2021年福建高考物理第7題評析及啟示

康賢明 黃麗英

(1.福建省泉州市城東中學(xué)，福建 泉州 362000； 2. 福建省石獅第八中學(xué)，福建 泉州 362700)

教育部在2019年12月發(fā)布的中國高考評價體系指出：情境是實現(xiàn)“四層”考查內(nèi)容和“四翼”考查要求的載體，對考查和培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用。[1]雙導(dǎo)體桿系統(tǒng)在導(dǎo)軌上做切割磁感線運動是高考中常見的情境，這類試題可以從多方面考查學(xué)生對綜合性物理問題的分析推理能力，從深層次考查學(xué)生的科學(xué)思維。[2]2021年福建省高考物理第7題是一道結(jié)合“雙桿模型”的多項選擇題，本文對此進行評析，并針對試題的特點給出備考啟示。

1 試題解析

原題：如圖1所示，P、Q是兩根固定在水平面內(nèi)的光滑平行金屬導(dǎo)軌，間距為L，導(dǎo)軌足夠長且電阻可忽略不計。圖中EFGH矩形區(qū)域有一方向垂直導(dǎo)軌平面向上、磁感應(yīng)強度大小為B的勻強磁場。在t=t1時刻，兩均勻金屬棒a、b分別從磁場邊界EF、GH進入磁場，速度大小均為v0；一段時間后，流經(jīng)a棒的電流為0，此時t=t2，b棒仍位于磁場區(qū)域內(nèi)。已知金屬棒a、b由相同材料制成，長度均為L，電阻分別為R和2R，a棒的質(zhì)量為m，在運動過程中兩金屬棒始終與導(dǎo)軌垂直且接觸良好，a、b棒沒有相碰，則( )。

圖1

B.t2時刻b棒的速度為0

C.t1～t2時間內(nèi)，通過a棒橫截面的電荷量是b棒的2倍

圖2

t=t2時流經(jīng)a棒的電流為0，且b棒仍位于磁場區(qū)域內(nèi)，說明回路的總感應(yīng)電動勢為0，有兩種可能，一是兩棒的速度都為0，二是兩棒速度大小相等方向相同，兩棒所受安培力大小相等，方向相反，系統(tǒng)動量守恒，因為a棒的質(zhì)量是b的兩倍，系統(tǒng)總動量向右，所以t2時刻兩棒速度相等且方向都向右，故B選項錯誤。

t1～t2時間內(nèi)，兩棒串聯(lián)組成閉合回路，通過兩棒的電流始終相等，通過橫截面的電荷量也相等，故C選項錯誤。

2 試題評析

2.1 知識立意

本題考查的物理概念有：質(zhì)量、長度、橫截面積、體積、密度、電阻、電阻率、電流、電荷量、感應(yīng)電動勢、電源、閉合電路、安培力、速度、加速度、動能、電能、焦耳熱、動量等；考查的物理規(guī)律有：電阻定律、牛頓第二定律、電磁感應(yīng)定律、閉合電路歐姆定律、動量守恒定律、能量守恒定律等?？疾榈母拍詈鸵?guī)律都是高中物理重點學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)內(nèi)容，體現(xiàn)了基礎(chǔ)性；本題涉及19個物理量，要綜合利用牛頓運動定律、動量守恒和能量守恒定律解決電磁感應(yīng)與電路的綜合問題，體現(xiàn)了綜合性；本題的情景是很難與生活實際相聯(lián)系的學(xué)習(xí)探索情境，是抽象關(guān)聯(lián)情境，是用來區(qū)分選拔高層次人才的，體現(xiàn)了應(yīng)用性；本題的選項設(shè)置，可以區(qū)分具有創(chuàng)新思維的學(xué)生，學(xué)生如果善于獨立思考，不需要計算，通過排除法，可以快速找出正確選項，體現(xiàn)了創(chuàng)新性。

2.2 能力立意

知識是載體，能力才是關(guān)鍵。從知識獲取能力來看，本題對學(xué)生的信息整理能力提出了較高的要求，因為A、D兩個選項如果要完整地計算出來，需要引入的符號多達二十幾個。這要求學(xué)生對物理基礎(chǔ)知識要有深刻的理解，并形成學(xué)科知識網(wǎng)絡(luò)，才能通過閱讀，理解試題文本，透過現(xiàn)象看本質(zhì)，發(fā)現(xiàn)隱含的規(guī)律和原理，從而將復(fù)雜的信息整理出來。從實踐能力來看，本題主要考查學(xué)生的信息轉(zhuǎn)化能力，要求學(xué)生將整理出來的復(fù)雜信息，根據(jù)所學(xué)的原理，找到信息點之間的關(guān)聯(lián)，從而得到結(jié)論。從思維能力來看，本題要求學(xué)生有較強的模型構(gòu)建能力，如結(jié)合電阻定律，構(gòu)建桿的電阻模型；由a、b棒切割磁感線，結(jié)合電磁感應(yīng)定律，構(gòu)建雙電源模型；以a、b棒為系統(tǒng)，由兩桿間的相互作用，構(gòu)建碰撞模型。

2.3 素養(yǎng)體現(xiàn)

概念和規(guī)律是物理觀念的具體體現(xiàn)，由本題考查的概念和規(guī)律可以看出，本題考查的物理觀念包括了物質(zhì)、運動、相互作用和能量四個觀念。本題中雙桿做變速運動，受到的安培力是變力，其運動模型需要通過分析兩桿的運動并進行多層次的推理才能判斷其運動狀態(tài)，考查學(xué)生對綜合性物理問題的分析推理能力，符合《普通高中物理課程標準(2017年版)》中學(xué)業(yè)質(zhì)量水平4的要求：“能將實際問題中的對象和過程轉(zhuǎn)換成所學(xué)的物理模型，能對綜合性物理問題進行分析和推理”，能較好地區(qū)分學(xué)生的學(xué)業(yè)水平。

3 教學(xué)啟示

3.1 利用思維導(dǎo)圖培養(yǎng)學(xué)生信息處理能力

本題綜合性較強，涉及的物理量、物理規(guī)律多，這就要求學(xué)生具備較強的信息梳理能力，要求學(xué)生有良好的知識結(jié)構(gòu)。在復(fù)習(xí)備考時，要幫助學(xué)生梳理知識結(jié)構(gòu)。比如，在本題講解中，可將物理量分為對象、環(huán)境和過程三類，利用思維導(dǎo)圖(圖3)進行信息梳理。復(fù)習(xí)中，思維導(dǎo)圖不是簡單的概念梳理，要幫助學(xué)生梳理知識之間的邏輯關(guān)聯(lián)，構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)。

圖3

3.2 利用問題串搭設(shè)腳手架，培養(yǎng)學(xué)生按流程思維的習(xí)慣

在本題D選項的計算中，思維流程長，綜合性強，如果不能快速構(gòu)建模型，根本無從下手。筆者的策略是利用問題串，搭設(shè)腳手架，培養(yǎng)學(xué)生按照流程進行思維的能力，比如，結(jié)合雙桿模型，設(shè)計的習(xí)題如下。

習(xí)題1：如圖4所示，固定在水平面上間距為L的兩條平行光滑金屬導(dǎo)軌，垂直于導(dǎo)軌放置的兩根金屬棒ab和cd的長度也為L，兩棒與導(dǎo)軌始終接觸良好，整個裝置上有垂直于導(dǎo)軌平面向上的勻強磁場，磁感應(yīng)強度大小為B，在t=0時刻使棒ab獲得水平向右的初速度v0，已知兩棒的質(zhì)量都為m，電阻均為R，導(dǎo)軌電阻不計。

圖4

(1)t=0時，棒ab中的感應(yīng)電動勢為多大？通過棒ab的電流是多少？

(2)t=0時，棒cd受到的安培力大小和方向如何？棒ab受到的安培力大小和方向如何？

(3) 在安培力的作用下，棒ab和棒cd的速度會如何變化？

(4) 經(jīng)過一小段時間后，棒ab和棒cd上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢如何？畫出等效電路圖。

(5) 回路中電流如何變化？棒ab和棒cd受到的安培力大小如何變化？

(6) 從t=0開始，棒ab和cd分別做什么運動？畫出二者的v-t圖像。

(7)cd棒的最大速度為多少？ab棒最終的速度為多少？

(8) 全過程中電路中產(chǎn)生的總焦耳熱為多少？

(9) 全過程中cd棒產(chǎn)生的焦耳熱為多少？

本道習(xí)題共設(shè)置了9個小問，從感應(yīng)電動勢到感應(yīng)電流、安培力、等效電路、運動、能量，環(huán)環(huán)相扣，學(xué)生在回答問題的過程經(jīng)歷了科學(xué)規(guī)范的訓(xùn)練，自然而然地養(yǎng)成了科學(xué)思維的習(xí)慣。

3.3 利用拓展變式訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的遷移能力

能力的培養(yǎng)不是一蹴而就的，需要一定的訓(xùn)練量，但訓(xùn)練不是盲目刷題。筆者的做法是拓展變式訓(xùn)練，讓學(xué)生經(jīng)歷思維的訓(xùn)練過程，下面給出幾道雙桿模型的訓(xùn)練題(限于篇幅，只給出題干部分)。

習(xí)題2：如圖5所示，固定在水平面上間距為L的兩條平行光滑金屬導(dǎo)軌，垂直于導(dǎo)軌放置的兩根金屬棒ab和cd長度也為L，兩棒與導(dǎo)軌始終接觸良好。整個裝置上有垂直于導(dǎo)軌平面向上的勻強磁場，磁感應(yīng)強度大小為B。t=0時ab棒的初速度向右、大小為2v0，cd棒的初速度向左、大小為v0。

圖5

習(xí)題3：如圖6所示，光滑平行不等寬金屬導(dǎo)軌水平放置，導(dǎo)軌寬度分別為L和2L，金屬棒ab質(zhì)量為m，電阻為R，長度為L，金屬棒cd質(zhì)量為2m，電阻為2R，長度為2L，導(dǎo)軌電阻不計。整個裝置處于豎直向下的勻強磁場中，磁感應(yīng)強度為B，t=0時棒ab獲得向右的初速度v0。

圖6

習(xí)題4：如圖7所示，固定在水平面上間距為L的兩條平行光滑金屬導(dǎo)軌，垂直于導(dǎo)軌放置的兩根金屬棒ab和cd長度也為L，兩棒與導(dǎo)軌始終接觸良好。整個裝置上有垂直于導(dǎo)軌平面向上的勻強磁場，磁感應(yīng)強度大小為B。t=0時刻，對棒ab施加一個水平向右的恒力F，已知兩棒的質(zhì)量都為m，電阻均為R，導(dǎo)軌電阻不計。

圖7

很多老師喜歡利用真題讓學(xué)生進行所謂的刷題訓(xùn)練。誠然，在學(xué)生已經(jīng)建立完善的知識結(jié)構(gòu)，具有一定思維能力的情況下，適當(dāng)?shù)乃㈩}對提高學(xué)生的熟練程度是有幫助的。但是，在新授課的習(xí)題教學(xué)和高考一輪復(fù)習(xí)中，對于基礎(chǔ)較為薄弱的學(xué)生，大量利用真題進行刷題訓(xùn)練，往往會加重學(xué)生負擔(dān)，而且收效甚微。利用問題串，將試題轉(zhuǎn)化為習(xí)題，減少思維鏈的長度，可促進學(xué)生融會貫通，靈活應(yīng)用。