科技情境類試題的命題特點(diǎn)及解題策略

胡道成

(貴州省威寧縣畢節(jié)第三實(shí)驗(yàn)高級(jí)中學(xué))

隨著國家教育政策和考試評(píng)價(jià)體系的不斷變化,情境化試題已成為高考物理命題的必然趨勢(shì)。情境化試題通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)的生產(chǎn)生活、科技創(chuàng)新、體育運(yùn)動(dòng)等情境,提出實(shí)際問題,讓學(xué)生在實(shí)際問題的解決過程中展現(xiàn)自己的核心素養(yǎng),既為高校選拔出具有發(fā)展?jié)撃艿母咚刭|(zhì)人才,也為知識(shí)取向教學(xué)轉(zhuǎn)向素養(yǎng)導(dǎo)向教學(xué)、落實(shí)立德樹人教育根本任務(wù)指引了方向?？萍记榫愁愒囶}頻繁出現(xiàn)在高考物理試題和一些省市的模擬試題中,這類試題以科技領(lǐng)域的真實(shí)情境為測(cè)試載體,以物理學(xué)科核心素養(yǎng)為測(cè)試宗旨,聚焦關(guān)鍵能力、學(xué)科素養(yǎng)和思維品質(zhì)的考查,能較好地契合新課程改革理念及新高考評(píng)價(jià)體系的要求,也能反映科技領(lǐng)域最新的研究成果,從而引導(dǎo)考生樹立民族自信心與自豪感,是高考不斷強(qiáng)化育人功能,系統(tǒng)地加強(qiáng)考試內(nèi)容的思想教育和價(jià)值引領(lǐng)的具體表現(xiàn)?，F(xiàn)結(jié)合實(shí)例剖析科技情境類試題的一些命題特點(diǎn),探索對(duì)應(yīng)的一些解題策略,以期對(duì)高考備考復(fù)習(xí)有所裨益。

一、主要考查提取、加工物理信息與聯(lián)結(jié)必備知識(shí)的能力

以密切聯(lián)系生產(chǎn)、生活的科技應(yīng)用為載體,運(yùn)用文字、圖片、數(shù)據(jù)、圖表等形式來承載物理模型和必備知識(shí),并給出輔助公式以呈現(xiàn)解題信息,通過設(shè)計(jì)問題任務(wù),將不同的物理量聯(lián)系起來,以開闊學(xué)生物理視野,啟迪學(xué)生科學(xué)思維,考查學(xué)生完整提取、加工物理信息與聯(lián)結(jié)物理必備知識(shí)的能力。

【例1】(陜西省寶雞千陽縣中學(xué)2023屆?？碱})為了測(cè)量某化工廠的污水排放量,技術(shù)人員在該廠的排污管末端安裝了如圖1所示的流量計(jì),該裝置由絕緣材料制成,長(zhǎng)、寬、高分別為a=1 m、b=0.2 m、c=0.2 m,左、右兩端開口,在垂直于前、后面的方向加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B=1.25 T的勻強(qiáng)磁場(chǎng),在上、下兩個(gè)面的內(nèi)側(cè)固定有金屬板M、N作為電極,污水充滿裝置以某一速度從左向右勻速流經(jīng)該裝置時(shí),用電壓表測(cè)得兩個(gè)電極間的電壓U=1 V。且污水流過該裝置時(shí)受到阻力作用,阻力Ff=kLv,其中比例系數(shù)k=15 N·s/m2,L為污水沿流速方向的長(zhǎng)度,v為污水的流速。下列說法中正確的是

圖1

( )

A.金屬板M電勢(shì)不一定高于金屬板N的電勢(shì),因?yàn)槲鬯胸?fù)離子較多

B.污水中離子濃度的高低對(duì)電壓表的示數(shù)也有一定影響

C.污水的流量(單位時(shí)間內(nèi)流出的污水體積)Q=0.16 m3/s

D.為使污水勻速通過該裝置,左、右兩側(cè)管口應(yīng)施加的壓強(qiáng)差為Δp=1 500 Pa

【點(diǎn)評(píng)】本題考查電磁流量計(jì),教材上的電磁流量計(jì)是圓管,只要測(cè)出管壁上關(guān)于圓管軸線對(duì)稱的兩點(diǎn)間的電勢(shì)差,即可求出管中液體的流量。這里則是立方體形狀的電磁流量計(jì),題中給出了阻力表達(dá)式,增設(shè)了“離子濃度”“壓強(qiáng)差”兩個(gè)問題,考生需要完整地提取出題給信息,將電壓表示數(shù)、流速、流量、阻力、壓強(qiáng)等物理量聯(lián)系起來,而“電壓穩(wěn)定后離子做勻速運(yùn)動(dòng),電場(chǎng)力與洛倫茲力相等”則是解決問題的“必備知識(shí)”,要以此結(jié)論作為未知量與已知量的“橋梁”,解題時(shí)要善于圍繞這個(gè)重要結(jié)論來通過物理公式將新增的物理量結(jié)合起來,才能最終找到待求量與所有已知量之間的聯(lián)系。

二、主要考查學(xué)生解讀情境素材、建立物理模型的能力

命題者將需要考查的必備知識(shí)通過物理模型加載到新穎的科技情境中,實(shí)現(xiàn)了試題的情境化過程,考生需要通過現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí),對(duì)科技情境進(jìn)行識(shí)別、比較、簡(jiǎn)化、抽象和提煉,從而“還原”為自己熟悉的物理模型,撕開情境化試題的神秘面紗,實(shí)現(xiàn)試題的去情境化,把陌生的科技情境還原為自己熟悉的純物理問題情境。通過解讀情境素材、建立物理模型,運(yùn)用物理觀念和科學(xué)思維能力來尋找解題突破口。

【例2】(2023年陜西省咸陽市模擬題)艦載機(jī)電磁彈射是現(xiàn)在航母最先進(jìn)的彈射技術(shù),我國在這一領(lǐng)域已達(dá)到世界先進(jìn)水平。某同學(xué)自己設(shè)計(jì)了一個(gè)如圖2甲所示的電磁彈射系統(tǒng)模型。該彈射系統(tǒng)工作原理如圖2乙所示,用于推動(dòng)模型飛機(jī)的動(dòng)子(圖中未畫出)與線圈絕緣并固定,線圈帶動(dòng)動(dòng)子,可在水平導(dǎo)軌上無摩擦滑動(dòng)。線圈位于導(dǎo)軌間的輻向磁場(chǎng)中,其所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B。開關(guān)S與1接通,恒流源與線圈連接,動(dòng)子從靜止開始推動(dòng)飛機(jī)加速,飛機(jī)達(dá)到起飛速度時(shí)與動(dòng)子脫離;此時(shí)S擲向2接通定值電阻R0,同時(shí)對(duì)動(dòng)子施加一個(gè)回撤力F,在t3時(shí)刻撤去力F,最終動(dòng)子恰好返回初始位置停下。若動(dòng)子從靜止開始至返回過程的v-t圖像如圖2丙所示。已知模型飛機(jī)起飛速度v1=40 m/s,t1=1.5 s,t2=2.0 s,線圈匝數(shù)n=50匝,每匝周長(zhǎng)l=1 m,動(dòng)子和線圈的總質(zhì)量m=5 kg,線圈的電阻R=0.5 Ω,R0=4.5 Ω,B=0.1 T,不計(jì)空氣阻力和飛機(jī)起飛對(duì)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)速度的影響,求:

甲

(1)動(dòng)子和線圈向前運(yùn)動(dòng)的最大位移;

(2)回撤力F與動(dòng)子速度v大小的關(guān)系式;

(3)圖2丙中v2的數(shù)值。(保留2位有效數(shù)字)

【點(diǎn)評(píng)】本題中的“輻向磁場(chǎng)”是學(xué)生感到很陌生的模型,其實(shí),開關(guān)S與1接通時(shí)通過恒流源給線圈提供電流,若對(duì)線圈進(jìn)行分割,建立“導(dǎo)體微元”就能弄清其所受安培力的“狀態(tài)模型”;開關(guān)S擲向2接通定值電阻,則又屬于“導(dǎo)體棒切割磁感線運(yùn)動(dòng)”而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),動(dòng)子在“輻向磁場(chǎng)”施加的安培力與外加回撤力F作用下做勻減速運(yùn)動(dòng)的“過程模型”。這里完全可以直接從圖2丙中的v-t圖線入手,擺脫圖甲的情境給自己帶來的巨大心理沖擊,從圖中提取出“動(dòng)子將飛機(jī)推動(dòng)到最大速度后減速返回”這個(gè)信息,而圖中的t2時(shí)刻表示動(dòng)子和線圈速度為零,顯然是返回點(diǎn),所以可由圖像信息直接求動(dòng)子和線圈向前運(yùn)動(dòng)的最大位移。t1～t2時(shí)間內(nèi)動(dòng)子和線圈(相當(dāng)于導(dǎo)體棒)向右運(yùn)動(dòng),安培力與回撤力都向左,t2時(shí)刻以后安培力反向,根據(jù)牛頓第二定律即可找到回撤力F與動(dòng)子速度v大小的關(guān)系式。t3時(shí)刻撤去力F,則成為“單桿模型”的非勻減速運(yùn)動(dòng),動(dòng)量定理就是解題的基本工具。面對(duì)陌生的科技情境,首先要冷靜下來,識(shí)別其物理模型,消除心理上的恐懼感,相信“新題不難”,逐漸找到電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的基本規(guī)律和常用公式,就會(huì)在“山重水復(fù)疑無路”的新情境中,逐漸找到“柳暗花明又一村”的熟題感。

三、主要考查學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行推理、論證與求解能力

應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)處理物理問題的能力一直是高考物理的重要內(nèi)容,要求考生能根據(jù)具體的物理情境,找出物理問題并根據(jù)物理定理、定律等列出物理量之間的關(guān)系式,把物理?xiàng)l件通過幾何、三角函數(shù)、代數(shù)、解析幾何等數(shù)學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)方程,再運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行推理、論證與求解而得出結(jié)果,或是直接用圖像解決問題,必要時(shí)還要對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行物理化的解釋或取舍。

圖3

(1)通過磁分析器選擇出來的離子的比荷;

(2)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)僅加電場(chǎng)時(shí),離子在穿越偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)中沿電場(chǎng)方向偏轉(zhuǎn)的距離;

(3)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)僅加磁場(chǎng)時(shí),離子注入晶圓的位置坐標(biāo)(x,y)(用長(zhǎng)度R1、R2及L表示)。

圖4

四、主要考查學(xué)生對(duì)物理思想方法的領(lǐng)悟能力與實(shí)驗(yàn)探究能力

物理實(shí)驗(yàn)的思想、方法是實(shí)驗(yàn)探究能力的靈魂,歷史上許多實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路非常別致,實(shí)驗(yàn)原理、思想和方法可謂精彩絕倫,而許多實(shí)驗(yàn)儀器的工作原理、使用方法又屬于科技創(chuàng)新的典型例子。引導(dǎo)學(xué)生靈活地運(yùn)用學(xué)過的一些理論、實(shí)驗(yàn)方法、儀器去研究某些未知的物理問題,或者從物理學(xué)史上的精美實(shí)驗(yàn)中去領(lǐng)悟一些物理思想,把它遷移到其他領(lǐng)域去解決一些沒有做過的實(shí)驗(yàn)中的某些問題,是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力的有效途徑,也完全符合高考命題“服務(wù)選才,引導(dǎo)教學(xué)”的命題要求,所以命題專家會(huì)在非實(shí)驗(yàn)題中考查學(xué)生的物理思想方法領(lǐng)悟能力與實(shí)驗(yàn)探究能力。

【例4】(2023年北京市朝陽區(qū)質(zhì)量檢測(cè)題)密立根油滴實(shí)驗(yàn)將微觀量轉(zhuǎn)化為宏觀量進(jìn)行測(cè)量,揭示了電荷的不連續(xù)性,并測(cè)定了元電荷的數(shù)值。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單巧妙,被稱為物理學(xué)史上最美實(shí)驗(yàn)之一。該實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)化裝置如圖5甲所示。水平放置、間距為d的兩平行金屬極板接在電源上,在上極板中間開一小孔,用噴霧器將油滴噴入并從小孔飄落到兩極板間。已知油滴帶負(fù)電。油滴所受空氣阻力f=6πrηv,式中η為已知量,r為油滴的半徑,v為油滴的速度大小。已知油的密度為ρ,重力加速度為g。

甲

(1)在極板間不加電壓,由于空氣阻力作用,觀測(cè)到某一油滴以恒定速率緩慢下降距離L所用的時(shí)間為t1,求該油滴的半徑r;

(2)在極板間加電壓U,經(jīng)過一段時(shí)間后,觀測(cè)到(1)問中的油滴以恒定速率緩慢上升距離L所用的時(shí)間為t2。求該油滴所帶的電荷量Q;

(3)實(shí)驗(yàn)中通過在兩極板間照射X射線不斷改變油滴的電荷量。圖5乙是通過多次實(shí)驗(yàn)所測(cè)電荷量的分布圖,橫軸表示不同油滴的編號(hào),縱軸表示電荷量。請(qǐng)說明圖乙中油滴所帶電荷量的分布特點(diǎn),并說明如何處理數(shù)據(jù)進(jìn)而得出元電荷的數(shù)值。

(3)電荷量的分布呈現(xiàn)出明顯的不連續(xù)性,這是量子化的表現(xiàn)。根據(jù)圖5乙中數(shù)據(jù)分布的特點(diǎn),可將電荷量數(shù)值近似相等的數(shù)據(jù)分為一組,求出每組電荷量的平均值,再對(duì)各平均值求差值。在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi),若發(fā)現(xiàn)各平均值及差值均為某一最小數(shù)值的整數(shù)倍,則這個(gè)最小數(shù)值即為元電荷的數(shù)值。

【點(diǎn)評(píng)】密立根油滴實(shí)驗(yàn)巧妙地將微觀量轉(zhuǎn)化為宏觀量進(jìn)行測(cè)量,本題引導(dǎo)中學(xué)物理教學(xué)要帶領(lǐng)學(xué)生“重走”科學(xué)家們的“發(fā)現(xiàn)之旅”,讓學(xué)生領(lǐng)悟物理思想方法的重要價(jià)值。板間未加電壓時(shí)油滴向下做勻速直線運(yùn)動(dòng),建立球體勻速運(yùn)動(dòng)模型,根據(jù)所給公式結(jié)合平衡條件即可求出油滴半徑;板間加電壓時(shí),油滴勻速緩慢上升,也是一種平衡狀態(tài),通過列出電場(chǎng)力與重力和阻力的平衡關(guān)系即可計(jì)算油滴的電荷量;而元電荷的計(jì)算則要求出電荷量的平均值及其差值,并且平均值與差值要是某一最小數(shù)值的整數(shù)倍,才能確定這個(gè)最小數(shù)值為元電荷的電荷量,這是計(jì)算微小量的一種科學(xué)思維方法。