B質(zhì)量為λm（λ≥5），大于A的質(zhì)量，碰后A的速度水平向左，由動(dòng)量守恒定律和機(jī)械能守恒定律，可得mvA=-mv2A1+λmvB，mvA2=mv2A1+λmvB2，解得：vA1=vA，vB=vA。

設(shè)碰撞之后A向左運(yùn)動(dòng)再返回O點(diǎn)的速度大小為vA2，對(duì)此過程由動(dòng)能定理得-2μmgL=mv2A2-mv2A1，解得：v2A2=v2A1-4μgL=（）2vA2-4μgL。

要使A落在B落點(diǎn)的右側(cè)，需滿足vA2>vB，即v2A2>vB2，則有（）2vA2-4μgL>（vA）2，解得v2A>μgL。將vA=代入得h>μL。

由（2）的結(jié)論vx2=，可得當(dāng)物體落在P（2μL，μL）點(diǎn)時(shí)，在O點(diǎn)平拋的初速度大小滿足：vx2=2μgL。

要使A和B均能落在弧形軌道上，因vA2>vB，故只要A能落在弧形軌道上，B就一定能落在弧形軌道上，所以需滿足v2A2≤v2x，即（）2vA2-4μgL≤2μgL，解得h≤[3（）2+1]μL。

則A下滑的初始位置距x軸高度的取值范圍為：μL

【提示】此題考查對(duì)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)形式分析處理，難度較高，計(jì)算推演有一定難度，涉及動(dòng)能定理、平拋運(yùn)動(dòng)的分解、彈性碰撞，建議考生理解相關(guān)物理規(guī)律的來龍去脈，對(duì)彈性碰撞的結(jié)果在自行推導(dǎo)后熟記下來，以便在考場(chǎng)上節(jié)約時(shí)間。

四、2022年高考物理備考建議

1.物理概念和規(guī)律是高中物理的基礎(chǔ)性內(nèi)容，是學(xué)生形成和深化物理觀念的重要途徑。高考物理命題依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，貼近中學(xué)物理教學(xué)實(shí)際，創(chuàng)設(shè)典型的問題情境，考查學(xué)生對(duì)基本物理概念、物理規(guī)律全面深刻的理解和掌握。筆者建議，同學(xué)們可以結(jié)合教材，將物理概念、規(guī)律自行梳理一遍，整理在筆記上，構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。

2.高考物理試題善于理論聯(lián)系實(shí)際，設(shè)計(jì)與生產(chǎn)實(shí)踐、體育運(yùn)動(dòng)、科技前沿等方面緊密聯(lián)系的真實(shí)情境，考查學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)物理知識(shí)分析解決問題的能力，目的是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，引導(dǎo)學(xué)生注重學(xué)以致用。筆者建議同學(xué)們多關(guān)注“窗外事”，如奧運(yùn)會(huì)、國家科技突破等，平時(shí)多從物理解讀去分析，也可有針對(duì)性做一些聯(lián)系實(shí)際的物理題目，提高分析能力。

3.高考物理試題通過豐富試題的呈現(xiàn)形式、設(shè)置新穎的問題角度等方式，增強(qiáng)試題的靈活性，考查學(xué)生的推理能力、分析綜合能力、應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理問題的能力等，目的是引導(dǎo)教學(xué)，減少死記硬背和“機(jī)械刷題”現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)關(guān)鍵能力和學(xué)科素養(yǎng)。平時(shí)復(fù)習(xí)時(shí)，同學(xué)們一定要知道知識(shí)的來龍去脈，重在理解與推理，記憶一定是在理解基礎(chǔ)之上的。對(duì)于復(fù)雜的問題，可拆解成一個(gè)一個(gè)小問題處理;每做完一道解答題，可以嘗試總結(jié)一下該題考查的知識(shí)點(diǎn)。

總之，高考試題側(cè)重考查基礎(chǔ)，善于以新情境形式呈現(xiàn)，靈活多變。在復(fù)習(xí)備考中，我們盡力做到知識(shí)框架完整，概念清晰，對(duì)規(guī)律理解到位，多嘗試舉一反三，具體問題具體分析，盡可能地適應(yīng)新高考要求，在高考中取得令自己滿意的成績(jī)。