2021年全國(guó)高考廣東物理卷問題情境特點(diǎn)及其分析策略

劉宇虹 鄧治國(guó)

（1.廣州市增城區(qū)鄭中鈞中學(xué)，廣東 廣州 511300；2.廣州市增城區(qū)教師發(fā)展中心，廣東 廣州 511300）

高考評(píng)價(jià)體系中的“四層”考查內(nèi)容和“四翼”考查要求，是通過情境與情境活動(dòng)兩類載體來實(shí)現(xiàn)的，即通過選取適宜的素材，再現(xiàn)學(xué)科理論產(chǎn)生的場(chǎng)景或是呈現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中的問題情境，讓學(xué)生在真實(shí)的背景下發(fā)揮核心價(jià)值的引領(lǐng)作用，運(yùn)用必備知識(shí)和關(guān)鍵能力去解決實(shí)際問題，全面綜合展現(xiàn)學(xué)科素養(yǎng)水平.[1]2021年全國(guó)高考廣東物理卷緊跟《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系說明》的觀點(diǎn)，呈現(xiàn)明顯的問題情境特征.為更好發(fā)揮高考引導(dǎo)教學(xué)的功能，筆者以新高考問題情境為基礎(chǔ)，通過對(duì)高考題多角度、深層次研究，提煉“一般解題思路”與“正反相推”、“異中求同”、“殊途同歸”等幾種特殊情境分析策略，以此為抓手促進(jìn)教師、學(xué)生在問題情境中體驗(yàn)解題思路與物理思維方法，培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng).

1 高考廣東物理卷問題情境特點(diǎn)與一般解題思路

2021年全國(guó)高考廣東物理卷考題通過大量真實(shí)材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，緊扣我國(guó)科技發(fā)展、生活生產(chǎn)應(yīng)用、國(guó)防事業(yè)、中華民族文化、防疫等方面，體現(xiàn)物理對(duì)生產(chǎn)生活、科學(xué)技術(shù)發(fā)展所產(chǎn)生的指導(dǎo)、應(yīng)用、推動(dòng)、創(chuàng)新等作用，筆者從主要知識(shí)點(diǎn)、情境來源、一般解題思路3個(gè)方面梳理，如表1所示.

表1 2021年全國(guó)高考廣東物理卷題梳理

續(xù)表

續(xù)表

從高考問題情境特點(diǎn)來看，僅靠以前的“題海戰(zhàn)術(shù)”、“反復(fù)多次相同講解”、“只要多做多練就好”的教學(xué)難以在高考中贏得先機(jī).因此，在物理試題講評(píng)中，以什么方式改變上述現(xiàn)象，如何開展以培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)為目標(biāo)的教學(xué)實(shí)踐是應(yīng)當(dāng)思考的問題.如果說物理教學(xué)思路為“以物說理，以理格物”，那么物理試題則需要依托真實(shí)情境，巧設(shè)問題角度，考察學(xué)生用物理語言分析真實(shí)情境的能力，用基本概念、規(guī)律及其蘊(yùn)涵模型分析情境的能力.從2021年全國(guó)高考廣東物理卷考題具有明顯引導(dǎo)教學(xué)功能，對(duì)規(guī)范師生解題思路具有指導(dǎo)作用.高考試題分析的基本過程為：首先是問題情境轉(zhuǎn)化為物理圖景（注重動(dòng)手）、再者是物理圖景轉(zhuǎn)換成物理模型（注重動(dòng)腦）、接著是結(jié)合概念規(guī)律分析適用條件與應(yīng)用范圍、最后利用數(shù)學(xué)等工具得出結(jié)論.

2 高考問題情境試題的特殊分析方法

在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中提出，高中物理課程的目標(biāo)是要求學(xué)生經(jīng)過學(xué)習(xí)之后，具有理想信念和社會(huì)責(zé)任感，具有科學(xué)文化素養(yǎng)和終身學(xué)習(xí)的能力，具有自主發(fā)展能力和溝通合作能力.[2]因此，物理解題需開展多角度、深層次的教學(xué)策略，以培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)為目標(biāo)，促進(jìn)學(xué)生分析問題和解決問題的能力的提升，既關(guān)注學(xué)生的情感培育、人文素養(yǎng)和情懷生成，又關(guān)注學(xué)生的思維提升、能力形成、思想感悟.

2.1 選擇題情境分析：正反相推

例1.（2021年廣東高考物理第2題）2021年4月，我國(guó)自主研發(fā)的空間站“天和”核心艙成功發(fā)射并入軌運(yùn)行，若核心艙繞地球的運(yùn)行可視為勻速圓周運(yùn)動(dòng)，已知引力常量，由下列物理量能計(jì)算出地球質(zhì)量的是

（A）核心艙的質(zhì)量和繞地半徑.

（B）核心艙的質(zhì)量和繞地周期.

（C）核心艙的繞地角速度和繞地周期.

（D）核心艙的繞地線速度和繞地半徑.

該題以我國(guó)今年航天航空事業(yè)的熱點(diǎn)——“天和”核心艙成功發(fā)射為情境，設(shè)計(jì)了計(jì)算地球質(zhì)量的問題，將國(guó)家航天科技的重大發(fā)展與萬有引力定律、圓周運(yùn)動(dòng)的基本知識(shí)相結(jié)合，學(xué)生在解題的同時(shí)了解大國(guó)航天重器的發(fā)展，滲透人文素養(yǎng)、民族自信和家國(guó)情懷.本題的解題策略如下.

首先，根據(jù)題干中提到“核心艙繞地球的運(yùn)行可視為勻速圓周運(yùn)動(dòng)”，引導(dǎo)學(xué)生將真實(shí)情境進(jìn)行轉(zhuǎn)化，作出物理情境圖1，調(diào)用勻速圓周運(yùn)動(dòng)的基本模型.

圖1 核心艙繞地球運(yùn)行物理情境圖

其次，針對(duì)選擇題的題干和選項(xiàng)都有一定已知條件的特點(diǎn)，教師設(shè)計(jì)正向推理和反向推理兩個(gè)角度，促進(jìn)學(xué)生分析問題和解決問題能力的提升.

設(shè)地球質(zhì)量為M，核心艙質(zhì)量為m，繞地半徑為r，繞地周期為T，核心艙的繞地角速度為ω，核心艙的繞地線速度為v.

角度1：正向推理.

正向推理是指根據(jù)題干已知條件進(jìn)行計(jì)算、判斷或推理而得到選項(xiàng)答案.由該題題干可知，核心艙做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，萬有引力提供向心力.由此可得

因此，需計(jì)算出地球質(zhì)量，除萬有引力常量G外，還需知道的物理量有核心艙的繞地線速度v和繞地半徑r，或者核心艙的繞地角速度ω和繞地半徑r，再或者繞地周期T和繞地半徑r.故正確答案為（D）.

角度2：反向推理.

反向推理是根據(jù)題干和選項(xiàng)，將選項(xiàng)條件代入進(jìn)行計(jì)算、判斷或推理得出結(jié)果，若符合題干則得到正確選項(xiàng).

通過正向推理及反向推理，讓學(xué)生在解決問題中，懂得解決問題的不同方式.當(dāng)面對(duì)一種角度難以解決新問題時(shí)，可嘗試另一角度解決，提升學(xué)生解決問題的能力.

2.2 實(shí)驗(yàn)題情境分析：異中求同

例2.（2021年廣東高考物理第11題）某興趣小組測(cè)量一緩沖裝置中彈簧的勁度系數(shù)，緩沖裝置如圖2所示，固定在斜面上的透明有機(jī)玻璃管與水平面夾角為30°，彈簧固定在有機(jī)玻璃管底端，實(shí)驗(yàn)過程如下：先沿管軸線方向固定一毫米刻度尺，再將單個(gè)質(zhì)量為200 g的鋼球（直徑略小于玻璃管內(nèi)徑）逐個(gè)從管口滑進(jìn)，每滑進(jìn)一個(gè)鋼球，待彈簧靜止，記錄管內(nèi)鋼球的個(gè)數(shù)n和彈簧上端對(duì)應(yīng)的刻度尺示數(shù)Ln，數(shù)據(jù)如表2所示，實(shí)驗(yàn)過程中彈簧始終處于彈性限度內(nèi)，采用逐差法計(jì)算彈簧壓縮量，進(jìn)而計(jì)算其勁度系數(shù).

圖2 緩沖裝置

表2 測(cè)量數(shù)據(jù)

（1）利用ΔLi=Li+3-Li（i=1，2，3）計(jì)算彈簧的壓縮量 ΔL1=6.03 cm，ΔL2=6.08 cm，ΔL3=______cm，壓縮量的平均值________cm；_

（2）上述ΔL是管中增加________個(gè)鋼球時(shí)產(chǎn)生的彈簧平均壓縮量；

（3）忽略摩擦，重力加速度g取9.80 m／s2，該彈簧的勁度系數(shù)為________N／m（結(jié)果保留3位有效數(shù)字）.

該題是創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)題，源于教材又不拘泥于教材，主要考點(diǎn)為胡克定律與受力分析，在試題的情境設(shè)計(jì)上進(jìn)行了創(chuàng)新，改變了教材彈簧的勁度系數(shù)實(shí)驗(yàn)的裝置、方法和數(shù)據(jù)處理方式等，但物理知識(shí)“萬變不離其宗”，考核了不同實(shí)驗(yàn)情境下遷移和變通實(shí)驗(yàn)知識(shí)的能力.

解題的難點(diǎn)在于理清新實(shí)驗(yàn)的原理，這要求學(xué)生需要一定的科學(xué)探究能力和思維變通能力，善于改變?cè)械膶?shí)驗(yàn)方式，運(yùn)用題目給出的新思路進(jìn)行分析，著力尋求與常規(guī)實(shí)驗(yàn)相似的原理和方法，“異中求同”地進(jìn)行問題的解決，如圖3.該題的解題策略如下.

圖3 “異中求同”的思維過程

（1）異中求同.

尋求與常規(guī)實(shí)驗(yàn)相似的原理展開思考.題干“測(cè)量一緩沖裝置中彈簧的勁度系數(shù)”表明了實(shí)驗(yàn)的目的，比較試題實(shí)驗(yàn)與教材實(shí)驗(yàn)的相同之處后，學(xué)生可聯(lián)想到實(shí)驗(yàn)蘊(yùn)含的規(guī)律為F=kx，其中x為彈簧形變量.

（2）思維聚焦.

思考試題實(shí)驗(yàn)與教材實(shí)驗(yàn)的不同之處，發(fā)現(xiàn)是F與x的測(cè)量方式不同.以小球作為研究對(duì)象，在斜面上進(jìn)行受力分析（如圖4），構(gòu)建受力平衡模型.設(shè)彈簧原長(zhǎng)為L(zhǎng)0，可得放置一個(gè)小球時(shí)F1=mgsin30°=kx1，x1=L1-L0；放置兩個(gè) 小球時(shí)F2=2mgsin30°=kx2，x2=L2-L0；放置n個(gè)小球時(shí)Fn=nmgsin30°=kxn，xn=Ln-L0.

圖4

根據(jù)題干“ΔLi=Li+3-Li（i=1，2，3）計(jì)算彈簧的壓縮量”可聯(lián)想到Δx=ΔLi，由相關(guān)彈簧規(guī)律ΔF=kΔx，即Fi+3-Fi=k（Li+3-Li）=3mgsinθ，由此理清實(shí)驗(yàn)原理，突破本題難點(diǎn).

（3）問題解決.

問題（1）解決：根據(jù)題中“ΔLi=Li+3-Li”和逐差法提示，代入表格數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，可得

問題（2）解決：根據(jù)kΔLi=k（Li+3-Li）=3mgsinθ，可知ΔL1、ΔL2、ΔL3分別都是對(duì)應(yīng)增加3個(gè)小球，所以上述是管中增加3個(gè)鋼球時(shí)產(chǎn)生的彈簧平均壓縮量.

創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)題一般會(huì)融合一些操作實(shí)驗(yàn)、生活、科技等方面的情境，通過“異中求同”的思想方法，讓學(xué)生對(duì)比、聯(lián)想地解決問題.這一思想方法不僅適用于實(shí)驗(yàn)題的解決，也可以成為學(xué)生解決未來新問題時(shí)的一種能力.

3 計(jì)算題情境分析：殊途同歸

例3.（2021年廣東高考物理第13題）算盤是我國(guó)古老的計(jì)算工具，中心帶孔的相同算珠可在算盤的固定導(dǎo)桿上滑動(dòng)，使用前算珠需要?dú)w零，如圖5所示，水平放置的算盤中有甲、乙兩顆算珠未在歸零位置，甲靠邊框b，甲、乙相隔s1=3.5×10-2m，乙與邊框a相隔s2=2.0×10-2m，算珠與導(dǎo)桿間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.1.現(xiàn)用手指將甲以0.4 m／s的初速度撥出，甲、乙碰撞后甲的速度大小為0.1 m／s，方向不變，碰撞時(shí)間極短且不計(jì)，重力加速度g取10 m／s2.

圖5

（1）通過計(jì)算，判斷乙算珠能否滑動(dòng)到邊框a；

（2）求甲算珠從撥出到停下所需的時(shí)間.

該題以算盤為情境，將中華傳統(tǒng)文化與運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)相融合，滲透人文素養(yǎng)和科學(xué)素養(yǎng).問題設(shè)計(jì)了“乙算珠能否滑動(dòng)到邊框a”的半開放判斷問題，讓學(xué)生自行尋找判斷的物理量，從不同角度對(duì)問題作出有理據(jù)的判斷，體現(xiàn)了題目解答的自主選擇性和開放性.在解答過程中，學(xué)生還可采用不同的物理規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，例如動(dòng)能定理、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、動(dòng)量守恒定律、動(dòng)量定理等，最后達(dá)到同一結(jié)果.解題過程既有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，又有靈活解題方式，體現(xiàn)了題目設(shè)計(jì)的“殊途同歸”，展現(xiàn)綜合性的育人方式.學(xué)生在審題后需構(gòu)建模型，分析情景，調(diào)用規(guī)律，進(jìn)行解答.

首先，在本題題干中提到“動(dòng)摩擦因數(shù)”、“甲、乙碰撞”等關(guān)鍵詞，因此，可引導(dǎo)學(xué)生將真實(shí)情境進(jìn)行轉(zhuǎn)化，構(gòu)建勻減速直線運(yùn)動(dòng)模型和碰撞中的動(dòng)量守恒模型.

其次，針對(duì)靈活解題方式，可從以下角度促進(jìn)學(xué)生分析問題和解決問題能力的提升.設(shè)甲初速度為v0，甲、乙碰撞前甲速度為v1，碰撞后甲、乙的速度分為v1′和v2′，甲乙的質(zhì)量均為m.

（1）第1問的解題策略如下.

殊途1：運(yùn)用動(dòng)能定理和動(dòng)量守恒定律.對(duì)甲碰撞前

甲乙碰撞瞬間

判斷方法1：利用位移判斷.碰后，對(duì)乙

解得s乙=0.02 m=s2，所以剛好能碰到邊緣a.

判斷方法2：利用末速度判斷.碰后，對(duì)乙

解得v乙=0，所以剛好能碰到邊緣a.

殊途2：運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律和動(dòng)量守恒定律.

由題意可知，甲乙在導(dǎo)桿上運(yùn)動(dòng)為勻減速直線運(yùn)動(dòng)，甲乙的加速度都為對(duì)甲碰撞前

甲乙碰撞瞬間

判斷方法1：利用位移判斷，設(shè)乙碰后到停止運(yùn)動(dòng)的位移為s乙，碰后，對(duì)乙

解得s乙=0.02 m=s2，所以剛好能碰到邊緣a.

判斷方法2：利用末速度判斷，設(shè)乙最終速度為v乙，碰后，對(duì)乙

解得v乙=0，所以剛好能碰到邊緣a.

同歸：乙算珠能剛好能碰到邊框a.

（2）第2問的解題策略如下.

殊途1：運(yùn)用動(dòng)量定理.

對(duì)甲碰撞前

對(duì)甲碰撞后

從撥出到停下所需的時(shí)間t=t1+t2=0.2 s.

殊途2：運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律.

對(duì)甲碰撞前、后時(shí)間分別為

從撥出到停下所需的時(shí)間t總=t1+t2=0.2 s.

殊途3：運(yùn)用v-t圖，面積意義求解.

根據(jù)甲的運(yùn)動(dòng)情況，可畫出如圖6的v-t圖，其所圍的總面積為甲運(yùn)動(dòng)的位移.由幾何求面積，可得

圖6

同歸：甲算珠從撥出到停下所需的時(shí)間為0.2 s.

通過以上多途徑、深層次的思考，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建運(yùn)動(dòng)學(xué)的完整知識(shí)體系和深度理解運(yùn)動(dòng)規(guī)律，同時(shí)可以引導(dǎo)學(xué)生比較各種解決方法的優(yōu)劣，結(jié)合自身對(duì)于規(guī)律和方法的熟練程度，擇優(yōu)解決方案，加強(qiáng)學(xué)生解決問題的能力.

在日常教學(xué)中，教師以高考題為基礎(chǔ)，熟悉掌握一般解題思路的背景下，進(jìn)行問題情境融通教學(xué)，根據(jù)不同的題型滲透諸如“正反相推”、“異中求同”、“殊途同歸”等情境分析策略與思想方法，通過以情境滲透“情”，讓物理教學(xué)具有溫度；以實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新“異”，讓物理教學(xué)具有新度；以問題多解“途”，讓物理教學(xué)具有深度，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的提升.