基于核心素養(yǎng)的一輪復(fù)習(xí)作業(yè)設(shè)計(jì)
——以“磁場(chǎng)”專題為例

陳慶賀

(廣東省佛山市三水區(qū)實(shí)驗(yàn)中學(xué))

作業(yè)是課堂教學(xué)的重要環(huán)節(jié),是連接教學(xué)與評(píng)價(jià)的橋梁,也是提升學(xué)科教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵所在,在高三的一輪復(fù)習(xí)中顯得尤為重要?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》指出:“通過習(xí)題教學(xué),使學(xué)生在科學(xué)思維、探究能力、實(shí)踐意識(shí)、科學(xué)態(tài)度等方面得到有效提升。在教學(xué)實(shí)踐中依據(jù)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的要求選擇和組織內(nèi)容,有效促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成?！边z憾的是,很多老師對(duì)作業(yè)設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)不足,導(dǎo)致學(xué)生作業(yè)出現(xiàn)目標(biāo)不夠明確、難度分層不足、形式較為單一、內(nèi)容機(jī)械重復(fù)等不良后果,與提升學(xué)生核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)相背離。

筆者所在的學(xué)校是廣東省國(guó)家級(jí)示范性高中,學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)屬于中等水平。在進(jìn)行“磁場(chǎng)”的一輪復(fù)習(xí)后,為了鞏固和加深學(xué)生對(duì)磁場(chǎng)知識(shí)的理解,筆者圍繞高考評(píng)價(jià)目標(biāo),充分考慮了題目所承載的核心價(jià)值,以豐富的物理情境為載體,以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)為著眼點(diǎn),精心設(shè)計(jì)了一組反饋訓(xùn)練題目,供學(xué)生作為反饋?zhàn)鳂I(yè)使用。作業(yè)按知識(shí)點(diǎn)順序選編了10道選擇題,來自最新的高考真題以及高考模擬題,題目情境創(chuàng)新,難度中等,注重知識(shí)的綜合性,能較好地反映出學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況,作業(yè)的建議用時(shí)25分鐘。

【例1】(2023·海南聯(lián)考·T3)從太陽(yáng)和其他星體發(fā)射出的高能粒子流,在射向地球時(shí),由于地磁場(chǎng)的存在,改變了運(yùn)動(dòng)方向,對(duì)地球起到了保護(hù)作用。地磁場(chǎng)的示意圖(虛線,方向未標(biāo)出)如圖1所示,赤道上方的磁場(chǎng)可看成與地面平行,若有來自宇宙的一束粒子流,其中含有α(He的原子核)、β(電子)、γ(光子)射線以及質(zhì)子,沿與地球表面垂直的方向射向赤道上空,則在地磁場(chǎng)的作用下

圖1

( )

A.α射線沿直線射向赤道

B.β射線向西偏轉(zhuǎn)

C.γ射線向東偏轉(zhuǎn)

D.質(zhì)子向北偏轉(zhuǎn)

【答案】B

【設(shè)計(jì)意圖】考點(diǎn):地磁場(chǎng)與安培定則。磁場(chǎng)這章知識(shí)對(duì)學(xué)生的空間想象能力要求比較高。對(duì)于地球而言,既有“上” “下” “左” “右” “前” “后”之分,又有“東” “南” “西” “北” “里” “外”之別。而且,地磁場(chǎng)的“南、北”極與地理上的“南、北”極相反。通過這道例題,可以讓學(xué)生進(jìn)一步熟悉這些方位描述,為后續(xù)的二輪復(fù)習(xí)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

【例2】(2023·廣東茂名聯(lián)考·T10)(多選)抗磁性,也稱反磁性,是指物質(zhì)處在外加磁場(chǎng)中時(shí),對(duì)磁場(chǎng)產(chǎn)生微弱斥力的一種磁性現(xiàn)象。對(duì)抗磁性的解釋,可以采用如圖2的經(jīng)典模型:電子繞O處的原子核沿順時(shí)針(俯視時(shí))做勻速圓周運(yùn)動(dòng),其在O處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B0。假設(shè)外加豎直方向、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B(B>B0)的勻強(qiáng)磁場(chǎng)后,電子軌道的半徑保持不變,電子圓周運(yùn)動(dòng)的速率會(huì)發(fā)生改變,從而產(chǎn)生抗磁性。對(duì)于抗磁性的解釋,下列說法正確的是

圖2

( )

A.若外界磁場(chǎng)方向豎直向下,電子的速率會(huì)增大,O處磁感應(yīng)強(qiáng)度小于B-B0

B.若外界磁場(chǎng)方向豎直向下,電子的速率會(huì)減小,O處磁感應(yīng)強(qiáng)度大于B-B0

C.若外界磁場(chǎng)方向豎直向上,電子的速率會(huì)減小,O處磁感應(yīng)強(qiáng)度小于B+B0

D.若外界磁場(chǎng)方向豎直向上,電子的速率會(huì)增大,O處磁感應(yīng)強(qiáng)度大于B+B0

【答案】AC

【設(shè)計(jì)意圖】考點(diǎn):磁感應(yīng)強(qiáng)度的疊加。磁感應(yīng)強(qiáng)度B是矢量,當(dāng)空間中存在多個(gè)磁場(chǎng)時(shí),某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小和方向可以由平行四邊形定則來確定,這就是磁感應(yīng)強(qiáng)度的疊加原理。題目的情境比較新穎,涉及學(xué)生以前沒有接觸過的知識(shí)。其中對(duì)抗磁性的解釋,首先要通過分析題目的文字描述,理解其產(chǎn)生的原因,并結(jié)合安培定則判斷電子運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小和方向。要解決問題,首先需要讀懂題目的意思,除了必要的物理知識(shí)外,還需要同學(xué)們有足夠的獲取信息的能力。

【例3】(2023·南寧聯(lián)考·T5)如圖3的甲所示是我國(guó)研制的高速磁浮交通系統(tǒng)成功下線的情景。常導(dǎo)磁吸式(EMS)利用裝在車輛兩側(cè)轉(zhuǎn)向架上的常導(dǎo)電磁線圈和鋪設(shè)在線路導(dǎo)軌上的磁鐵,在兩者的相互作用下產(chǎn)生的吸引力使車輛浮起,軌道磁鐵受列車速度影響,速度大磁性強(qiáng),軌道磁鐵外部磁感應(yīng)強(qiáng)度隨距離增大而減小。車體運(yùn)行時(shí),通過精確控制車身線圈中的電流I磁,形成穩(wěn)定的吸引力,使車體與軌道之間始終保持10 mm的懸浮氣隙,如圖乙所示。下列選項(xiàng)正確的是

甲

( )

A.車身懸浮時(shí)受到的豎直方向安培力大于重力

B.當(dāng)懸浮間隙小于10 mm時(shí),應(yīng)增大電流使之回復(fù)

C.車體滿載時(shí)懸浮較空載所需的電流較小

D.列車高速時(shí)更難懸浮

【答案】B

【設(shè)計(jì)意圖】考點(diǎn):對(duì)安培力的理解。安培力是通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的受力,其大小F=BILsinθ,方向由左手定則判斷,其中θ為磁感應(yīng)強(qiáng)度B與電流I的夾角,L為通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的有效長(zhǎng)度。當(dāng)電流方向與磁場(chǎng)垂直時(shí),安培力最大;當(dāng)電流方向與磁場(chǎng)方向平行時(shí),安培力為零。這道題目以我國(guó)研制的高速磁浮交通系統(tǒng)為背景,考查了對(duì)平衡條件和安培力大小的理解,具有“高起點(diǎn)、低落點(diǎn)”的特點(diǎn),體現(xiàn)了試題的基礎(chǔ)性。同時(shí),試題以我國(guó)的重大工程項(xiàng)目為背景,弘揚(yáng)家國(guó)情懷,增強(qiáng)文化自信,有利于培養(yǎng)核心素養(yǎng)中的“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”。

【例4】(2023·廣東佛山統(tǒng)測(cè)·T6)如圖4所示,導(dǎo)體棒ab置于水平導(dǎo)軌上,導(dǎo)軌間距為L(zhǎng),整個(gè)裝置處于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,磁場(chǎng)方向垂直于導(dǎo)體棒,且與導(dǎo)軌平面夾角為θ。已知回路中電流為I,導(dǎo)體棒處于靜止?fàn)顟B(tài)。下列說法正確的是

圖4

( )

A.導(dǎo)體棒ab與導(dǎo)軌之間一定有摩擦力

B.僅增大電流,導(dǎo)體棒ab可能從導(dǎo)軌上飛起

C.無論磁感應(yīng)強(qiáng)度B大小為多少,導(dǎo)體棒ab始終保持靜止

D.將θ調(diào)整為90°,保持磁感應(yīng)強(qiáng)度B大小不變,導(dǎo)體棒ab受到的安培力變大

【答案】AD

【設(shè)計(jì)意圖】考點(diǎn):導(dǎo)體在安培力作用下的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念是物理三大觀念之一,無論是在力學(xué)、電學(xué)還是磁學(xué)中都應(yīng)不斷進(jìn)行加深鞏固。這道題目考查了對(duì)導(dǎo)體棒的受力分析、安培力方向的判斷、安培力公式、摩擦力的特點(diǎn)等,注重考查知識(shí)的基礎(chǔ)性,培養(yǎng)良好的解題習(xí)慣。

【例5】(2023·海南卷·T2)如圖5所示,帶正電的小球豎直向下射入垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng),關(guān)于小球運(yùn)動(dòng)和受力說法正確的是( )

圖5

A.小球剛進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)受到的洛倫茲力水平向右

B.小球運(yùn)動(dòng)過程中的速度不變

C.小球運(yùn)動(dòng)過程的加速度保持不變

D.小球受到的洛倫茲力對(duì)小球做正功

【答案】A

【設(shè)計(jì)意圖】考點(diǎn):對(duì)洛倫茲力的理解。試題的情境簡(jiǎn)單,主要考查基本概念和基本規(guī)律,突出了題目的基礎(chǔ)性。因?yàn)槭菐щ娦∏?除了受洛倫茲力以外,還會(huì)受到重力作用,需要學(xué)生不能先入為主,認(rèn)為小球只受洛倫茲力。題目充分考查學(xué)生的審題習(xí)慣和能力,考查了對(duì)洛倫茲力的理解以及對(duì)小球的運(yùn)動(dòng)情況分析,進(jìn)一步加深學(xué)生的運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念。

【例6】(2023·湖北模擬·T8)(多選)我國(guó)最北的城市漠河地處高緯度地區(qū),在晴朗的夏夜偶爾會(huì)出現(xiàn)美麗的彩色“極光”。極光是宇宙中高速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子受地球磁場(chǎng)影響,與空氣分子作用的發(fā)光現(xiàn)象,若宇宙粒子帶正電,因入射速度與地磁場(chǎng)方向不垂直,故其軌跡偶成螺旋狀如圖6所示(相鄰兩個(gè)旋轉(zhuǎn)圓之間的距離稱為螺距Δx)。下列說法正確的是

( )

A.帶電粒子進(jìn)入大氣層后與空氣發(fā)生相互作用,在地磁場(chǎng)作用下的旋轉(zhuǎn)半徑會(huì)越來越小

B.若越靠近兩極地磁場(chǎng)越強(qiáng),則隨著緯度的增加,以相同速度入射的宇宙粒子的半徑越大

C.漠河地區(qū)看到的“極光”將以逆時(shí)針方向(從下往上看)向前旋進(jìn)

D.當(dāng)不計(jì)空氣阻力時(shí),若入射粒子的速率不變,僅減小與地磁場(chǎng)的夾角,則旋轉(zhuǎn)半徑減小,而螺距Δx增大

【答案】AD

【設(shè)計(jì)意圖】考點(diǎn):帶電粒子在洛倫茲力下的運(yùn)動(dòng)。本題以極光作為素材,綜合考查了地磁場(chǎng)的特點(diǎn)、洛倫茲力的大小和方向、圓周運(yùn)動(dòng)的向心力公式、運(yùn)動(dòng)的合成與分解等知識(shí),突出題目的綜合性和應(yīng)用性。根據(jù)左手定則可知,洛倫茲力的方向總是與速度方向垂直,故洛倫茲力永不做功,不改變粒子的動(dòng)能;但洛倫茲力能夠改變粒子的速度方向,故洛倫茲力會(huì)有沖量,能改變粒子的動(dòng)量。在處理帶電粒子在洛倫茲力作用下的運(yùn)動(dòng)時(shí),要特別注意分析洛倫茲力對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)情況的影響。題目還要求學(xué)生能理解新名詞“螺距Δx”,利于培養(yǎng)學(xué)生面對(duì)新問題的應(yīng)變能力、信息提取能力。

圖7

( )

【答案】A

【設(shè)計(jì)意圖】考點(diǎn):帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。題目設(shè)計(jì)的是一個(gè)學(xué)習(xí)探索類問題情境,考查學(xué)生對(duì)帶電粒子在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中的受力與運(yùn)動(dòng)的理解和應(yīng)用,突出了數(shù)學(xué)知識(shí)在物理學(xué)習(xí)中的重要作用。情境看似簡(jiǎn)單,但需要學(xué)生在非常熟練掌握帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)和在勻強(qiáng)電場(chǎng)中做類平拋運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上,結(jié)合命題人提供的信息,充分運(yùn)用幾何知識(shí)進(jìn)行解題。此題有新意,充分考慮學(xué)生學(xué)習(xí)和生活實(shí)際,考查學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)方法分析和解決實(shí)際問題的能力,引導(dǎo)學(xué)生在解決問題中建構(gòu)知識(shí)、培養(yǎng)能力,凸顯素養(yǎng)導(dǎo)向的評(píng)價(jià)理念,體現(xiàn)高考服務(wù)選才的功能。

【例8】(2022·湖北卷·T8)(多選)在如圖8所示的平面內(nèi),分界線SP將寬度為L(zhǎng)的矩形區(qū)域分成兩部分,一部分充滿方向垂直于紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng),另一部分充滿方向垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B,SP與磁場(chǎng)左右邊界垂直。離子源從S處射入速度大小不同的正離子,離子入射方向與磁場(chǎng)方向垂直且與SP成30°角。已知離子比荷為k,不計(jì)重力。若離子從P點(diǎn)射出,設(shè)出射方向與入射方向的夾角為θ,則離子的入射速度和對(duì)應(yīng)θ角的可能組合為

圖8

( )

C.kBL,60° D.2kBL,60°

【答案】BC

【設(shè)計(jì)意圖】考點(diǎn):帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的多解問題。帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,在洛倫茲力作用下會(huì)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。由于帶電粒子的電性不確定、勻強(qiáng)磁場(chǎng)的方向不確定、粒子運(yùn)動(dòng)的往復(fù)性等,都會(huì)導(dǎo)致帶電粒子在有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)多解問題。本題是以學(xué)習(xí)探索情境為背景,側(cè)重考查了帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)由于臨界狀態(tài)不確定而形成多解,要求能夠構(gòu)建出粒子運(yùn)動(dòng)的軌跡模型,對(duì)學(xué)生的空間想象能力要求比較高,體現(xiàn)了題目考查的綜合性和創(chuàng)新性,可以很好地促使學(xué)生主動(dòng)思考,從而提升學(xué)生的實(shí)踐意識(shí)和創(chuàng)新能力。

【例9】(2023·四川?？肌4)如圖9所示,平面直角坐標(biāo)系xOy內(nèi),存在垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.2 T,原點(diǎn)O有一粒子源,能向紙面內(nèi)各個(gè)方向釋放出比荷為4×108C/kg的正粒子,粒子初速度v0=8×106m/s,不計(jì)粒子重力,有一與x軸成45°角傾斜放置的足夠長(zhǎng)擋板跨越第一、三、四象限,P是擋板與x軸交點(diǎn),,則擋板上被粒子打中的區(qū)域長(zhǎng)度為

圖9

( )

A.24 cm B.16 cm C.20 cm D.32 cm

【答案】C

【設(shè)計(jì)意圖】考點(diǎn):帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的臨界問題。這道題目設(shè)立了一個(gè)簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)探索情境,考查了帶電粒子在有邊界的磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)的臨界問題,對(duì)學(xué)生的空間想象能力要求比較高,具有綜合性和創(chuàng)新性。通過練習(xí),可以讓學(xué)生更好地體會(huì)解決帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的臨界問題的方法,即通常從題目中的“恰好” “最大” “至少”等字眼入手作為突破口,尋找臨界點(diǎn),確定臨界狀態(tài),再根據(jù)磁場(chǎng)邊界和題設(shè)條件畫好軌跡,建立幾何關(guān)系求解。臨界點(diǎn)常用的結(jié)論包括:(1)剛好穿出(或不穿出)磁場(chǎng)邊界的條件是帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌跡與邊界相切;(2)當(dāng)速度v一定時(shí),弧長(zhǎng)(或弦長(zhǎng))越長(zhǎng),對(duì)應(yīng)圓心角越大,則帶電粒子在有界磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間越長(zhǎng);(3)當(dāng)速度v變化時(shí),圓心角越大,運(yùn)動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)。

【例10】(2023·河南聯(lián)考·T8)霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器,用以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化。某半導(dǎo)體材料制成的霍爾元件如圖10所示,長(zhǎng)方體元件處于方向垂直于工作面向下的待測(cè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,接通開關(guān)S,調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R,使電路中電流為定值I,此時(shí)在元件的前后表面間會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差(稱為霍爾電壓),用電壓表測(cè)出前后表面M、N(圖中未標(biāo)出)間電勢(shì)差UH的大小,即可求出該磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。UH的大小與I和B滿足UH=kHIB,kH稱為霍爾元件靈敏度,kH越大,靈敏度越高。已知元件長(zhǎng)為a,寬為b,高為h。下列說法正確的是

圖10

( )

A.表面M電勢(shì)高,說明半導(dǎo)體材料中的載流子(參與導(dǎo)電部分)帶負(fù)電

B.霍爾電壓UH越大,說明磁感應(yīng)強(qiáng)度越大

C.元件的寬度b越大,霍爾元件的靈敏度越高

D.元件的高度h越小,霍爾元件的靈敏度越高

【答案】D

【設(shè)計(jì)意圖】考點(diǎn):洛倫茲力與現(xiàn)代科技。本題以“霍爾元件”作為考查背景素材,屬于學(xué)習(xí)探索類情境。這一情境對(duì)于學(xué)生來說是比較陌生的,需要綜合運(yùn)用力與運(yùn)動(dòng)、勻強(qiáng)電場(chǎng)中電勢(shì)差與場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系、電流的微觀定義式等必備知識(shí),并結(jié)合題目所給的信息進(jìn)行分析判斷。通過本題的練習(xí),可以讓學(xué)生進(jìn)一步理解和區(qū)分磁流體發(fā)電機(jī)、電磁流量計(jì)、霍爾元件等現(xiàn)代科學(xué)設(shè)備的原理,體會(huì)其本質(zhì)是帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中的受力平衡。同時(shí),還要有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生區(qū)分這些儀器設(shè)備的個(gè)性特征,辨析它們各自考查的側(cè)重點(diǎn),從而提高對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力。

這套作業(yè)題,筆者所教班級(jí)的大多數(shù)學(xué)生都能夠在25分鐘內(nèi)順利完成,總體的正確率達(dá)72%,但例6、例8、例9的錯(cuò)誤率比較高。從作業(yè)的情況來看,學(xué)生在面對(duì)復(fù)雜新情境的問題時(shí)容易出現(xiàn)誤判,說明學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解還不夠深入,物理建模能力還需要不斷加強(qiáng)。此外,不少學(xué)生不能正確建構(gòu)粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡,說明學(xué)生在空間想象能力以及數(shù)形結(jié)合方面還有很大的進(jìn)步空間。