基于“應(yīng)用性”考查的物理情境題分類例析

廣東廣州市第七十五中學(xué)（510000） 陸逢英

作為國家大規(guī)模選才考試的高考，其評價(jià)體系要求高考試題要體現(xiàn)：一核、四層、四翼。其中“一核”為高考的核心功能，即“立德樹人、服務(wù)選才、引導(dǎo)教學(xué)”；“四層”為高考的考查內(nèi)容，即“核心價(jià)值、學(xué)科素養(yǎng)、關(guān)鍵能力、必備知識”；“四翼”為高考的考查要求，即“基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性、創(chuàng)新性”。在這樣的命題要求之下，2021 年全國各套高考物理題都顯得比較“活”，這個(gè)“活”得益于情境的轉(zhuǎn)化，即把實(shí)際生活中的情境轉(zhuǎn)化為物理表述，把一段經(jīng)歷轉(zhuǎn)化為一個(gè)物理探究過程或一個(gè)物理問題，要求學(xué)生建立相應(yīng)的物理模型，運(yùn)用物理規(guī)律，解決有關(guān)問題。

下面對近幾年高考物理試題中的“應(yīng)用性”物理情境題進(jìn)行歸類分析。

一、聯(lián)系體育運(yùn)動(dòng)，促使學(xué)生關(guān)注運(yùn)動(dòng)中的物理觀念和物理規(guī)律

2020 年10 月，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于全面加強(qiáng)和改進(jìn)新時(shí)代學(xué)校體育工作的意見》，這使得有關(guān)在體育運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行物理建模的情境試題得到了更多的關(guān)注。在近三年的高考物理卷中多次出現(xiàn)有關(guān)體育運(yùn)動(dòng)的情境題，主要考查幾個(gè)經(jīng)典的運(yùn)動(dòng)模型及能量問題，如運(yùn)動(dòng)員原地起跳（豎直上拋）、豎直拍球（能量守恒）、蕩秋千（圓周運(yùn)動(dòng)）、滑雪滑翔（平拋運(yùn)動(dòng)）、摩托車越野（平拋運(yùn)動(dòng)）、練習(xí)投彈（平拋運(yùn)動(dòng)）、賽龍舟（運(yùn)動(dòng)圖像）等。

［例1］（2021年廣東卷第8題）賽龍舟是端午節(jié)的傳統(tǒng)活動(dòng)，下列v-t和s-t圖像（如圖1）描述了五條相同的龍舟從同一起點(diǎn)線同時(shí)出發(fā)，沿長直河道劃向同一終點(diǎn)線的運(yùn)動(dòng)全過程，其中能反映龍舟甲與其他龍舟在途中出現(xiàn)船頭并齊的有（ ）。

圖1

解析：端午節(jié)的“賽龍舟”是我國傳統(tǒng)的體育活動(dòng)，城鄉(xiāng)學(xué)生都熟悉“賽龍舟”的情境。試題要求考生對“賽龍舟”的過程進(jìn)行物理建模，并用運(yùn)動(dòng)圖像描述。

解決這一問題的關(guān)鍵是對“同一起點(diǎn)線”“同時(shí)出發(fā)”“出現(xiàn)船頭并齊”有正確的理解，既然“龍舟甲與其他龍舟在途中出現(xiàn)船頭并齊”，即有相同時(shí)刻位置相同的情況（D 選項(xiàng)中交點(diǎn)處），也有相同時(shí)間位移相等的情況（B 選項(xiàng)中第一條虛線對應(yīng)的情況），故答案為BD。該題以“賽龍舟”為背景創(chuàng)設(shè)情境，巧妙考查了時(shí)刻、位置和時(shí)間、位移等概念及對應(yīng)的運(yùn)動(dòng)圖像，本質(zhì)上考查了考生的運(yùn)動(dòng)觀。

［例2］（2020 年全國Ⅱ卷第16 題）如圖2，在摩托車越野賽途中的水平路段前方有一個(gè)坑，該坑沿摩托車前進(jìn)方向的水平寬度為3h，其左邊緣a點(diǎn)比右邊緣b點(diǎn)高0.5h。若摩托車經(jīng)過a點(diǎn)時(shí)的動(dòng)能為E1，它會(huì)落到坑內(nèi)c點(diǎn)。c與a的水平距離和高度差均為h；若經(jīng)過a點(diǎn)時(shí)的動(dòng)能為E2，該摩托車恰能越過坑到達(dá)b點(diǎn)。等于（ ）。

圖2

A.20 B.18 C.9.0 D.3.0

解析：可把摩托車飛越路坑的運(yùn)動(dòng)簡化為質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，由圖2 可知摩托車飛出去的初速度的方向?yàn)樗椒较颍雎钥諝庾枇?，可將該運(yùn)動(dòng)過程簡化為質(zhì)點(diǎn)的平拋運(yùn)動(dòng)。平拋運(yùn)動(dòng)問題的解題關(guān)鍵在于分解速度和位移，即畫出運(yùn)動(dòng)過程的軌跡，并標(biāo)明水平和豎直方向的位移。但是，試題問的是兩個(gè)初動(dòng)能之比，所以，解題的關(guān)鍵是明確動(dòng)能與平拋運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，即動(dòng)能與平拋初速度大小的關(guān)系。

本題以摩托車飛越路坑的真實(shí)情境，考查學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際進(jìn)行物理建模的能力。投擲、跳高、跳遠(yuǎn)、運(yùn)球、顛球等都是常見的運(yùn)動(dòng)情境。

二、聯(lián)系生產(chǎn)生活，體現(xiàn)物理知識在日常生活中的運(yùn)用

近三年的高考物理試題中，聯(lián)系生產(chǎn)生活題材的情境題層出不窮，一種是以力學(xué)知識在生活中的應(yīng)用為題材的情境題，如安全氣囊（動(dòng)量、沖量）、旋轉(zhuǎn)紐扣（圓周運(yùn)動(dòng)）、曲桿道閘（圓周運(yùn)動(dòng)）、曲轅犁與直轅犁的對比（正交分解）、傳送帶（動(dòng)力學(xué)、動(dòng)能定理、沖量）等，考查各種運(yùn)動(dòng)模型、受力分析及動(dòng)量等；還有一種與理想氣體實(shí)驗(yàn)定律有關(guān)的情境題，如潛水鐘（氣體定律）、熱傳遞等靜壓設(shè)備（變質(zhì)量氣體問題）、儲(chǔ)氣罐中氣體調(diào)配（變質(zhì)量氣體問題）、打針時(shí)先往藥瓶里注入氣體（變質(zhì)量氣體問題）等，關(guān)注點(diǎn)在于變質(zhì)量氣體的等溫變化過程。由2020 年3 月20 日中共中央國務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于全面加強(qiáng)新時(shí)代大中小學(xué)勞動(dòng)教育的意見》可推測勞動(dòng)題材的情境題將受到更多的關(guān)注。

（一）生活題材

［例3］（2021年全國新課標(biāo)甲卷第2題）“旋轉(zhuǎn)紐扣”是一種傳統(tǒng)游戲。如圖3，先將紐扣繞幾圈，使穿過紐扣的兩股細(xì)繩擰在一起，然后用力反復(fù)拉繩的兩端，紐扣正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)會(huì)交替出現(xiàn)。拉動(dòng)多次后，紐扣繞其中心的轉(zhuǎn)速可達(dá)50 r/s，此時(shí)紐扣上距離中心1 cm 處的點(diǎn)向心加速度大小約為（ ）。

圖3

A.10 m/s2B.100 m/s2

C.1000 m/s2D.10 000 m/s2

解析：“旋轉(zhuǎn)紐扣”是孩童喜歡玩的一種傳統(tǒng)游戲，試題要求考生對這種運(yùn)動(dòng)進(jìn)行物理建模。由“旋轉(zhuǎn)紐扣”“轉(zhuǎn)速可達(dá)50 r/s”可知紐扣做圓周運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步把紐扣的旋轉(zhuǎn)簡化為勻速圓周運(yùn)動(dòng)，將紐扣的中心視為圓周運(yùn)動(dòng)的圓心，即相應(yīng)研究點(diǎn)的圓周運(yùn)動(dòng)的半徑r=1cm=0.01m；再結(jié)合勻速圓周運(yùn)動(dòng)的角速度公式有ω=2 πn=，圓周運(yùn)動(dòng)的加速度公式有a=ω2r≈1000 m/s2，可知C 選項(xiàng)正確。本題將勻速圓周運(yùn)動(dòng)融入學(xué)生喜聞樂見的游戲中，讓學(xué)生在游戲中感悟物理規(guī)律，從而提高學(xué)習(xí)興趣。

［例4］（2021 年廣東卷第4 題）由于高度限制，車庫出入口采用圖4 所示的曲桿道閘，道閘由轉(zhuǎn)動(dòng)桿OP與橫桿PQ鏈接而成，P、Q為橫桿的兩個(gè)端點(diǎn)。在道閘抬起過程中，桿PQ始終保持水平。桿OP繞O點(diǎn)從與水平方向成30°勻速轉(zhuǎn)動(dòng)到60°的過程中，下列說法正確的是（ ）。

圖4

A.P點(diǎn)的線速度大小不變

B.P點(diǎn)的加速度方向不變

C.Q點(diǎn)在豎直方向做勻速運(yùn)動(dòng)

D.Q點(diǎn)在水平方向做勻速運(yùn)動(dòng)

解析：曲桿道閘是常見的車庫管理設(shè)施。解答本題的關(guān)鍵是分析P、Q兩點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況?？梢詫ⅰ癘P繞O點(diǎn)勻速轉(zhuǎn)運(yùn)”簡化為P點(diǎn)繞O點(diǎn)的勻速圓周運(yùn)動(dòng)”，再由“PQ始終保持水平”，可知Q點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)與P點(diǎn)相同，即都是做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，只不過P、Q兩點(diǎn)所繞圓心不同而已，最后由勻速圓周運(yùn)動(dòng)的線速度及加速度特點(diǎn)可知選項(xiàng)A 正確。本題通過曲桿道閘運(yùn)動(dòng)，考查勻速圓周運(yùn)動(dòng)的知識，讓學(xué)生感悟生活中處處有物理。

（二）生產(chǎn)勞動(dòng)題材

［例5］（2021年廣東卷第3題）唐代《耒耜經(jīng)》記載了曲轅犁相對直轅犁的優(yōu)勢之一是起土省力。設(shè)牛用大小相等的拉力F通過耕索分別拉兩種犁，F(xiàn)與豎直方向的夾角分別為α和β，α＜β，如圖5 所示。忽略耕索質(zhì)量，耕地過程中，下列說法正確的是（ ）。

圖5

A.耕索對曲轅犁拉力的水平分力比對直轅犁的大

B.耕索對曲轅犁拉力的豎直分力比對直轅犁的大

C.曲轅犁勻速前進(jìn)時(shí)，耕索對犁的拉力小于犁對耕索的拉力

D.直轅犁加速前進(jìn)時(shí)，耕索對犁的拉力大于犁對耕索的拉力

解析：本題是農(nóng)村生產(chǎn)題材的情境題。題目要求比較“起土的力”即拉力F在豎直方向上的分力，解題的關(guān)鍵是對耕索對犁的拉力F進(jìn)行正交分解，如圖6。由正交分解得耕索對犁的拉力的豎直分力Fy曲=Fcosα，F(xiàn)y直=Fcosβ。再由α＜β可知正確選項(xiàng)是B。C、D 選項(xiàng)考查的是力的相互作用的知識，學(xué)生不難判斷。曲轅犁是古人通過生產(chǎn)實(shí)踐對勞動(dòng)生產(chǎn)工具進(jìn)行改進(jìn)的產(chǎn)物，背后蘊(yùn)含著樸素的物理學(xué)知識，是力的分解知識在生活中的生動(dòng)實(shí)踐和應(yīng)用，同時(shí)也體現(xiàn)出我國古代人民的智慧。

圖6

［例6］（2021 年廣東卷第15 題）為方便抽取密封藥瓶里的藥液，護(hù)士一般先用注射器注入少量氣體到藥瓶里后再抽取藥液，如圖7所示，某種藥瓶的容積為0.9 mL，內(nèi)裝有0.5 mL的藥液，瓶內(nèi)氣體壓強(qiáng)為1.0×105Pa。護(hù)士把注射器內(nèi)橫截面積為0.3 cm2、長度為0.4 cm、壓強(qiáng)為1.0 × 105Pa 的氣體注入藥瓶，若瓶內(nèi)外溫度相同且保持不變，氣體視為理想氣體，求此時(shí)藥瓶內(nèi)氣體的壓強(qiáng)。

圖7

解析：本題是醫(yī)護(hù)人員工作題材的情境題。結(jié)合“理想氣體”“瓶內(nèi)外溫度相同且保持不變”“氣體注入藥瓶”等信息可把本題氣體的壓縮過程簡化為理想氣體的等溫壓縮過程。同時(shí)本題屬于壓縮兩部分氣體，又屬于等溫壓縮過程的“變質(zhì)量”氣體問題。由題意可知，初狀態(tài)的兩部分氣體V（1藥瓶里氣體體積）、V（2注射器內(nèi)氣體體積）是同種氣體，溫度及壓強(qiáng)相同，因此把這兩部分氣體看成一個(gè)整體進(jìn)行等溫壓縮，列方程p0(V1+V2)=p1V1，代入數(shù)據(jù)可算得答案。

“打氣”“充氣”是涉及理想氣體狀態(tài)方程（等溫過程）的常見問題素材，類似的還有氣球、籃球和輪胎的充氣和漏氣以及分裝煤氣等相應(yīng)問題考查的都是此類氣體“變質(zhì)量”等溫變化。

三、聯(lián)系高科技產(chǎn)品，體現(xiàn)物理對科技發(fā)展的促進(jìn)作用

科學(xué)是技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，技術(shù)為科學(xué)的發(fā)展提供保障和方向。當(dāng)今，新技術(shù)（如AI 技術(shù)）大量開發(fā)和深度應(yīng)用依靠的是基本物理學(xué)原理。近三年來高考物理試題中聯(lián)系科技發(fā)展的情境題越來越多，主要有兩類：一類與空間技術(shù)有關(guān)，如以嫦娥四號、天問一號、天和核心倉為背景資料的考題幾乎年年都有，主要考查萬有引力定律及天體的勻速圓周運(yùn)動(dòng)模型；另一類與電路、電場、磁場有關(guān)，如智能電源（歐姆定律）、特高壓輸電（變壓器原理）、電子加速器（帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)模型）、CT掃描（帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)模型）等，主要考查電路、電場、磁場的核心知識。這些以科技發(fā)展為背景的情境題表面看起來深不可測，其實(shí)只要找到對應(yīng)的物理模型就能揭開它們神秘的面紗。這種類型的題目，既考查學(xué)生綜合運(yùn)用物理學(xué)原理解決技術(shù)問題的能力，又點(diǎn)明物理教學(xué)要注意培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

［例7］（2020 年全國Ⅲ卷第16 題）“嫦娥四號”探測器于2019年1月在月球背面成功著陸，著陸前曾繞月球飛行，某段時(shí)間可認(rèn)為繞月做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，圓周半徑為月球半徑的K倍。已知地球半徑R是月球半徑的P倍，地球質(zhì)量是月球質(zhì)量的Q倍，地球表面重力加速度大小為g。則“嫦娥四號”繞月球做圓周運(yùn)動(dòng)的速率為（ ）。

解析：本題為涉及科技前沿中的空間技術(shù)的情境題，以嫦娥四號在月球背面著陸為背景，考查了計(jì)算天體質(zhì)量及環(huán)繞天體的速度等考點(diǎn)。本題涉及兩個(gè)情境——一個(gè)天上，一個(gè)地面上，兩者之間既有聯(lián)系又有不同。解題時(shí)學(xué)生要層層遞進(jìn)思考，找到解決問題的突破口。

解題的關(guān)鍵之一是明白“‘嫦娥四號’繞月飛行”是環(huán)繞天體飛行，屬于萬有引力提供向心力的勻速圓周運(yùn)動(dòng)，如圖8，其中月球半徑R月=，“嫦娥四號”繞月軌道半徑r=。設(shè)地球質(zhì)量為M，由

圖8

其中GM未知，所以解題的關(guān)鍵之二是聯(lián)系在地球表面上當(dāng)忽略地球自轉(zhuǎn)時(shí)萬有引力等于重力的關(guān)系，如圖9，由mg=得GM=gR2，代入，可知正確選項(xiàng)為D。

圖9

對于沒有配圖的情境題，學(xué)生要根據(jù)題意畫出情境圖，標(biāo)出各個(gè)已知量，這樣解題思路才會(huì)更清晰。

空間技術(shù)代表國家綜合國力和前沿科技的發(fā)展水平，我國的空間技術(shù)發(fā)展迅猛，因此這方面的知識成為近年高考物理考查的熱點(diǎn)。這樣的考題，不僅能激發(fā)學(xué)生的愛國熱情和民族自豪感，還能讓學(xué)生利用有限的知識感受“我們的征途是星辰大?！?，從而提高科學(xué)探索的興趣。

［例8］（2020 年全國Ⅱ卷第17 題）CT 掃描是計(jì)算機(jī)X 射線斷層掃描技術(shù)的簡稱，CT 掃描機(jī)可用于對多種病情的探測。圖10（a）是某種CT 機(jī)主要部分的剖面圖，其中X 射線產(chǎn)生部分的示意圖如圖10（b）所示。圖10（b）中M、N之間有一電子束的加速電場，虛線框內(nèi)有勻強(qiáng)偏轉(zhuǎn)磁場；經(jīng)調(diào)節(jié)后電子束從靜止開始沿帶箭頭的實(shí)線所示的方向前進(jìn)，打到靶上，產(chǎn)生X 射線（如圖中帶箭頭的虛線所示）；將電子束打到靶上的點(diǎn)記為P點(diǎn)，則（ ）。

圖10

A.M處的電勢高于N處的電勢

B.增大M、N之間的加速電壓可使P點(diǎn)左移

C.偏轉(zhuǎn)磁場的方向垂直于紙面向外

D.增大偏轉(zhuǎn)磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小可使P點(diǎn)左移

解析：本題為涉及復(fù)雜裝備的技術(shù)情境題，可結(jié)合題目給出的原理示意圖進(jìn)行信息提取。由“M、N之間有一電子束的加速電場”可知電子在該電場中做加速運(yùn)動(dòng)，所以N處的電勢要高于M處的電勢才能使電子加速，故A 選項(xiàng)錯(cuò)誤。由“勻強(qiáng)偏轉(zhuǎn)磁場”及圖中電子垂直磁場方向射入勻強(qiáng)磁場可知，電子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，因此由左手定則可判斷磁場方向是垂直于紙面向里的，故C 選項(xiàng)錯(cuò)誤。判斷B、D 選項(xiàng)對錯(cuò)的關(guān)鍵在于把“CT 掃描機(jī)的電子束打在靶上的點(diǎn)P向左移”解讀為“增大帶電粒子在磁場中的偏轉(zhuǎn)角”，從而引導(dǎo)學(xué)生利用帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的模型求解。偏轉(zhuǎn)磁場中，電子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，有evB=；加速電場中，電子做加速運(yùn)動(dòng)，有。電子在偏轉(zhuǎn)磁場中的偏轉(zhuǎn)角sinθ=，由于磁場寬度d不變，可知對于該電子，增大磁感應(yīng)強(qiáng)度B或減小M、N之間的電壓U，皆可“增大帶電粒子在磁場中的偏轉(zhuǎn)角”，即可使P點(diǎn)左移，所以正確選項(xiàng)為D。

情境類試題有別于經(jīng)驗(yàn)類試題和方法類試題，學(xué)生無法通過“題?！睉?zhàn)術(shù)提高解答此類試題的能力。在教學(xué)過程中，教師要注意引導(dǎo)學(xué)生理解物理知識的本質(zhì)，形成科學(xué)思維習(xí)慣。建構(gòu)模型是一種重要的科學(xué)思維方法，是解決情境題的金鑰匙。平時(shí)教學(xué)中教師要重視引導(dǎo)學(xué)生在復(fù)雜的情境中提取關(guān)鍵信息，通過分析和綜合，去偽存真，將實(shí)際情境轉(zhuǎn)化為物理情境，抽象出理想化模型，有效運(yùn)用相關(guān)物理規(guī)律解決問題。