余勝軍

(保定市教育科學(xué)研究所 河北 保定 071000)

2018年1月，《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》正式出版發(fā)行，筆者利用半年的時(shí)間多次認(rèn)真閱讀，已經(jīng)小有體會(huì).于是有了從物理學(xué)科核心素養(yǎng)的視角去看2018年高考試題的想法，試圖從中發(fā)現(xiàn)一些改革的跡象.

課程標(biāo)準(zhǔn)提出物理學(xué)科核心素養(yǎng)應(yīng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.在課程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于高中學(xué)業(yè)水平考試和高中學(xué)業(yè)水平等級(jí)性考試有明確的“命題建議”，包括科學(xué)設(shè)計(jì)試卷結(jié)構(gòu)、合理設(shè)計(jì)圖形結(jié)構(gòu)、科學(xué)合理設(shè)計(jì)試題難度等8項(xiàng)建議.

本文主要分析2018年高考全國(guó)Ⅰ卷理綜選擇題第15，18和21題.這3道題主要涉及物理觀念中“運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念”“能量觀念”以及科學(xué)思維中“模型建構(gòu)”“科學(xué)推理”.

1 試題分析

圖1 例1題圖

【例1】(2018年高考全國(guó)Ⅰ卷理綜第15題)如圖1所示，輕彈簧的下端固定在水平桌面上，上端放有物塊P，系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，現(xiàn)用一豎直向上的力F作用在P上，使其向上做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，以x表示P離開(kāi)靜止位置的位移，在彈簧恢復(fù)原長(zhǎng)前，下列表示F和x之間關(guān)系的圖像可能正確的是( )

從物理觀念的視角來(lái)看，本題主要涉及“運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念”，需要知道物體勻加速運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中受到重力、彈簧彈力和向上的力F.

從科學(xué)思維的視角來(lái)看，本題涉及運(yùn)動(dòng)模型的建立、輕彈簧模型建立；能夠根據(jù)彈簧彈力公式結(jié)合本題對(duì)位移的初始化條件，正確寫(xiě)出彈力表達(dá)式，依據(jù)牛頓第二定律進(jìn)行受力分析，寫(xiě)出力與運(yùn)動(dòng)的規(guī)律表達(dá)式，這是對(duì)受力分析方法和牛頓運(yùn)動(dòng)定律的具體運(yùn)用.

本題可能造成的誤解：

死記硬背彈簧彈力的計(jì)算公式：F=κx.其中κ是勁度系數(shù)，x是彈簧的形變量.大部分誤解此題的學(xué)生對(duì)于x的物理意義都似是而非，模糊不清.于是由牛頓第二定律得到

F+κx-mg=ma

推導(dǎo)關(guān)系得

F=m(g+a)-κx

所以F與x之間應(yīng)該滿足如圖2所示的圖像.沒(méi)有答案.學(xué)生只得重新審題，建立正確的彈簧模型，理清x的物理意義與題設(shè)條件中x的關(guān)系，寫(xiě)出正確的彈力公式

F=κ(x0-x)

其中x0表示系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)彈簧的形變量.由平衡知道

κx0=mg

最后推出關(guān)系為

F=ma+κx

正確答案為A.

圖2 F-x圖像

【例2】(2018年高考全國(guó)Ⅰ卷理綜第18題)如圖3所示，abc是豎直面內(nèi)的光滑固定軌道，ab水平，長(zhǎng)度為2R，bc是半徑為R的四分之一圓弧，與ab相切于b點(diǎn).一質(zhì)量為m的小球.始終受到與重力大小相等的水平外力的作用，自a點(diǎn)處從靜止開(kāi)始向右運(yùn)動(dòng)，重力加速度大小為g.小球從a點(diǎn)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到其軌跡最高點(diǎn)，機(jī)械能的增量為( )

A. 2mgRB. 4mgR

C. 5mgRD. 6mgR

圖3 例2題圖

從物理觀念的視角來(lái)看，本題涉及“運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念”和“能量觀念”.具體來(lái)講，本題主要要知道脫離軌道后物體做勻變速曲線運(yùn)動(dòng)，需要用到合成與分解的思想去分析，需要知道力的作用具有獨(dú)立性，而外顯的物體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象反映的是物體受到的所有力作用的結(jié)果這一本質(zhì).從能量觀點(diǎn)來(lái)講，本題主要涉及動(dòng)能和勢(shì)能的變化，但需要知道該過(guò)程機(jī)械能不守恒，要知道機(jī)械能守恒的條件以及諸多推論.

從科學(xué)思維視角來(lái)看，首先要建立全過(guò)程運(yùn)動(dòng)模型，水平面上、四分之一圓弧軌道和脫離軌道之后的運(yùn)動(dòng).關(guān)鍵是對(duì)于脫離軌道后的運(yùn)動(dòng)，需要分析綜合，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律以及運(yùn)動(dòng)的合成分解等相關(guān)規(guī)律，推理論證出小球的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，找到軌跡最高點(diǎn).其次是要能夠根據(jù)機(jī)械能守恒的條件，推理出機(jī)械能增加的原因，從而計(jì)算出機(jī)械能增加值.

本題最開(kāi)始可能造成的誤解：

誤解“運(yùn)動(dòng)到其軌跡最高點(diǎn)”的“最高點(diǎn)”，理解成“軌道最高點(diǎn)”，水平位移誤解為3R，根據(jù)機(jī)械能守恒條件推導(dǎo)出機(jī)械能增加量為水平恒力在水平方向所做的功，即ΔE=W=F·3R=3mgR.又沒(méi)有正確答案！再重新審題，建立完整的運(yùn)動(dòng)模型.

對(duì)于脫離軌道后的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立性和等時(shí)性，到達(dá)軌跡最高點(diǎn)時(shí)小球在豎直方向的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為

水平方向的加速度a=g，在水平方向的位移為

由以上分析可知，小球從a點(diǎn)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到其軌跡最高點(diǎn)的過(guò)程中，水平方向的位移大小為5R，則小球機(jī)械能的增加量

ΔE=F·5R=5mgR

【例3】(2018年高考全國(guó)Ⅰ卷理綜第21題)圖4中虛線a,b,c,d,f代表勻強(qiáng)電場(chǎng)內(nèi)間距相等的一組等勢(shì)面，已知平面b上的電勢(shì)為2 V.一電子經(jīng)過(guò)a時(shí)的動(dòng)能為10 eV，從a到d的過(guò)程中克服電場(chǎng)力所做的功為6 eV.下列說(shuō)法正確的是( )

A.平面c上的電勢(shì)為零

B.該電子可能到達(dá)不了平面f

C.該電子經(jīng)過(guò)平面d時(shí)，其電勢(shì)能為4 eV

D.該電子經(jīng)過(guò)平面b時(shí)的速率是經(jīng)過(guò)d時(shí)的2倍

從物理觀念的視角來(lái)看，本題涉及勻強(qiáng)電場(chǎng)、等勢(shì)面、電勢(shì)、電勢(shì)能、動(dòng)能、電場(chǎng)力做功等多個(gè)物理概念，需要弄清楚這些概念間的關(guān)系；涉及電場(chǎng)力做功過(guò)程電勢(shì)能和動(dòng)能之間相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律；還涉及動(dòng)能與速度的關(guān)系，以及電場(chǎng)力作用下電子的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題.

圖4 例3題圖

從科學(xué)思維的視角來(lái)看，首先需要把勻強(qiáng)電場(chǎng)中等勢(shì)面模型進(jìn)一步清晰化、數(shù)據(jù)化，通過(guò)a到d的做功數(shù)值，計(jì)算出電勢(shì)差，并進(jìn)一步明確相鄰等勢(shì)面差值為2 V，由此可以分析出各等勢(shì)面的電勢(shì)和對(duì)應(yīng)電勢(shì)能的值，建立如圖5所示的等勢(shì)面模型.其次再由功能關(guān)系推出每個(gè)等勢(shì)面對(duì)應(yīng)的動(dòng)能，由動(dòng)能推出速度關(guān)系.

圖5 等勢(shì)面模型

可能造成的誤解：

依照以上分析，已經(jīng)能確定A，C，D中只有A正確.按照模型及其數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單推斷下，電子到達(dá)等勢(shì)面f時(shí)還具有2 eV的動(dòng)能，不可能出現(xiàn)到達(dá)不了的情況，再也找不到其他正確答案了！

問(wèn)題出在哪里？還是電子運(yùn)動(dòng)模型的建構(gòu)不完整，即運(yùn)動(dòng)模型的初始條件模糊不清.對(duì)于運(yùn)動(dòng)模型的建構(gòu)，需要初始化模型，了解模型全過(guò)程.由于經(jīng)過(guò)等勢(shì)面a的運(yùn)動(dòng)方向不確定，如果電子在到達(dá)等勢(shì)面f前已經(jīng)不具有垂直等勢(shì)面方向的速度，那么電子就可能到達(dá)不了f.

2 試題評(píng)價(jià)

(1)這3道題所涉及的知識(shí)內(nèi)容很具代表性，符合課程標(biāo)準(zhǔn)中課程的內(nèi)容要求.試題抽取了“運(yùn)動(dòng)與相互作用觀”“能量觀”“建構(gòu)模型”“獲取信息，圍繞模型運(yùn)用概念和規(guī)律進(jìn)行推理、論證”等核心素養(yǎng)設(shè)計(jì)試題.

(2)試題的情境具有一定的問(wèn)題性、研究性和開(kāi)放性，題干圍繞一個(gè)中心，能反映學(xué)生的典型錯(cuò)誤，有利于學(xué)生改進(jìn)學(xué)習(xí).

(3)這3道題都允許學(xué)生有知錯(cuò)改錯(cuò)的機(jī)會(huì).按照對(duì)于概念和規(guī)律的正確理解、正確的推演，得出結(jié)論，都能比較輕松地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題——沒(méi)有答案！于是給予學(xué)生重新再來(lái)的機(jī)會(huì)，命題者可謂是用心良苦啊！

(4)這3道題都要求學(xué)生有嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)思維.凡是解題從經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，而不是從觀念入手，急于從知識(shí)入手解題，而不是從建構(gòu)模型開(kāi)始的思維方式都是不可取的，不嚴(yán)密的.

但是作為高考題，8個(gè)選擇題出現(xiàn)3個(gè)具有相同特點(diǎn)的問(wèn)題，是值得商榷的.

首先，選擇項(xiàng)的錯(cuò)誤選項(xiàng)干擾性不強(qiáng)，很容易判斷出自己解題有問(wèn)題.

其次，這3道題容易給學(xué)生造成較強(qiáng)的心理壓力.他們會(huì)懷疑試題人為設(shè)置了較多“隱藏機(jī)關(guān)”，解題變得不自信，從而對(duì)于后面的答題帶來(lái)困擾，浪費(fèi)時(shí)間.

第三，個(gè)人以為，這3道題適合給學(xué)生平時(shí)作業(yè)用.這樣給予學(xué)生的鍛煉更充分，更能體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程的重要性，在經(jīng)歷和體驗(yàn)中逐步成長(zhǎng)，思維更趨嚴(yán)謹(jǐn)和嚴(yán)密.

以上分析和評(píng)價(jià)是筆者的不成熟觀點(diǎn)，希望廣大讀者批評(píng)指正.