回歸物理教學(xué)的本源
——近兩年北京高考物理壓軸題對(duì)中學(xué)物理教學(xué)的導(dǎo)向

尹德利

(北京市東方德才學(xué)校北京100025)

魏 群

(北京教育學(xué)院朝陽分院北京100025)

摘 要：對(duì)2013年和2014年的北京高考物理壓軸題作了點(diǎn)評(píng)，認(rèn)為近兩年北京高考物理壓軸題對(duì)今后北京乃至全國的中學(xué)物理教學(xué)將會(huì)起到良好的導(dǎo)向作用.新課程背景下的中學(xué)物理教學(xué)應(yīng)回歸其本源，更多地關(guān)注物理概念之間的內(nèi)在聯(lián)系，更多地關(guān)注物理規(guī)律的建立過程，更多地體現(xiàn)物理教學(xué)的邏輯，更多地關(guān)注物理學(xué)科的思想方法.

關(guān)鍵詞：物理壓軸題物理教學(xué)物理思想方法

收稿日期：(2014-11-17)

如果說，前幾年北京高考物理試題更多地注重對(duì)考生解題方法和解題技巧的考查，那么，從2013年起，北京高考物理試題更多地注重考生對(duì)物理學(xué)思想觀念和方法的考查，更多地關(guān)注考生對(duì)重要物理量之間內(nèi)在本質(zhì)關(guān)系的考查，更多地關(guān)注考生對(duì)物理規(guī)律建立(推導(dǎo))過程的考查.這種命題思路的變化，對(duì)于中學(xué)物理教學(xué)促進(jìn)“知識(shí)與技能”、“過程與方法”、“情感、態(tài)度與價(jià)值觀”三維課程目標(biāo)的落實(shí)，促進(jìn)物理學(xué)思想觀念和研究方法的教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理概念和規(guī)律的真正理解，起到了良好的導(dǎo)向作用.下面對(duì)2013和2014年的北京高考物理壓軸題作一分析.

1壓軸題點(diǎn)評(píng)

【例1】(2013年高考北京卷第24題)對(duì)于同一物理問題，常常可以從宏觀與微觀兩個(gè)不同角度進(jìn)行研究，找出其內(nèi)在聯(lián)系，從而更加深刻地理解其物理本質(zhì).

(1)一段橫截面積為S，長為l的直導(dǎo)線，單位體積內(nèi)有n個(gè)自由電子，電子電荷量為e.該導(dǎo)線通有電流時(shí)，假設(shè)自由電子定向移動(dòng)的速率均為v.

(a)求導(dǎo)線中的電流I；

(b)將該導(dǎo)線放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，電流方向垂直于磁感應(yīng)強(qiáng)度B，導(dǎo)線所受安培力大小為F安，導(dǎo)線內(nèi)自由電子所受洛倫茲力大小的總和為F，推導(dǎo)F安=F.

(2)正方體密閉容器中有大量運(yùn)動(dòng)粒子，每個(gè)粒子質(zhì)量為m，單位體積內(nèi)粒子數(shù)量n為恒量.為簡(jiǎn)化問題，我們假定：粒子大小可以忽略；其速率均為v，且與器壁各面碰撞的機(jī)會(huì)均等；與器壁碰撞前后瞬間，粒子速度方向都與器壁垂直，且速率不變.利用所學(xué)力學(xué)知識(shí)，導(dǎo)出器壁單位面積所受粒子壓力f與m,n和v的關(guān)系.

(注意：解題過程中需要用到、但題目中沒有給出的物理量，要在解題時(shí)做必要的說明)

點(diǎn)評(píng)：本壓軸題分兩大問，第一問又分(a)、(b)兩小問，由易到難，考查了能力的不同層次.

(1)(a)問源自人教版《物理·選修3-1》(第42頁例題1)和教科版《物理·選修3-1》(第43頁中的“討論交流”)，考查電流的定義式及其微觀機(jī)制.

第(1)(b)問考查安培力的微觀本質(zhì)：安培力是大量帶電粒子在磁場(chǎng)中所受的洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，是教材中講授的內(nèi)容(教科版《物理·選修3-1》中有明確的推導(dǎo)過程，見第95頁).考查的知識(shí)點(diǎn)：安培力、洛倫茲力及二者的聯(lián)系.

(1)(a)問和(1)(b)問考查的能力：理解能力和推理能力.

第(2)問以“正方形密閉容器中有大量運(yùn)動(dòng)粒子”為背景，考查氣體壓強(qiáng)產(chǎn)生的微觀機(jī)理，這部分內(nèi)容屬于大學(xué)普通物理的教學(xué)內(nèi)容.要正確推導(dǎo)出器壁單位面積上所受的壓力，頭腦中需對(duì)單個(gè)粒子與器壁的碰撞過程和容器內(nèi)所有粒子與器壁的碰撞過程分別進(jìn)行建模，并且還要有概率統(tǒng)計(jì)的物理思想才行，雖然題目中給出提示“粒子……速率均為v，且與器壁各面碰撞的機(jī)會(huì)均等；……都與器壁垂直……”，但學(xué)生很難想到對(duì)密閉容器內(nèi)的大量分子進(jìn)行分組，作為高考考查的內(nèi)容，要求太高，難度太大.

第(2)問考查的知識(shí)點(diǎn)：沖量、動(dòng)量、動(dòng)量定理、概率統(tǒng)計(jì)的物理思想.

本題(1)、(2)兩問的推導(dǎo)均用到了“柱狀流體模型”這個(gè)基本物理模型，這個(gè)模型能否清晰地建立起來，關(guān)系到解題的成敗.

第(2)問考查的能力：理解能力、推理能力、應(yīng)用能力和探究能力.

【例2】(2014年高考北京卷第24題)導(dǎo)體切割磁感線的運(yùn)動(dòng)可以從宏觀和微觀兩個(gè)角度來認(rèn)識(shí).如圖1所示，固定于水平面的U形導(dǎo)線框處于豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，金屬直導(dǎo)線MN在與其垂直的水平恒力F作用下，在導(dǎo)線框上以速度v做勻速運(yùn)動(dòng)，速度v與恒力F方向相同，導(dǎo)線MN始終與導(dǎo)線框形成閉合電路.已知導(dǎo)線MN的電阻為R，其長度l恰好等于平行軌道間距，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B.忽略摩擦阻力和導(dǎo)線框的電阻.

圖1　勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的導(dǎo)線框

(1)通過公式推導(dǎo)驗(yàn)證：在Δt時(shí)間內(nèi)，F(xiàn)對(duì)導(dǎo)線MN所做的功W等于電路獲得的電能W，也等于導(dǎo)線MN中產(chǎn)生的焦耳熱；

(2)若導(dǎo)線MN的質(zhì)量m=8.0 g，長度l=0.1 m，感應(yīng)電流I=1.0 A，假設(shè)一個(gè)原子貢獻(xiàn)1個(gè)自由電子，計(jì)算導(dǎo)線MN中電子沿導(dǎo)線長度方向定向移動(dòng)的平均速率v(表1中列出一些你可能會(huì)用到的數(shù)據(jù))；

(3)經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為，金屬的電阻源于定向運(yùn)動(dòng)的自由電子和金屬離子(即金屬原子失去電子后的剩余部分)的碰撞.展開你想象的翅膀，給出一個(gè)合理的自由電子的運(yùn)動(dòng)模型，在此基礎(chǔ)上，求出導(dǎo)線MN中金屬離子對(duì)一個(gè)自由電子沿導(dǎo)線長度方向的平均作用力f的表達(dá)式.

表1　可能用到的數(shù)據(jù)

點(diǎn)評(píng)：2014年北京高考物理壓軸題仍延續(xù)了2013年高考物理壓軸題的命題思路——考查考生從宏觀和微觀兩個(gè)角度研究物理問題的思想方法.

第(1)問，以學(xué)生熟悉的U形導(dǎo)線框上金屬導(dǎo)體棒勻速切割磁感線為背景，考查安培力、功、物體的平衡條件、焦耳定律等知識(shí)，通過公式推導(dǎo)驗(yàn)證，讓考生更深刻地認(rèn)識(shí)到功是能量轉(zhuǎn)化的量度，從而對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化規(guī)律有更深入的認(rèn)識(shí).

第(2)問，再次考查電流的微觀表達(dá)式.與2013年壓軸題不同的是，金屬導(dǎo)線中的電子數(shù)密度n是未知的，因此需要根據(jù)題目中的題設(shè)條件和已知量計(jì)算出來.這給一部分考生帶來一定的難度.

這兩問都源于教材中的例題.第(1)問是高中教材《物理·選修3-2》(教科版第42～45頁)中的例題變式，第(2)問是高中教材《物理·選修3-1》(人教版第42頁)中的例題變式.雖是壓軸題，這兩問對(duì)于那些扎扎實(shí)實(shí)緊扣教材復(fù)習(xí)應(yīng)考的考生來說，難度應(yīng)該不大.這兩問，旨在引導(dǎo)物理總復(fù)習(xí)要緊扣教材，重視對(duì)物理知識(shí)獲得過程的教學(xué)，糾正總復(fù)習(xí)中的題海戰(zhàn)術(shù).

第(3)問考查金屬電阻產(chǎn)生的微觀機(jī)理，從微觀的角度分析研究宏觀的電流現(xiàn)象.命題思想是對(duì)的，但試題卻太難為考生了.按照經(jīng)典的金屬電子論，大量電子在金屬導(dǎo)線MN中既做無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，又在洛倫茲力的作用下做定向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程中電子還與金屬晶格中的原子實(shí)(金屬離子)發(fā)生頻繁的碰撞.為了簡(jiǎn)化，歷史上物理學(xué)家引入了電子的漂移速度和平均自由程等概念.對(duì)于高中生來說，要讓他們?cè)诰o張如戰(zhàn)場(chǎng)的考場(chǎng)上，在如此短的時(shí)間內(nèi)，展開想象的翅膀，構(gòu)建一個(gè)合理的自由電子運(yùn)動(dòng)模型，并利用這個(gè)模型求出導(dǎo)線MN中金屬離子對(duì)一個(gè)自由電子沿導(dǎo)線長度方向的平均作用力f的表達(dá)式，這幾乎是不可能的.

比較2013年和2014年北京高考物理壓軸題可以看出，兩道壓軸題考查的是同一種研究方法(這也是北京高考物理命題的特色，旨在充分發(fā)揮高考對(duì)教學(xué)的指揮棒作用).從知識(shí)考查的角度看，命題圍繞著物理學(xué)的“力”和“能量”這兩條主線展開.2013年高考?jí)狠S題主要是圍繞力和運(yùn)動(dòng)這條主線分步設(shè)問，當(dāng)然第3問考查氣體壓強(qiáng)的微觀機(jī)理時(shí)還考查了動(dòng)量和沖量、動(dòng)量定理等核心知識(shí).而2014年的北京高考物理壓軸題第1問圍繞功和能進(jìn)行設(shè)問，分別考查了外力做功、安培力做功、電流做功與能量轉(zhuǎn)化的關(guān)系.第2問和第3問仍然從力和運(yùn)動(dòng)的角度考查考生的建模能力、推理能力和探究能力.

2壓軸題對(duì)中學(xué)物理教學(xué)的啟示

2.1物理教學(xué)要回歸其本源

物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)、數(shù)學(xué)為工具、具有嚴(yán)密邏輯體系和廣泛應(yīng)用的一門基礎(chǔ)學(xué)科.物理學(xué)的學(xué)科結(jié)構(gòu)包括實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)、邏輯體系、數(shù)學(xué)表達(dá)、思想方法和實(shí)際應(yīng)用5個(gè)基本要素.物理教學(xué)也應(yīng)該體現(xiàn)出物理學(xué)科結(jié)構(gòu)的這5種基本要素.現(xiàn)在，雖然新課程理念已經(jīng)深入人心，許多一線物理教師也在不斷地探索、踐行新課程理念,然而，長期以來，受應(yīng)試教育的影響，“重結(jié)論、輕過程”的現(xiàn)象在中學(xué)物理課堂中仍普遍存在.許多教師為了趕進(jìn)度，給學(xué)生留出更多的練習(xí)時(shí)間，壓縮甚至省略了物理概念和規(guī)律的建立過程，直接把結(jié)論告訴學(xué)生，然后把大量的時(shí)間和精力放在講題和練習(xí)上，使原本生動(dòng)活潑、豐富多彩的物理課堂變成了單調(diào)乏味的習(xí)題訓(xùn)練.高三總復(fù)習(xí)階段，這種本末倒置的做法尤為嚴(yán)重，其后果是嚴(yán)重挫傷了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，增加了學(xué)生的課業(yè)負(fù)擔(dān)，學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升更是無從談起.

2013年和2014年北京高考物理壓軸題取材于教材，并且把推導(dǎo)或證明物理量之間的關(guān)系式、探究物理規(guī)律的微觀本質(zhì)作為考查重點(diǎn)，這對(duì)于回歸物理教學(xué)的本源，落實(shí)新課程三維教學(xué)目標(biāo)，摒棄物理教學(xué)中的題海戰(zhàn)術(shù)，促進(jìn)學(xué)生的繼續(xù)學(xué)習(xí)和終身發(fā)展，發(fā)揮了良好的導(dǎo)向作用.

2.2重視物理學(xué)思想和方法的教學(xué)

對(duì)于同一物理現(xiàn)象，從宏觀和微觀兩個(gè)不同的角度進(jìn)行研究，找出其內(nèi)在聯(lián)系是物理學(xué)研究常用的思想方法.例如，歷史上人們對(duì)于熱現(xiàn)象的研究就是分別從宏觀和微觀兩個(gè)角度進(jìn)行的.玻意爾、馬略特、查理、蓋·呂薩克、焦耳、邁爾等人從觀察和實(shí)驗(yàn)出發(fā)，研究熱運(yùn)動(dòng)及其變化規(guī)律，建立了熱現(xiàn)象的宏觀理論——熱力學(xué).玻爾茲曼、麥克斯韋、吉布斯等物理學(xué)家則從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，依據(jù)每個(gè)粒子所遵循的力學(xué)規(guī)律，用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法研究宏觀物體的熱的性質(zhì)，由此建立了熱現(xiàn)象的微觀理論——統(tǒng)計(jì)物理學(xué).此外，歷史上研究電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象,研究光的本性也都是從宏觀和微觀兩個(gè)角度進(jìn)行的.歷史上，安培不僅從宏觀上研究磁場(chǎng)對(duì)電流、電流對(duì)電流的作用規(guī)律，而且還從微觀的角度研究磁現(xiàn)象的本質(zhì)，提出了分子電流假說；同樣的，歐姆利用實(shí)驗(yàn)研究影響導(dǎo)體中電流大小的因素，發(fā)現(xiàn)了歐姆定律，焦耳通過實(shí)驗(yàn)研究電流的熱效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了焦耳定律，這兩位物理學(xué)家都是從宏觀的角度研究電流的，而荷蘭物理學(xué)家洛倫茲則從微觀的角度研究金屬導(dǎo)體的電阻及電流熱效應(yīng)產(chǎn)生的微觀機(jī)理，創(chuàng)立了金屬電子論.現(xiàn)在，從宏觀和微觀兩個(gè)角度研究問題的方法早已廣泛應(yīng)用在化學(xué)、生物學(xué)等自然科學(xué)的研究中，甚至在經(jīng)濟(jì)學(xué)等社會(huì)科學(xué)的研究中也有著廣泛的應(yīng)用.

物理學(xué)的研究方法還有很多，如分析和綜合、歸納和演繹、比較和類比等邏輯方法、定性分析和定量計(jì)算相結(jié)合的方法，理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，數(shù)圖結(jié)合的方法等等.作為中學(xué)物理教師，要切實(shí)加強(qiáng)自身的學(xué)史修養(yǎng)和哲學(xué)修養(yǎng)，深入挖掘教材中蘊(yùn)含的科學(xué)方法論因素，并對(duì)科學(xué)方法進(jìn)行顯性教育；讓學(xué)生學(xué)會(huì)觀察，學(xué)會(huì)思考.這樣做，從小處講對(duì)復(fù)習(xí)備考有好處，從大處講，有助于提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

參 考 文 獻(xiàn)

1北京教育考試院編.普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試2014年北京卷考試說明(理科).北京：開明出版社，2014

2北京教育考試院編.2013年高考北京卷理科試題分析.北京：開明出版社，2013

3朱錫民.物理教學(xué)方略探索(第1版).北京:北京教育出版社，2004