從知識(shí)立意轉(zhuǎn)向能力立意，促進(jìn)素養(yǎng)進(jìn)階提升
———2022年高考全國(guó)甲卷物理試題評(píng)析

■云南省保山市第八中學(xué) 蔣金團(tuán)

2022年高考全國(guó)甲卷物理試題的計(jì)算量適中,設(shè)問方式新穎且靈活,符合當(dāng)前物理學(xué)科核心素養(yǎng)的要求。在保持平穩(wěn)過渡的前提下,2022年高考全國(guó)甲卷物理試題具有其明顯的特點(diǎn),比如考查的方式和考查的角度更加新穎,體現(xiàn)了“一核四層四翼”的創(chuàng)新性;從知識(shí)立意轉(zhuǎn)向能力立意的力度加大,強(qiáng)調(diào)了對(duì)關(guān)鍵能力的考查。

一、取材真實(shí)情景,注重理論與實(shí)際的聯(lián)系

2022年高考全國(guó)甲卷物理試題創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情景,引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注身邊的實(shí)際問題,從而培養(yǎng)學(xué)生的建模能力和社會(huì)責(zé)任感。例如,第14題以2022年北京冬奧會(huì)中運(yùn)動(dòng)員從大跳臺(tái)滑下的過程為背景,考查機(jī)械能守恒定律和向心力相關(guān)知識(shí),將學(xué)科知識(shí)和運(yùn)動(dòng)會(huì)緊密聯(lián)系在一起,不但培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)體育運(yùn)動(dòng)的熱愛之情,而且落實(shí)了“五育并舉”的教育理念;再如,第15 題以高速列車通過隧道為背景,考查勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注生產(chǎn)生活,培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

例1(第15題)長(zhǎng)度為l的高速列車在平直軌道上正常行駛,速率為v0,要通過前方一長(zhǎng)度為L(zhǎng)的隧道,當(dāng)列車的任一部分處于隧道內(nèi)時(shí),列車速率都不允許超過v(v＜v0)。已知列車加速和減速時(shí)加速度的大小分別為a和2a,則列車從減速開始至回到正常行駛速率v0所用時(shí)間至少為( )。

解析:當(dāng)列車的任一部分處于隧道內(nèi)時(shí),列車速率都不允許超過v(v＜v0),則列車進(jìn)隧道前必須減速到v,有v=v0-2at1,解得;列車在隧道內(nèi)勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),有;列車尾部出隧道后立即加速到v0,有v0=v+at3,解得。因此列車從減速開始至回到正常行駛速率v0所用時(shí)間至少為。

答案:C

點(diǎn)評(píng):本題屬于運(yùn)動(dòng)學(xué)問題,將高速列車的運(yùn)動(dòng)過程可視化是解答本題的關(guān)鍵。題目要求列車通過隧道時(shí)的速率不超過v,又要求列車從減速開始至回到正常行駛速率v0所用時(shí)間最短,說明列車通過隧道時(shí)的速度必然是v,因此列車的運(yùn)動(dòng)過程由進(jìn)隧道前減速、隧道中勻速、出隧道后加速三部分組成。此外,列車的長(zhǎng)度不能忽略,因此列車在隧道中行駛的過程指的是車頭進(jìn)入到車尾離開的過程,將上述分析以可視化的運(yùn)動(dòng)過程呈現(xiàn)出來,如圖1所示,就可以找到解決問題的突破口。

圖1

二、命題角度新穎,解答方法多樣,注重思維能力的培養(yǎng)

與往年相比,2022年高考全國(guó)甲卷物理試題在命題角度上更加新穎,設(shè)問方式更加靈活,解答方法也更加多樣,有不少試題在傳統(tǒng)題的基礎(chǔ)上進(jìn)行大膽的創(chuàng)新與突破,能夠有效地考查學(xué)生的思維品質(zhì),考生可以根據(jù)自己的知識(shí)儲(chǔ)備靈活選擇答題方法。例如,第16 題在考查法拉第電磁感應(yīng)定律和電阻定律的同時(shí),將正方形的內(nèi)切圓、圓的內(nèi)接多邊形等幾何知識(shí)巧妙地融入進(jìn)去,從而使得考題更具靈活性和區(qū)分度;再如,第18 題以帶電粒子在電、磁疊加場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡分析為背景,考查左手定則、洛倫茲力特點(diǎn)、靜電力做功特點(diǎn)和動(dòng)能定理等知識(shí),考生既可以采用常規(guī)的排除法確定正確答案,也可以采用競(jìng)賽中常用的配速法確定正確答案;另外,第34(1)題的解答也同樣具有多樣化特點(diǎn),考生既可以采用常規(guī)的方程法計(jì)算機(jī)械波的波長(zhǎng),也可以采用單位圓法靈活巧妙地計(jì)算機(jī)械波的波長(zhǎng)。

例2(第16題)三個(gè)用同樣的細(xì)導(dǎo)線做成的剛性閉合線框,正方形線框的邊長(zhǎng)與圓形線框的直徑相等,圓形線框的半徑與正六邊形線框的邊長(zhǎng)相等,如圖2所示。把它們放入磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間線性變化的同一勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,線框所在平面均與磁場(chǎng)方向垂直,正方形、圓形和正六邊形線框中感應(yīng)電流的大小分別為I1、I2和I3。則( )。

圖2

A.I1＜I3＜I2

B.I1＞I3＞I2

C.I1=I2＞I3

D.I1=I2=I3

解析:設(shè)圓形線框的半徑為r,則正方形線框的邊長(zhǎng)為2r,正六邊形線框的邊長(zhǎng)為r,因此圓形線框的周長(zhǎng)C2=2πr,面積S2=πr2;正方形線框的周長(zhǎng)C1=8r,面積S1=4r2;正六邊形線框的周長(zhǎng)C3=6r,面積S3=。三個(gè)線框的材料粗細(xì)相同,根據(jù)電阻定律可知,三個(gè)線框的電阻之比R1∶R2∶R3=C1∶C2∶C3=8∶2π∶6,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律得,根據(jù)歐姆定律得,因此三個(gè)線框中感應(yīng)電流的大小之比I1∶I2∶I3=2∶2∶3,即I1=I2＞I3。

答案:C

點(diǎn)評(píng):本題以電磁感應(yīng)為背景,考查法拉第電磁感應(yīng)定律、電阻定律和歐姆定律等知識(shí)的綜合應(yīng)用。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知,每個(gè)線框產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與線框面積成正比,根據(jù)電阻定律可知,每個(gè)線框的電阻與其周長(zhǎng)成正比,因此找出三個(gè)線框的幾何長(zhǎng)度關(guān)系是解答本題的關(guān)鍵。根據(jù)題圖可知,正六邊形實(shí)質(zhì)上是圓的內(nèi)接六邊形,將正六邊形的中心與六個(gè)頂點(diǎn)連接起來,正六邊形由六個(gè)等邊三角形組成,利用題給相等長(zhǎng)度很快就能找出三個(gè)線框的面積關(guān)系和周長(zhǎng)關(guān)系,從而順利求解相關(guān)問題。

例3(第18 題) 空間存在勻強(qiáng)磁場(chǎng)和勻強(qiáng)電場(chǎng),磁場(chǎng)的方向垂直于紙面(xOy平面)向里,電場(chǎng)的方向沿y軸正方向。一帶正電的粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用下,從坐標(biāo)原點(diǎn)O由靜止開始運(yùn)動(dòng)。如圖3所示四幅圖中,可能正確描述該粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的是( )。

圖3

解析:在xOy平面內(nèi),電場(chǎng)的方向沿y軸正方向,故靜止在坐標(biāo)原點(diǎn)O的帶正電粒子在靜電力作用下會(huì)向y軸正方向運(yùn)動(dòng);磁場(chǎng)方向垂直于紙面向里,根據(jù)左手定則可以判斷出,向y軸正方向運(yùn)動(dòng)的粒子同時(shí)受到沿x軸負(fù)方向的洛倫茲力,故帶電粒子向x軸負(fù)方向偏轉(zhuǎn)。帶電粒子在運(yùn)動(dòng)的過程中,靜電力對(duì)粒子做功,粒子的速度大小發(fā)生變化,粒子所受的洛倫茲力方向始終與速度方向垂直。因?yàn)閯驈?qiáng)電場(chǎng)方向沿y軸正方向,所以x軸為勻強(qiáng)電場(chǎng)的等勢(shì)面,帶電粒子從開始運(yùn)動(dòng)到偏轉(zhuǎn)再次回到x軸時(shí),靜電力做功為0,洛倫茲力不做功,則帶電粒子再次回到x軸時(shí)的速度為0,隨后受靜電力作用再次進(jìn)入第二象限重復(fù)向左偏轉(zhuǎn)。綜上可知,可能正確描述該粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的是B圖。

答案:B

點(diǎn)評(píng):本題考查的是疊加場(chǎng)中帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡分析,可采用配速法對(duì)粒子的軌跡進(jìn)行深度的探討。將粒子的初速度零看成是一對(duì)等大反向的速度v0和v1的疊加,則粒子等效受到一個(gè)靜電力和兩個(gè)洛倫茲力的作用,令qv0B=qE,即,此時(shí)粒子的運(yùn)動(dòng)可等效成兩個(gè)分運(yùn)動(dòng),分運(yùn)動(dòng)1是qv0B和qE作用下的勻速直線運(yùn)動(dòng),分運(yùn)動(dòng)2 是qv1B作用下的勻速圓周運(yùn)動(dòng),由分運(yùn)動(dòng)2的軌跡可知,粒子的豎直分位移一直大于零,選項(xiàng)C、D 錯(cuò)誤。因?yàn)榉诌\(yùn)動(dòng)1 的水平位移大于分運(yùn)動(dòng)2 的水平位移,所以粒子的水平合位移一定向左,選項(xiàng)A 錯(cuò)誤,B正確。

圖4

三、強(qiáng)化物理觀念考查,注重科學(xué)方法的滲透

科學(xué)思維和科學(xué)方法是物理核心素養(yǎng)的重要組成部分,2022年高考全國(guó)甲卷物理試題在深度考查物理觀念的同時(shí),注重科學(xué)方法的滲透,體現(xiàn)“授人以魚不如授人以漁”的教育理念。例如,第21題以帶電粒子在電場(chǎng)中做勻變速曲線運(yùn)動(dòng)為背景,考查運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立性、牛頓第二定律和勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律等知識(shí)點(diǎn)的同時(shí),深度考查了運(yùn)動(dòng)分解法、等效重力法和對(duì)稱法在物理學(xué)中的應(yīng)用,體現(xiàn)科學(xué)方法的重要性。

例4(第21題)地面上方某區(qū)域存在方向水平向右的勻強(qiáng)電場(chǎng),將一帶正電荷的小球從電場(chǎng)中P點(diǎn)水平向左射出。小球所受的重力和靜電力的大小相等,重力勢(shì)能和電勢(shì)能的零點(diǎn)均取在P點(diǎn)。則小球射出后,( )。

A.小球的動(dòng)能最小時(shí),其電勢(shì)能最大

B.小球的動(dòng)能等于初始動(dòng)能時(shí),其電勢(shì)能最大

C.小球速度的水平分量和豎直分量大小相等時(shí),其動(dòng)能最大

D.從射出時(shí)刻到小球速度的水平分量為零時(shí),重力做的功等于小球電勢(shì)能的增加量

解析:對(duì)小球進(jìn)行受力分析,如圖5所示,因?yàn)閝E=mg,所以等效重力G′的方向與水平方向成45°角。當(dāng)vy=0時(shí),速度最小,且vmin=v1,因?yàn)榇藭r(shí)v1存在水平分量,靜電力還可以做負(fù)功,所以此時(shí)的電勢(shì)能不是最大的,選項(xiàng)A 錯(cuò)誤。當(dāng)小球的速度沒有水平分量時(shí),其電勢(shì)能最大。此時(shí)在水平方向上有,在豎直方向上有v=gt,又有qE=mg,解得v=v0,即此時(shí)小球的動(dòng)能等于初始動(dòng)能,選項(xiàng)B 正確。從射出時(shí)刻到小球速度的水平分量為零(小球的電勢(shì)能最大)時(shí),根據(jù)動(dòng)能定理得W重+W電=0,即重力做的功等于小球電勢(shì)能的增加量,選項(xiàng)D 正確。當(dāng)小球的速度如圖中v1所示時(shí),速度的水平分量與豎直分量相等,其動(dòng)能最小,選項(xiàng)C錯(cuò)誤。

圖5

答案:BD

點(diǎn)評(píng):本題除了可以采用等效重力法進(jìn)行解答,還可以采用常規(guī)分解法結(jié)合v-t圖像進(jìn)行分析。根據(jù)受力分析可知,粒子在豎直方向上做的是自由落體運(yùn)動(dòng),在水平方向上做的是往返型勻變速直線運(yùn)動(dòng),在水平方向上受到的靜電力等于重力說明兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)的加速度大小均為g。根據(jù)如圖6所示的vt圖像,結(jié)合對(duì)稱性可知,小球速度的水平分量為零時(shí),兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)的位移大小相等,此時(shí)重力對(duì)小球做的功等于小球克服靜電力做的功,因此重力做的功等于小球電勢(shì)能的增加量,選項(xiàng)D 正確。小球速度的水平分量為零時(shí),豎直分量為v0,此時(shí)小球的動(dòng)能等于初始動(dòng)能,小球克服靜電力做功最多,其電勢(shì)能最大,選項(xiàng)A 錯(cuò)誤,B正確。小球的動(dòng)能,這是一個(gè)開口向上的二次函數(shù),因此當(dāng)時(shí)(此時(shí)兩個(gè)分速度相等),動(dòng)能有最小值,選項(xiàng)C錯(cuò)誤。

圖6

四、加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),注重實(shí)驗(yàn)探究能力的培養(yǎng)

實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)的重要途徑,2022年高考全國(guó)甲卷物理試題不僅在兩道常規(guī)實(shí)驗(yàn)題的設(shè)置上突出了對(duì)探究能力的考查,而且在兩道計(jì)算題中也以實(shí)驗(yàn)為背景,引導(dǎo)學(xué)生注重實(shí)驗(yàn)探究能力的培養(yǎng)。例如,第22 題要求考生根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮吞峁┑膶?shí)驗(yàn)器材,畫出測(cè)量微安表內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)電路原理圖,具有一定的探究性。再如,第23 題利用氣墊導(dǎo)軌對(duì)彈性碰撞進(jìn)行研究,展示完整的實(shí)驗(yàn)探究過程,在形成結(jié)論部分,要求考生將理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,培養(yǎng)考生的證據(jù)意識(shí)。此外,第24題、第25 題也均以實(shí)驗(yàn)為背景,凸現(xiàn)了物理實(shí)驗(yàn)在發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)方面的重要地位和作用,引導(dǎo)高中課程開足開好實(shí)驗(yàn)課,鼓勵(lì)學(xué)生開展各種科學(xué)探究活動(dòng),提高實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新能力。

例5(第23題)利用如圖7所示的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)碰撞過程進(jìn)行研究。讓質(zhì)量為m1的滑塊A與質(zhì)量為m2的靜止滑塊B在水平氣墊導(dǎo)軌上發(fā)生碰撞,碰撞時(shí)間極短,比較碰撞后滑塊A和B的速度大小v1、v2,進(jìn)而分析碰撞過程是否為彈性碰撞。完成下列填空:

圖7

(1)調(diào)節(jié)導(dǎo)軌水平;

(2)測(cè)得兩滑塊的質(zhì)量分別為0.510 kg和0.304 kg,要使碰撞后兩滑塊的運(yùn)動(dòng)方向相反,應(yīng)選取質(zhì)量為_____kg的滑塊作為A;

(3)調(diào)節(jié)滑塊B的位置,使得滑塊A與B接觸時(shí),滑塊A的左端到左邊擋板的距離s1與滑塊B的右端到右邊擋板的距離s2相等;

(4)使滑塊A以一定的初速度沿氣墊導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng),并與滑塊B碰撞,分別用傳感器記錄滑塊A和B從碰撞時(shí)刻開始到各自撞到擋板所用的時(shí)間t1和t2;

(5)將滑塊B放回到碰撞前的位置,改變滑塊A的初速度大小,重復(fù)步驟(4),多次測(cè)量的結(jié)果如表1所示;

表1

(6)表中的k2=____(保留2 位有效數(shù)字);

(8)理論研究表明,對(duì)本實(shí)驗(yàn)的碰撞過程是否為彈性碰撞可由判斷,若兩滑塊的碰撞為彈性碰撞,則的理論表達(dá)式為____(用m1和m2表示),本實(shí)驗(yàn)中其值為_____(保留2位有效數(shù)字),若該值與(7)中結(jié)果間的差別在允許范圍內(nèi),則可認(rèn)為滑塊A與B在導(dǎo)軌上的碰撞為彈性碰撞。

解析:(2)用質(zhì)量較小的滑塊碰撞質(zhì)量較大的滑塊,才能使得碰后兩滑塊的運(yùn)動(dòng)方向相反,故應(yīng)選取質(zhì)量為0.304 kg的滑塊作為A。

(6)因?yàn)閮啥尉嚯xs1和s2相等,所以根據(jù)表中數(shù)據(jù)得。

(8)兩滑塊的碰撞為彈性碰撞時(shí)滿足動(dòng)量守恒定律和機(jī)械能守恒定律,則解得。

答案:(2)0.304 (6)0.31 (7)0.32

點(diǎn)評(píng):彈性碰撞的特點(diǎn)是碰撞瞬間系統(tǒng)的動(dòng)量和機(jī)械能都守恒,識(shí)記重要結(jié)論“兩物體發(fā)生彈性碰撞后的速度和,能夠在考場(chǎng)上有限的時(shí)間內(nèi)提高解題效率。

例6(第25題)光點(diǎn)式檢流計(jì)是一種可以測(cè)量微小電流的儀器,其簡(jiǎn)化的工作原理示意圖如圖8所示。圖中A為輕質(zhì)絕緣彈簧,C為位于紙面上的線圈,虛線框內(nèi)有與紙面垂直的勻強(qiáng)磁場(chǎng);M為置于平臺(tái)上的輕質(zhì)小平面反射鏡,輕質(zhì)剛性細(xì)桿D的一端與M固連且與鏡面垂直,另一端與彈簧下端相連,PQ為圓弧形的、帶有均勻刻度的透明讀數(shù)條,PQ的圓心位于M的中心,使用前需調(diào)零,使線圈內(nèi)沒有電流通過時(shí),M豎直且與紙面垂直;入射細(xì)光束沿水平方向經(jīng)PQ上的O點(diǎn)射到M上后沿原路反射。線圈通入電流后彈簧長(zhǎng)度改變,使M發(fā)生傾斜,入射光束在M上的入射點(diǎn)仍近似處于PQ的圓心,通過讀取反射光射到PQ上的位置,可以測(cè)得電流的大小。已知彈簧的勁度系數(shù)為k,磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,線圈C的匝數(shù)為N。線圈沿水平方向的長(zhǎng)度為l,細(xì)桿D的長(zhǎng)度為d,圓弧PQ的半徑為r,r?d,d遠(yuǎn)大于彈簧長(zhǎng)度改變量的絕對(duì)值。

圖8

(1)若在線圈中通入的微小電流為I,求平衡后彈簧長(zhǎng)度改變量的絕對(duì)值Δx及PQ上反射光點(diǎn)與O點(diǎn)間的弧長(zhǎng)s。

(2)某同學(xué)用此裝置測(cè)一微小電流,測(cè)量前未調(diào)零,將電流通入線圈后,PQ上反射光點(diǎn)出現(xiàn)在O點(diǎn)上方,與O點(diǎn)間的弧長(zhǎng)為s1。保持其他條件不變,只將該電流反向接入,則反射光點(diǎn)出現(xiàn)在O點(diǎn)下方,與O點(diǎn)間的弧長(zhǎng)為s2。求待測(cè)電流的大小。

解析:(1)當(dāng)線圈中通入微小電流I時(shí),設(shè)彈簧的形變量為Δx,則NBIl=kΔx。因?yàn)閐?Δx,細(xì)桿D左端劃過的弧長(zhǎng)很短,弧長(zhǎng)近似等于弦長(zhǎng),所以Δx=dθ。當(dāng)細(xì)桿D轉(zhuǎn)過的弧度為θ時(shí),根據(jù)反射定律可知,反射光線轉(zhuǎn)過的弧度為2θ,有s=r·2θ。聯(lián)立以上各式解得。

(2)在測(cè)量前未調(diào)零的情況下,設(shè)線圈中沒有通電流時(shí)光束偏移的弧長(zhǎng)為s′,若初始時(shí)反射光點(diǎn)在O點(diǎn)上方,則線圈中通電流I′后根據(jù)(1)中結(jié)論得,當(dāng)線圈中的電流反向后有,解得。若初始時(shí)反射光點(diǎn)在O點(diǎn)下方,則可得同樣的結(jié)果。因此待測(cè)電流的大小。

點(diǎn)評(píng):本題以光點(diǎn)式檢流計(jì)的設(shè)計(jì)原理為背景考查學(xué)生的建模能力和科學(xué)探究能力。要想順利解答本題,需要從以下兩個(gè)角度入手:(1)讀懂光點(diǎn)式檢流計(jì)的設(shè)計(jì)原理,構(gòu)建物理模型。當(dāng)線圈中通入微小電流時(shí),在安培力作用下彈簧的長(zhǎng)度發(fā)生改變,從而導(dǎo)致細(xì)桿D的左端發(fā)生微小移動(dòng),細(xì)桿D的延長(zhǎng)線是法線,細(xì)桿D的位置改變時(shí),必然導(dǎo)致反射光線打在弧形刻度盤上的位置發(fā)生改變。(2)注重誤差消除,提高實(shí)驗(yàn)精度。根據(jù)題意,(2)問的測(cè)量中未進(jìn)行測(cè)量前的刻度調(diào)零,這說明本該是零的刻度,讀成了s′刻度,讀大了光束的偏移量,實(shí)際測(cè)量時(shí)只有把這部分扣除才是真實(shí)值。此外明確刻度正負(fù)號(hào)和電流正負(fù)號(hào)的關(guān)系也很重要,結(jié)合題中情景圖,可以取零刻度上方的弧形刻度為正值,下方的弧形刻度為負(fù)值?；谝陨戏治?當(dāng)線圈中通電流I′,初始時(shí)反射光點(diǎn)在O點(diǎn)上方時(shí)有,當(dāng)電流反向后有,兩式相加把未調(diào)零帶來的系統(tǒng)誤差消除后,便能精確測(cè)出微電流的大小。

2.聯(lián)系生產(chǎn)生活,注重物理在日常生活中的應(yīng)用。高考已經(jīng)從知識(shí)立意轉(zhuǎn)向了能力立意,而情景類試題是考查素養(yǎng)的良好載體,因此同學(xué)們?cè)趶?fù)習(xí)備考過程中必須關(guān)注與生產(chǎn)生活、科技前沿等方面緊密聯(lián)系的真實(shí)情景,注重從實(shí)際情景中獲取信息,提煉物理模型,經(jīng)歷解決真實(shí)問題的過程,加強(qiáng)應(yīng)用所學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力,從而達(dá)到提升物理核心素養(yǎng)的目的。