創(chuàng)新與傳承并重,全面考查學(xué)科素養(yǎng)
——2022年高考全國(guó)甲卷物理試題評(píng)析

蔣金團(tuán)

(云南省施甸縣第一完全中學(xué))

2022年高考全國(guó)甲卷物理試題依托高考評(píng)價(jià)體系,突出對(duì)必備知識(shí)和關(guān)鍵能力的考查,促進(jìn)考生素養(yǎng)的提升,從而落實(shí)立德樹(shù)人的根本任務(wù);在保持平穩(wěn)過(guò)渡的同時(shí),2022年甲卷物理試題的考查方式和考查角度更加新穎與靈活,體現(xiàn)了“一核四層四翼”的創(chuàng)新性.

1 命題角度新穎、解答方法多樣化,注重思維能力的培養(yǎng)

2022年高考全國(guó)甲卷物理試題在設(shè)問(wèn)方式上非常靈活,解答方法也趨于多樣化,有不少考題在傳統(tǒng)題的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大膽的創(chuàng)新與突破,能有效考查學(xué)生的思維品質(zhì).例如第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,考查洛倫茲力的特點(diǎn)、電場(chǎng)力做功的特點(diǎn)和動(dòng)能定理等知識(shí),考生既可采用常規(guī)的排除法確定正確答案,也可采用競(jìng)賽中常用的配速法確定正確答案.

例1(18題)空間存在著勻強(qiáng)磁場(chǎng)和勻強(qiáng)電場(chǎng),磁場(chǎng)的方向垂直紙面(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(kāi)始運(yùn)動(dòng).下列四幅圖中,可能正確描述該粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的是( ).

在xOy平面內(nèi)電場(chǎng)的方向沿y軸正方向,故在坐標(biāo)原點(diǎn)O靜止的帶正電粒子在電場(chǎng)力作用下會(huì)向y軸正方向運(yùn)動(dòng).磁場(chǎng)方向垂直紙面向里,根據(jù)左手定則,可判斷出向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),選項(xiàng)A、C 錯(cuò)誤;電場(chǎng)力對(duì)帶電粒子做功,粒子速度大小發(fā)生變化,粒子所受的洛倫茲力方向始終與速度方向垂直.由于勻強(qiáng)電場(chǎng)方向是沿y軸正方向,故x軸為勻強(qiáng)電場(chǎng)的等勢(shì)面,從開(kāi)始到帶電粒子偏轉(zhuǎn)再次運(yùn)動(dòng)到x軸時(shí),電場(chǎng)力做功為0,洛倫茲力不做功,故帶電粒子再次回到x軸時(shí)的速度為0,隨后受電場(chǎng)力作用再次進(jìn)入第二象限重復(fù)向左偏轉(zhuǎn),故選項(xiàng)B正確,選項(xiàng)D 錯(cuò)誤.答案為B.

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.將粒子的初速度為零看成是一對(duì)方向相反大小相等的速度v0和v1疊加而成,這樣一來(lái),粒子等效受到一個(gè)電場(chǎng)力和兩個(gè)洛倫茲力的作用.令qv0B＝qE,即v0＝v1＝,此時(shí)粒子的運(yùn)動(dòng)可等效成兩個(gè)分運(yùn)動(dòng).第一個(gè)分運(yùn)動(dòng)是qv0B和qE作用下的勻速直線運(yùn)動(dòng),第二個(gè)分運(yùn)動(dòng)是qv1B作用下的勻速圓周運(yùn)動(dòng).由分運(yùn)動(dòng)2的軌跡圖可知,粒子的豎直分位移一直大于零,所以選項(xiàng)C、D 錯(cuò)誤;又因?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,所以水平合位移一定向左,所以選項(xiàng)A 錯(cuò)誤,選項(xiàng)B正確.

圖1

2 強(qiáng)化物理觀念考查,注重學(xué)科方法的滲透

科學(xué)思維和科學(xué)方法是核心素養(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(yú)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,在考查能量觀念的同時(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)學(xué)科方法的重要性.

例2(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自電場(chǎng)中P點(diǎn)水平向左射出.小球所受的重力和電場(chǎng)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

如圖2所示,因?yàn)镋q＝mg,故等效重力G″的方向與水平方向成45°.當(dāng)vy＝0時(shí)速度最小為vmin＝v1,由于此時(shí)v1存在水平分量,電場(chǎng)力還可以向左做負(fù)功,此時(shí)電勢(shì)能不是最大,故選項(xiàng)A 錯(cuò)誤;當(dāng)水平速度為零時(shí),水平方向上v0＝,豎直方向上v＝gt,由于Eq＝mg,得v＝v0,如圖2所示,此時(shí)小球的動(dòng)能等于初始動(dòng)能.由于此時(shí)速度沒(méi)有水平分量,故電勢(shì)能最大.由動(dòng)能定理可知此時(shí)WG＋WEq＝0,則重力做功等于小球電勢(shì)能的增加量,故選項(xiàng)B、D 正確;當(dāng)小球速度為v1時(shí),速度水平分量與豎直分量相等,動(dòng)能最小,故選項(xiàng)C錯(cuò)誤.答案為B、D.

圖2

本題除了采用等效重力法進(jìn)行解答,也可采用常規(guī)分解法結(jié)合v-t圖像進(jìn)行分析.由受力分析可知,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),由于水平方向上受到的電場(chǎng)力等于重力,說(shuō)明兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)的加速度大小均為g.根據(jù)v-t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)小球所做的功等于小球克服電場(chǎng)力所做的功,所以重力勢(shì)能的減小量等于小球電勢(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),豎直速度為v0,此時(shí)小球的動(dòng)能等于初始動(dòng)能,小球克服電場(chǎng)力做功最多,其電勢(shì)能最大,故選項(xiàng)B正確,選項(xiàng)A 錯(cuò)誤;小球的動(dòng)能為

這是一個(gè)開(kāi)口向上的二次函數(shù),因此當(dāng)t＝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3

3 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)科核心素養(yǎng)的重要途徑和方式.全國(guó)甲卷保持兩道實(shí)驗(yàn)的同時(shí),24題、25題也均以實(shí)驗(yàn)為背景,進(jìn)一步凸顯物理實(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)高中開(kāi)足開(kāi)好實(shí)驗(yàn)課,提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新能力.

例3(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4所示.

圖4

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(méi)有電流通過(guò)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(guò)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)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B,線圈C的匝數(shù)為N.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.

(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.

(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,則有NBIl＝kΔx,可得

因?yàn)閐?Δx,細(xì)桿D左端劃過(guò)的弧長(zhǎng)很短,弧長(zhǎng)近似等于弦長(zhǎng),由圖5可知Δx＝dθ,當(dāng)細(xì)桿轉(zhuǎn)過(guò)的弧度為θ時(shí),由反射定律可知反射光線轉(zhuǎn)過(guò)的弧度為2θ,有s＝r·2θ,聯(lián)立可得s＝

圖5

(2)因?yàn)闇y(cè)量前未調(diào)零,設(shè)沒(méi)有通電流時(shí)反射光點(diǎn)偏移的弧長(zhǎng)為s′,當(dāng)初始時(shí)反射光點(diǎn)在O點(diǎn)上方,通電流I′后根據(jù)前面的結(jié)論可知

當(dāng)電流反向后有

聯(lián)立可得

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,雖然本題沒(méi)有涉及高深的物理知識(shí)和復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,但在科學(xué)方法的考查上入木三分,是一道值得細(xì)細(xì)品味的好題.要想順利解答本題,筆者認(rèn)為可關(guān)注以下兩點(diǎn):1)注重教材中科學(xué)思想與方法的挖掘,將其有效遷移到新情境中來(lái).本題將微小電流以弧形刻度的形式放大出來(lái),體現(xiàn)了放大法思想.推導(dǎo)弧形刻度與微電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系式(s＝)時(shí),將很短的弧長(zhǎng)近似看成弦長(zhǎng),體現(xiàn)了微元法思想.放大法和微元法是物理學(xué)中的基本方法,在教材中有多次體現(xiàn),這說(shuō)明把教材的基本思想和基本方法吃透是很有必要的,只有熟知每種方法的內(nèi)涵,才能在新情境中進(jìn)行有效遷移;2)注重消除誤差,提高實(shí)驗(yàn)精度.根據(jù)題意,第(2)問(wèn)測(cè)量前未進(jìn)行刻度調(diào)零,這說(shuō)明本該是零的刻度,讀成了s′刻度,讀大了s′,實(shí)際測(cè)量時(shí)只有把這部分扣除才是真實(shí)值,此外刻度的正負(fù)號(hào)和電流的正負(fù)號(hào)也很重要,結(jié)合題中情境圖,取0刻度上方的弧形刻度為正值,下方的刻度為負(fù)值.基于以上分析,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s1－s′＝,當(dāng)電流反向后有(－s2)－s′＝,兩式相加把未調(diào)零帶來(lái)的系統(tǒng)誤差消除后,便能精確測(cè)出微電流值.

綜上所述,2022年高考全國(guó)甲卷計(jì)算量適中,設(shè)問(wèn)方式新穎、靈活,符合當(dāng)前物理學(xué)科核心素養(yǎng)的要求,對(duì)教學(xué)具有良好的導(dǎo)向作用.

(完)