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)

2017年新版物理課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出“從物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”等方面提煉學(xué)科育人價值,充分體現(xiàn)學(xué)科教學(xué)促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的獨(dú)特作用．[1]2018年北京高考物理考題緊扣核心素養(yǎng),對考生進(jìn)行了全面考查．近幾年考試題型的不斷更新,北京高考物理試題凸顯課改特色,變解題為解決問題,由做題轉(zhuǎn)為做事,切實(shí)做到了十九大報(bào)告的要求——“落實(shí)立德樹人根本任務(wù),發(fā)展素質(zhì)教育”．

1 突出強(qiáng)調(diào)物理觀念

新課標(biāo)中明確指出:物理觀念是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動與相互作用、能量等的基本認(rèn)識,是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉和升華．“物理觀念”包括物質(zhì)觀念、運(yùn)動觀念、相互作用觀念、能量觀念及其應(yīng)用等要素．

題1.(北京高考卷第23題)如圖1所示,用電動勢為E,內(nèi)阻為r的電源,向滑動變阻器R供電．改變變阻器R的阻值,路端電壓U與電流I隨之變化．

圖1 圖2

(1) 以U為縱坐標(biāo),I為橫坐標(biāo),在圖2中畫出變阻器阻值R的變化過程中U-I圖像的示意圖,并說明U-I圖像與兩坐標(biāo)軸交點(diǎn)的物理意義．

(2) ① 請?jiān)趫D2畫好的U-I關(guān)系圖線上任取一點(diǎn),畫出帶網(wǎng)格的圖形,以其面積表示此時電源的輸出功率;

② 請推導(dǎo)該電源對外電路能夠輸出的最大功率及條件．

(3) 請寫出電源電動勢定義式,并結(jié)合能量守恒定律證明:電源電動勢在數(shù)值上等于內(nèi)、外電路電勢降落之和．

解析： (1) 如圖3所示，其中圖線與U軸交點(diǎn)為電源電動勢E,與I軸交點(diǎn)為短路電流E/r．

圖3 圖4

(2) ① 如圖4所示,陰影部分代表電源輸出功率．

② 電源輸出的電功率為

當(dāng)外電路電阻R=r時,電源輸出的電功率最大,為

(3) 電動勢定義式

根據(jù)能量守恒,在圖1所示電路中,非靜電力做功W產(chǎn)生的電能等于在外電路和內(nèi)電路產(chǎn)生的電熱,即

W=I2rt+I2Rt=Irq+IRq，

E=Ir+IR=U內(nèi)+U外，

E=U內(nèi)+U外.

評析：此題設(shè)計(jì)精妙,考題一改“測量電源電動勢和內(nèi)阻”的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)題套路,變?yōu)橐坏烙?jì)算加論述的綜合性考題,溯本求源,很好地考查了考生對于該實(shí)驗(yàn)基本原理的深層把握程度．其中第(3)題要求學(xué)生“結(jié)合能量守恒定律證明:電源電動勢在數(shù)值上等于“內(nèi)、外電路電勢降落之和”．非常好地體現(xiàn)了能量觀在物理學(xué)中的重要價值,讓學(xué)生意識到閉合電路歐姆定律并不是歐姆定律的簡單延伸,而是能量守恒在電路中的直接體現(xiàn)．

值得注意的是,從2015年的考題開始,北京高考物理計(jì)算題中均出現(xiàn)了說明、論證類的考題.這類考查方式非常有效地引導(dǎo)考生要在理解的基礎(chǔ)上掌握物理知識,而不是簡單地照貓畫虎、死記硬背．

2 注重科學(xué)建模能力

科學(xué)建模能力是科學(xué)思維的重要組成部分之一,通過基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)的模型的構(gòu)建,可以從物理學(xué)視角深入認(rèn)識客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律以及相互關(guān)系．

圖5

題2.(北京高考卷第24題)(1) 靜電場可以用電場線和等勢面形象描述,如圖5所示．

① 請根據(jù)電場強(qiáng)度的定義和庫侖定律推導(dǎo)出點(diǎn)電荷Q的場強(qiáng)表達(dá)式;

解析：(1) ① 在距Q為r的位置放一電荷量為q的檢驗(yàn)電荷．

根據(jù)庫侖定律檢驗(yàn)電荷受到的電場力

根據(jù)電場強(qiáng)度的定義

② 穿過兩等勢面單位面積上的電場線條數(shù)之比

評析： 此題在考查考生建模能力上下足了功夫.第(1)題由課內(nèi)所學(xué)的“磁通量”概念引出了“通量”這個更大層次的概念,并通過類比磁通量的定義方法,引出了“電通量”的概念,讓在模型建構(gòu)中實(shí)現(xiàn)知識的遷移．第(2)題進(jìn)一步拓展對“通量”的理解,將其應(yīng)用于天體的電磁波能量輻射的守恒,有效地測查了考生科學(xué)推理與論證的能力．

此外，歷屆河北省青少年科技創(chuàng)新大賽，也少不了濱河路小學(xué)同學(xué)們的身影。六年來，濱河路小學(xué)共上報(bào)青少年競賽項(xiàng)目163項(xiàng)，優(yōu)秀科技實(shí)踐活動4份，輔導(dǎo)員創(chuàng)新項(xiàng)目1項(xiàng)，優(yōu)秀科幻畫128幅。其中，上報(bào)項(xiàng)目獲省一等獎6項(xiàng)，二等獎16項(xiàng)，三等獎43項(xiàng)；優(yōu)秀科技實(shí)踐活動獲省一等獎1個，二等獎1個，三等獎2個；優(yōu)秀科幻畫獲省二等獎5個，三等獎12個。

該題在選材上非?？季浚娡扛拍钤谄胀ㄎ锢黼姶艑W(xué)中是一個非常重要的概念,與電通量相關(guān)的高斯定律最終作為了麥克斯韋方程組的電場散度方程．該題大膽創(chuàng)新,將大學(xué)內(nèi)容下沉至高中生能力范圍,實(shí)現(xiàn)中等教育與高等教育的“無縫對接”．

物理概念的類比與擴(kuò)展,曾經(jīng)在2015、2016年北京高考中也都出現(xiàn)過．2015年北京高考第23題研究了彈簧的彈性勢能,并在第(3)問設(shè)問“為什么不存在與摩擦力對應(yīng)的‘摩擦力勢能’的概念”;2016年第23題研究了勻強(qiáng)電場對帶電粒子的作用問題,并在第(3)問要求考生“重力場中建立重力勢的概念”．這些試題通過類比的方式,將模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證有機(jī)地結(jié)合在一道考題中,在更高層面考查了考生物理觀念的內(nèi)化程度．

3 深度考查科學(xué)探究能力

圖6

近幾年北京高考實(shí)驗(yàn)題風(fēng)格鮮明,多以課內(nèi)實(shí)驗(yàn)或者演示實(shí)驗(yàn)為切入點(diǎn),從實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象解釋與質(zhì)疑等多方面展開考查,讓學(xué)生經(jīng)歷了設(shè)計(jì)、操作、觀察、思考、評估與反思等多個思維過程,有效避免了“假實(shí)驗(yàn)、假探究”．這樣的考查方式也促使我們在教學(xué)中要注重對于學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng),特別是在實(shí)驗(yàn)課中要有意識引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮主觀能動性,能夠真正經(jīng)歷提出問題、形成猜想與假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、評估與討論等環(huán)節(jié),將培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力落地生根．

題3.(北京高考第19題)研究與平行板電容器電容有關(guān)因素的實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示,下列說法正確的是

(A) 實(shí)驗(yàn)前,只用帶電玻璃棒與電容器a板接觸,能使電容器帶電.

(B) 實(shí)驗(yàn)中,只將電容器b板向上平移,靜電計(jì)指針的張角變小.

(C) 實(shí)驗(yàn)中,只在極板間插入有機(jī)玻璃板,靜電計(jì)指針的張角變大.

(D) 實(shí)驗(yàn)中,只增加極板帶電量,靜電計(jì)指針的張角變大,表明電容增大.

答案： (A)．

評析： 此題是研究與平行板電容器電容有關(guān)因素的實(shí)驗(yàn),但在考查方式上比以往深入許多．首先題目條件完全呈現(xiàn)在配圖中,考生需仔細(xì)研讀實(shí)驗(yàn)裝置圖．在選項(xiàng)設(shè)置方面,(A)選項(xiàng)考查了實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作,(D)選項(xiàng)不僅僅考查了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,還對該現(xiàn)象做出解釋,檢驗(yàn)學(xué)生的評估能力．該實(shí)驗(yàn)在最新課程標(biāo)準(zhǔn)中被列入了21個“學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)”中．

4 滲透科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任是指在認(rèn)識科學(xué)本質(zhì),認(rèn)識科學(xué)·技術(shù)·社會·環(huán)境(STSE)關(guān)系的基礎(chǔ)上,逐漸形成的探索自然的內(nèi)在動力,嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是和持之以恒的科學(xué)態(tài)度,以及遵守道德規(guī)范,保護(hù)環(huán)境并推動可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感．這是我國社會主義核心價值觀教育在物理學(xué)科中的具體體現(xiàn)．

題4.[北京高考第21(5)題]早在16世紀(jì)末,伽利略就猜想落體運(yùn)動的速度應(yīng)該是均勻變化的．當(dāng)時只能靠滴水計(jì)時,為此他設(shè)計(jì)了如圖7所示的“斜面實(shí)驗(yàn)”,反復(fù)做了上百次,驗(yàn)證了他的猜想．請你結(jié)合勻變速直線運(yùn)動的知識,分析說明如何利用伽利略“斜面實(shí)驗(yàn)”檢驗(yàn)小球的速度是隨時間均勻變化的．

圖7

解析： 如果小球的初速度為0,其速度v∝t,那么它通過的位移x∝t2．因此,只要測量小球通過不同位移所用的時間,就可以檢驗(yàn)小球的速度是否隨時間均勻變化．

評析： “伽利略對于自由落體的研究”是人教版教材中獨(dú)立的一節(jié)內(nèi)容,今年第21題考查研究勻變速直線運(yùn)動實(shí)驗(yàn),其中第(5)小題回顧了伽利略探究自由落體運(yùn)動的歷史．考題中明確指出了伽利略的猜想、如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)沖淡重力,要求考生能夠從實(shí)驗(yàn)結(jié)果出發(fā)反推猜想正確與否．整個實(shí)驗(yàn)過程強(qiáng)調(diào)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度,不迷信、不盲從、從實(shí)際出發(fā)的科學(xué)精神,在潛移默化中滲透了價值觀的教育．

5 弘揚(yáng)民族精神提升自豪感

新版物理課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出“注重于生產(chǎn)生活、現(xiàn)代社會及科技發(fā)展的聯(lián)系,反映當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要成果和科學(xué)思想,同時關(guān)注物理學(xué)的技術(shù)應(yīng)用帶來的社會問題”．2018年北京高考物理考題在選材與立意上突出體現(xiàn)了鮮明的時代感．

第22題以2022年冬奧會為背景,由跳臺滑雪項(xiàng)目導(dǎo)入情境,研究了斜面上的運(yùn)動與力的關(guān)系．奧運(yùn)會的召開再一次增強(qiáng)了民族自信心．第24題則以2016年在貴州建成的“天眼”為主題進(jìn)行考查．

題5.[北京高考第24(2)題]觀測宇宙中輻射電磁波的天體,距離越遠(yuǎn)單位面積接收的電磁波功率越小,觀測越困難．為了收集足夠強(qiáng)的來自天體的電磁波,增大望遠(yuǎn)鏡口徑是提高天文觀測能力的一條重要途徑．2016年9月25日,世界上最大的單口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST在我國貴州落成啟用．被譽(yù)為“中國天眼”．FAST直徑為500 m,有效提高了人類觀測宇宙的精度和范圍．

① 射直徑為100 m的望遠(yuǎn)鏡能夠接收到的來自某天體的電磁波功率為P1,計(jì)算FAST能夠接收到的來自該天體的電磁波功率P2．

② 在宇宙大尺度上,天體的空間分布是均勻的．僅以輻射功率為P的同類天體為觀測對象,設(shè)直徑為100 m望遠(yuǎn)鏡能夠觀測到的此類天體數(shù)目是N0,計(jì)算FAST能夠觀測到的此類天體數(shù)目N.

解析： ① 地球上不同望遠(yuǎn)鏡觀測同一天體,單位面積上接收的功率應(yīng)該相同,因此

② 在宇宙大尺度上,天體的空間分布是均勻的．因此,一個望遠(yuǎn)鏡能觀測到的此類天體數(shù)目正比于以望遠(yuǎn)鏡為球心、以最遠(yuǎn)觀測距離為半徑的球體體積．

設(shè)地面上望遠(yuǎn)鏡能觀測到此類天體需收集到的電磁波的總功率的最小值為P0,直徑為100 m望遠(yuǎn)鏡和FAST能觀測到的最遠(yuǎn)

距離分別為L0和L,則

可得L=5L0.則

評析： “中國天眼”由我國天文學(xué)家南仁東于1994年提出構(gòu)想,歷時22年建成,舉世矚目、功成名就,是我國科技史上的輝煌篇章．本題從天眼觀測天體的實(shí)際問題出發(fā),考生在解題時能切實(shí)感受到了我國科技發(fā)展的飛速進(jìn)步,體會到天眼工程的竣工使宇宙學(xué)研究精度和范圍得到巨大提升,讓學(xué)生真正理解科技興國的意義,民族自豪感油然而生．南仁東工程師臥薪嘗膽、不畏艱辛、不求名利,個中科學(xué)精神值得代代傳頌．

縱覽2018年的北京考題,從伽利略的自由落體研究,到牛頓的蘋果落地;從天眼的建成并投入使用,到即將舉辦的冬奧會,博古論今、中外薈萃,為我們展示了一個豐富多彩、立體化的物理學(xué)．讓我們在此體會到物理學(xué)在推動人類進(jìn)步與發(fā)展中的巨大作用．

6 總結(jié)

2018年北京高考物理考試穩(wěn)中求變,內(nèi)容豐富且時代感強(qiáng),緊扣物理學(xué)科核心素養(yǎng),充分落實(shí)了新頒布的課程標(biāo)準(zhǔn)．考題試卷結(jié)構(gòu)、整體難度保持穩(wěn)定性,在設(shè)問角度、小題數(shù)量等細(xì)節(jié)方面也做了大膽的嘗試與創(chuàng)新．試題難度結(jié)構(gòu)合理,基礎(chǔ)題、綜合體分值分配得當(dāng)．從考題中我們得到啟示:在教學(xué)中我們必須落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng),要注重基礎(chǔ)內(nèi)容的牢固性,注重從實(shí)際中來、到實(shí)際中去的物理學(xué)習(xí)方法,為學(xué)生終身發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)．