基于“應用性”考查的物理情境題分類例析

陸逢英

[摘 要]近年來，涉及日常生活、生產(chǎn)、科技前沿等方面的情境題常出現(xiàn)在高考物理試題中。學生對“應用性”情境題的分析推理能力及抽象建模能力不足，因此在面對這類試題時無從下手，難以得分。文章通過對這類試題的分析探討，搭建循序漸進的學習臺階，引導學生提取關(guān)鍵信息，依據(jù)物理規(guī)律進行模型構(gòu)建，從而解決問題。

[關(guān)鍵詞]物理情境題;物理模型;關(guān)鍵能力

[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2022）02-0042-04

作為國家大規(guī)模選才考試的高考，其評價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、服務選才、引導教學”;“四層”為高考的考查內(nèi)容，即“核心價值、學科素養(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“活”得益于情境的轉(zhuǎn)化，即把實際生活中的情境轉(zhuǎn)化為物理表述，把一段經(jīng)歷轉(zhuǎn)化為一個物理探究過程或一個物理問題，要求學生建立相應的物理模型，運用物理規(guī)律，解決有關(guān)問題。

下面對近幾年高考物理試題中的“應用性”物理情境題進行歸類分析。

一、聯(lián)系體育運動，促使學生關(guān)注運動中的物理觀念和物理規(guī)律

2020年10月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發(fā)《關(guān)于全面加強和改進新時代學校體育工作的意見》，這使得有關(guān)在體育運動中進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)體育運動的情境題，主要考查幾個經(jīng)典的運動模型及能量問題，如運動員原地起跳（豎直上拋）、豎直拍球（能量守恒）、蕩秋千（圓周運動）、滑雪滑翔（平拋運動）、摩托車越野（平拋運動）、練習投彈（平拋運動）、賽龍舟（運動圖像）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，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線同時出發(fā)，沿長直河道劃向同一終點線的運動全過程，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（ ）。

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

解決這一問題的關(guān)鍵是對“同一起點線”“同時出發(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”，即有相同時刻位置相同的情況（D選項中交點處），也有相同時間位移相等的情況（B選項中第一條虛線對應的情況），故答案為BD。該題以“賽龍舟”為背景創(chuàng)設(shè)情境，巧妙考查了時刻、位置和時間、位移等概念及對應的運動圖像，本質(zhì)上考查了考生的運動觀。

[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坑，該坑沿摩托車前進方向的水平寬度為3h，其左邊緣a點比右邊緣b點高0.5h。若摩托車經(jīng)過a點時的動能為[E1]，它會落到坑內(nèi)[c]點。[c]與[a]的水平距離和高度差均為[h];若經(jīng)過[a]點時的動能為[E2]，該摩托車恰能越過坑到達[b]點。[E1E2]等于（ ）。

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

解析：可把摩托車飛越路坑的運動簡化為質(zhì)點的運動，由圖2可知摩托車飛出去的初速度的方向為水平方向，忽略空氣阻力，可將該運動過程簡化為質(zhì)點的平拋運動。平拋運動問題的解題關(guān)鍵在于分解速度和位移，即畫出運動過程的軌跡，并標明水平和豎直方向的位移。但是，試題問的是兩個初動能之比，所以，解題的關(guān)鍵是明確動能與平拋運動的關(guān)系，即動能與平拋初速度大小的關(guān)系。

設(shè)[a]到[c]的過程中，[a]點速度為[v1]，由[h=12gt21]，[h=v1t1]得[v1=gh2];設(shè)[a]到[b]的過程中，[a]點速度為[v2]，由[h2=12gt22]，[3h=v2t2]得[v2=9gh]，所以[E2E1=v22v21=18]，故B選項正確。

本題以摩托車飛越路坑的真實情境，考查學生理論聯(lián)系實際進行物理建模的能力。投擲、跳高、跳遠、運球、顛球等都是常見的運動情境。

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，一種是以力學知識在生活中的應用為題材的情境題，如安全氣囊（動量、沖量）、旋轉(zhuǎn)紐扣（圓周運動）、曲桿道閘（圓周運動）、曲轅犁與直轅犁的對比（正交分解）、傳送帶（動力學、動能定理、沖量）等，考查各種運動模型、受力分析及動量等;還有一種與理想氣體實驗定律有關(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）、儲氣罐中氣體調(diào)配（變質(zhì)量氣體問題）、打針時先往藥瓶里注入氣體（變質(zhì)量氣體問題）等，關(guān)注點在于變質(zhì)量氣體的等溫變化過程。由2020年3月20日中共中央國務院印發(fā)的《關(guān)于全面加強新時代大中小學勞動教育的意見》可推測勞動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繩擰在一起，然后用力反復拉繩的兩端，紐扣正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)會交替出現(xiàn)。拉動多次后，紐扣繞其中心的轉(zhuǎn)速可達50 r/s，此時紐扣上距離中心1 cm 處的點向心加速度大小約為（ ）。

A.10 m/s2 B.100 m/s2

C.1000 m/s2 D.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動進行物理建模。由“旋轉(zhuǎn)紐扣”“轉(zhuǎn)速可達[50 r/s]”可知紐扣做圓周運動，進一步把紐扣的旋轉(zhuǎn)簡化為勻速圓周運動，將紐扣的中心視為圓周運動的圓心，即相應研究點的圓周運動的半徑[r=1 cm=0.01 m];再結(jié)合勻速圓周運動的角速度公式有[ω=2 πn=100 π rads]，圓周運動的加速度公式有[a=ω2r≈1000 m/s2]，可知C選項正確。本題將勻速圓周運動融入學生喜聞樂見的游戲中，讓學生在游戲中感悟物理規(guī)律，從而提高學習興趣。

[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)動桿[OP]與橫桿[PQ]鏈接而成，[P]、[Q]為橫桿的兩個端點。在道閘抬起過程中，桿[PQ]始終保持水平。桿[OP]繞[O]點從與水平方向成30°勻速轉(zhuǎn)動到60°的過程中，下列說法正確的是（ ）。

A. [P]點的線速度大小不變

B. [P]點的加速度方向不變

C. [Q]點在豎直方向做勻速運動

D. [Q]點在水平方向做勻速運動

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]兩點的運動情況?？梢詫ⅰ癧OP]繞[O]點勻速轉(zhuǎn)運”簡化為[P]點繞[O]點的勻速圓周運動”，再由“[PQ]始終保持水平”，可知[Q]點的運動性質(zhì)與[P]點相同，即都是做勻速圓周運動，只不過[P]、[Q]兩點所繞圓心不同而已，最后由勻速圓周運動的線速度及加速度特點可知選項A正確。本題通過曲桿道閘運動，考查勻速圓周運動的知識，讓學生感悟生活中處處有物理。

（二）生產(chǎn)勞動題材

[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（ ）。

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. 曲轅犁勻速前進時，耕索對犁的拉力小于犁對耕索的拉力

D. 直轅犁加速前進時，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=Fcos α]，[Fy直=Fcos β]。再由[α<β]可知正確選項是B。[C]、[D]選項考查的是力的相互作用的知識，學生不難判斷。曲轅犁是古人通過生產(chǎn)實踐對勞動生產(chǎn)工具進行改進的產(chǎn)物，背后蘊含著樸素的物理學知識，是力的分解知識在生活中的生動實踐和應用，同時也體現(xiàn)出我國古代人民的智慧。

[例6]（2021年廣東卷第15題）為方便抽取密封藥瓶里的藥液，護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)氣體壓強為[1.0×105 Pa]。護士把注射器內(nèi)橫截面積為0.3 cm2、長度為0.4 cm、壓強為[1.0×105 Pa]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，求此時藥瓶內(nèi)氣體的壓強。

解析：本題是醫(yī)護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[V1]（藥瓶里氣體體積）、[V2]（注射器內(nèi)氣體體積）是同種氣體，溫度及壓強相同，因此把這兩部分氣體看成一個整體進行等溫壓縮，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)展的促進作用

科學是技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，技術(shù)為科學的發(fā)展提供保障和方向。當今，新技術(shù)（如AI技術(shù)）大量開發(fā)和深度應用依靠的是基本物理學原理。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動模型;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動模型）、CT掃描（帶電粒子在電磁場中的運動模型）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，其實只要找到對應的物理模型就能揭開它們神秘的面紗。這種類型的題目，既考查學生綜合運用物理學原理解決技術(shù)問題的能力，又點明物理教學要注意培養(yǎng)學生的創(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，某段時間可認為繞月做勻速圓周運動，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”繞月球做圓周運動的速率為（ ）。

A. [RKgQP] ? ? ? ? ? ? B. [RPKgQ]

C. [RQgKP] ? ? ? ? ? ? D. [RPgQK]

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，考查了計算天體質(zhì)量及環(huán)繞天體的速度等考點。本題涉及兩個情境——一個天上，一個地面上，兩者之間既有聯(lián)系又有不同。解題時學生要層層遞進思考，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動，如圖8，其中月球半徑[R月=RP]，“嫦娥四號”繞月軌道半徑[r=KRP]。設(shè)地球質(zhì)量為[M]，由[GMQm1KRP2=m1v2KRP]得[v=GMPKRQ]。

其中[GM]未知，所以解題的關(guān)鍵之二是聯(lián)系在地球表面上當忽略地球自轉(zhuǎn)時萬有引力等于重力的關(guān)系，如圖9，由[mg=GMmR2]得[GM=gR2]，代入[v=GMPKRQ]，可知正確選項為D。

對于沒有配圖的情境題，學生要根據(jù)題意畫出情境圖，標出各個已知量，這樣解題思路才會更清晰。

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。這樣的考題，不僅能激發(fā)學生的愛國熱情和民族自豪感，還能讓學生利用有限的知識感受“我們的征途是星辰大?！?，從而提高科學探索的興趣。

[例8]（2020年全國Ⅱ卷第17題）CT掃描是計算機X射線斷層掃描技術(shù)的簡稱，CT掃描機可用于對多種病情的探測。圖10（a）是某種CT機主要部分的剖面圖，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線所示的方向前進，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記為[P]點，則（ ）。

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)磁場磁感應強度的大小可使[P]點左移

解析：本題為涉及復雜裝備的技術(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動，所以[N]處的電勢要高于[M]處的電勢才能使電子加速，故A選項錯誤。由“勻強偏轉(zhuǎn)磁場”及圖中電子垂直磁場方向射入勻強磁場可知，電子在磁場中做勻速圓周運動，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選項錯誤。判斷B、D選項對錯的關(guān)鍵在于把“CT掃描機的電子束打在靶上的點[P]向左移”解讀為“增大帶電粒子在磁場中的偏轉(zhuǎn)角”，從而引導學生利用帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的模型求解。偏轉(zhuǎn)磁場中，電子做勻速圓周運動，有[evB=mv2R?R=mveB];加速電場中，電子做加速運動，有[eU=12mv2?v=2eUm]。電子在偏轉(zhuǎn)磁場中的偏轉(zhuǎn)角[sin θ=dR=eBdmv=eBd2meU]，由于磁場寬度d不變，可知對于該電子，增大磁感應強度[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]點左移，所以正確選項為D。

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

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 教育部考試中心.中國高考評價體系[M].北京：人民教育出版社，2020：1.

[2]? 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020：5.

（責任編輯 易志毅）

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