詹 凱 田成良

（1.首都師范大學(xué)附屬中學(xué)，北京 100089；2.海淀區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校，北京 100080）

·高考命題研究·

以評價促課堂變革 抓本質(zhì)提升學(xué)生素養(yǎng)
——2017年北京高考理綜第24題的啟示

詹 凱1田成良2

（1.首都師范大學(xué)附屬中學(xué)，北京 100089；2.海淀區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校，北京 100080）

在新一輪考試招生制度改革的大背景下，2017年北京高考物理試卷在豐富試題選材范圍、創(chuàng)新試題呈現(xiàn)方式、深化學(xué)科能力考查以及探索核心素養(yǎng)的考查方式等方面進(jìn)行了有益的嘗試.高考試題的評價方向，必將推進(jìn)課堂變革，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)學(xué)科育人的功能.2017年北京高考第24題在多個方面體現(xiàn)了物理學(xué)科核心素養(yǎng).本文對該題目中關(guān)于對稱思想的滲透、能量觀念的深入、宏微觀規(guī)律的統(tǒng)一性以及學(xué)生建模與推理能力這4個方面進(jìn)行了解讀.

學(xué)科本質(zhì)；物理思想；北京高考題

1 原題回顧

例題.（2017年北京高考題）發(fā)電機(jī)和電動機(jī)具有裝置上的類似性，源于他們機(jī)理上的類似性.直流發(fā)電機(jī)和直流電動機(jī)的工作原理可以簡化為如圖1、圖2所示的情景.

圖1

圖2

在豎直向下的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，兩根光滑平行金屬導(dǎo)軌MN、PQ固定在水平面內(nèi)，相距為L，電阻不計(jì).電阻為R的金屬導(dǎo)體棒ab垂直于MN、PQ放在導(dǎo)軌上，與軌道接觸良好，以速度v（v平行于MN）向右做勻速運(yùn)動.

圖1軌道端點(diǎn)MP間接有阻值為r的電阻，導(dǎo)體棒ab受到水平向右的外力作用.圖2軌道端點(diǎn)MP間接有直流電源，導(dǎo)體棒ab通過滑輪勻速提升重物，電路中的電流為I.

（1）求在Δt時間內(nèi)，圖1“發(fā)電機(jī)”產(chǎn)生的電能和圖2“電動機(jī)”輸出的機(jī)械能.

（2）從微觀角度看，導(dǎo)體棒ab中的自由電荷所受洛侖茲力在上述能量轉(zhuǎn)化中起著重要作用，為了方便，可認(rèn)為導(dǎo)體棒中的自由電荷為正電荷.

①請?jiān)趫D3（圖1的導(dǎo)體棒ab），圖4（圖2的導(dǎo)體棒ab），分別畫出自由電荷所受洛侖茲力的示意圖.

②我們知道，洛倫茲力對運(yùn)動電荷不做功，那么，導(dǎo)體棒ab中的自由電荷所受洛侖茲力是如何在能量轉(zhuǎn)化過程中起到作用的呢？請以圖2“電動機(jī)”為例，通過計(jì)算分析說明.

2 試題解答

（1）圖1中ab桿向右運(yùn)動時，兩端產(chǎn)生的電動勢為

E1＝BLv.

PMab回路中產(chǎn)生的電流，即流過ab桿的電流滿足

I1（R＋r）＝E1.

Δt內(nèi)，“發(fā)電機(jī)”產(chǎn)生的電能為

圖2中ab桿向右運(yùn)動時，其輸出的機(jī)械能全部轉(zhuǎn)化為重物上升時的重力勢能改變量，

E2＝mgvΔt.

桿ab水平方向受力平衡，且重物豎直方向受力平衡，可得

F安－T＝0，

T－mg＝0.

桿ab受到的安培力的大小為

F安＝BIL.

Δt內(nèi)，“電動機(jī)”輸出的機(jī)械能為

E2＝BILvΔt.

（2）①洛侖茲力示意圖如圖3、圖4所示.

圖3

圖4

Fx＝Bqvy，F(xiàn)y＝Bqvx.

x方向的分力與電荷在x方向運(yùn)動同向，對電荷做正功，

W1＝FxvxΔt＝BqvyvxΔt.

y方向的分力與電荷在y方向運(yùn)動反向，對電荷做負(fù)功，

W2＝－FyvyΔt＝－BqvxvyΔt.

可見，雖然洛侖茲力對電荷的總功為0，但y方向洛侖茲力的負(fù)功將電能轉(zhuǎn)化為了x方向洛侖茲力的正功，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為了物體被提升過程中機(jī)械能的改變量.洛侖茲力在該問題中起到了能量轉(zhuǎn)化的“橋梁”作用.

3 命題剖析

該題目緊密圍繞物理學(xué)科核心素養(yǎng)，注重物理觀念與科學(xué)思維的考查，從學(xué)生熟悉的基本模型出發(fā)，深挖物理內(nèi)涵，深刻剖析基本物理概念.具體體現(xiàn)在下面4個方面.

3.1 注重體現(xiàn)物理學(xué)的對稱美

題目所給的發(fā)電機(jī)和電動機(jī)模型，從裝置構(gòu)成來說本身具有很強(qiáng)的相似性，而兩種裝置的能量轉(zhuǎn)化方向也具有對稱性，發(fā)電機(jī)將外力的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，而電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能.這樣“天生一對”的模型，帶給考生一種物理學(xué)的對稱美感，能夠引發(fā)人們的敬畏感以及探究精神，對該問題進(jìn)行深入研究.

對稱的表象之下，往往蘊(yùn)藏著重要的物理規(guī)律.在教學(xué)中，我們應(yīng)當(dāng)注重培養(yǎng)學(xué)生對于“對稱”的認(rèn)識和理解.比如守恒律就是對稱性的體現(xiàn)，再比如推導(dǎo)太陽與行星之間的引力時，也通過對稱的思想得出該力與兩個星體的質(zhì)量均成正比的結(jié)論.

3.2 注重滲透能量守恒思想

題目從第一問就圍繞著能量的轉(zhuǎn)化與守恒進(jìn)行探究，實(shí)則抓住了該問題的實(shí)質(zhì).能量守恒是物理學(xué)中最引人入勝的規(guī)律之一，也是物理教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)所在.守恒的背后是各種能量之間的相互轉(zhuǎn)化或者各個物體之間的相互轉(zhuǎn)移.本題的實(shí)例就是機(jī)械能與電能之間的相互轉(zhuǎn)化過程.

圖5

高中教材中，較為深入地對機(jī)械能守恒進(jìn)行了研究，對于一般情況下的守恒情況淺嘗輒止.在教學(xué)中，我們不僅僅要讓學(xué)生了解和理解能量守恒，還能通過多種實(shí)例來論證能量守恒，而且不僅僅限于機(jī)械能守恒.當(dāng)然，在教學(xué)中還應(yīng)當(dāng)避免亂用守恒律，比如碰撞的過程，機(jī)械能就不一定守恒.也就是說，需要對守恒的條件加以強(qiáng)調(diào)和分析，不能唯守恒而論.

對于“能源耗散”問題，課本雖然僅僅點(diǎn)到，但筆者以為該部分恰是畫龍點(diǎn)睛之筆.課本中的思考與討論“既然能量是守恒的，不可能消失，為什么我們還要節(jié)約能源”，在討論的過程中，就可以給學(xué)生滲透熱力學(xué)第二定律的思想，給學(xué)生打開思路的同時，也落實(shí)了STSE的教學(xué)要求.

3.3 注重突出宏微規(guī)律的統(tǒng)一性

宏觀和微觀規(guī)律的統(tǒng)一性是高考的熱點(diǎn)之一.2013年北京高考理綜第24題直接以“對于同一物理問題，常?？梢詮暮暧^與微觀兩個不同角度進(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).”為開場白，在第一小題中考查了安培力與洛侖茲力的關(guān)系，第二小題中建立了一維氣體模型，推導(dǎo)了一維氣體壓強(qiáng)與氣體分子平均動能的關(guān)系；2014年北京高考理綜第24題考查了電流的微觀表達(dá)問題；在本題中，微觀電荷受到的洛侖茲力與導(dǎo)體桿ab受到的安培力這個宏觀表象有著千絲萬縷的聯(lián)系，更進(jìn)一步，洛侖茲力分量的功與安培力所做功也相互對應(yīng).

關(guān)于宏觀與微觀規(guī)律的關(guān)系，在物理課程中的多個部分均有體現(xiàn).比如在動量中，就可以引入流體的流體柱模型；在恒定電流中，課本直接利用電荷的流體柱模型推導(dǎo)出了電流的微觀表達(dá)式；在熱力學(xué)中，系統(tǒng)的多個熱力學(xué)參量，如氣體壓強(qiáng)p、氣體溫度T都有相應(yīng)的微觀表達(dá)式.

在教學(xué)中，應(yīng)當(dāng)注重宏觀和微觀兩個層面的相互呼應(yīng)，一般來說宏觀現(xiàn)象較為直觀，但不反應(yīng)問題本質(zhì)；微觀規(guī)律不僅僅能夠解釋宏觀現(xiàn)象，也是物理本質(zhì)規(guī)律的體現(xiàn).教學(xué)中要強(qiáng)化學(xué)生的這方面意識.

4 注重培養(yǎng)模型構(gòu)建意識

本題并沒有在建模問題上難為學(xué)生，但是建模問題始終是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn).就電磁感應(yīng)部分來說，課本上就有多個模型值得討論，比如“搖繩發(fā)電”、“法拉第圓盤”、“動圈式揚(yáng)聲器”、“延時繼電器”、“金屬探測器”等.有條件的學(xué)校應(yīng)讓學(xué)生動手組裝這些實(shí)驗(yàn)，將儀器結(jié)構(gòu)細(xì)致地展現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生能夠?qū)?shí)物與模型很好地結(jié)合起來，培養(yǎng)學(xué)生的建模能力.讓學(xué)生進(jìn)行科學(xué)的歸納與推理，能夠避免思維空洞，真正做到能力的提升.

近年來，北京高考理綜物理試題愈發(fā)注重對于物理規(guī)律的本質(zhì)性探究，尤其是第24題，不拘泥于求解復(fù)雜模型，而是要求學(xué)生像“動外科手術(shù)”一樣，將模型進(jìn)行深入剖析，從多角度進(jìn)行研究.在教學(xué)中，我們時常注重訓(xùn)練學(xué)生對于各種模型的辨別和求解，避免“搞題海戰(zhàn)術(shù)”，盲目應(yīng)試，這樣難免舍本求末.相反，我們恰恰不能放過看似簡單的基本物理模型，要引導(dǎo)學(xué)生有意識的分析和探究，甚至提出懷疑，真正做到授之于漁.通過對簡單問題的思考，再去認(rèn)識和分析新的模型，學(xué)生就會有思路和方法，才能逐步領(lǐng)悟物理學(xué)科的真諦，才能真正提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng).

2017－06－11）