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:高中物理課程在義務(wù)教育的基礎(chǔ)上,幫助學(xué)生從物理學(xué)的視角認(rèn)識自然,理解自然,建構(gòu)關(guān)于自然界的物理圖景;引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程,體會科學(xué)研究方法,養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣,增強(qiáng)創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力;引領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識科學(xué)的本質(zhì)．2019年北京高考物理考題以科學(xué)思維為著力點(diǎn),注重體現(xiàn)了物理學(xué)科本質(zhì),注重學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的形成過程,為學(xué)生終身發(fā)展、應(yīng)對現(xiàn)代和未來社會發(fā)展的挑戰(zhàn)打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)．

1 突出模型建構(gòu)能力考查

新課標(biāo)中關(guān)于模型建構(gòu)能力的最高要求(水平5)是“能將較復(fù)雜的實(shí)際問題中的對象和過程轉(zhuǎn)換成物理模型”．2019年北京高考第24題的第(3)問突破傳統(tǒng)模型,要求學(xué)生能對雨滴下落問題建立合理的模型,并對阻力與下落速度之間的關(guān)系進(jìn)行定量計算．

第24題第(3)問.雨滴落到地面的速度通常僅為幾米每秒,這與雨滴下落過程中受到空氣阻力有關(guān)．雨滴間無相互作用且雨滴質(zhì)量不變,重力加速度為g．

(3)由于大量氣體分子在各方向運(yùn)動的幾率相等,其對靜止雨滴的作用力為0．將雨滴簡化為垂直于運(yùn)動方向面積為S的圓盤,證明:圓盤以速度v下落時受到的空氣阻力f∝v2(提示:設(shè)單位體積內(nèi)空氣分子數(shù)為n,空氣分子質(zhì)量為m0)．

解析：根據(jù)題設(shè)條件:大量氣體分子在各方向運(yùn)動的幾率相等,其對靜止雨滴的作用力為0．以下只考慮雨滴下落的定向運(yùn)動．

圖1

簡化的圓盤模型如圖1．設(shè)空氣分子與圓盤碰撞前后相對速度大小不變．在Δt時間內(nèi),與圓盤碰撞的空氣分子質(zhì)量為

Δm=SvΔtnm0.

以F表示圓盤對氣體分子的作用力,根據(jù)動量定理,有

FΔt∝Δm×v，得F∝nm0Sv2.由牛頓第三定律,可知圓盤所受空氣阻力

f∝v2.

采用不同的碰撞模型,也可得到相同結(jié)論．

評析：第24題第(3)問從雨滴下落的實(shí)際問題出發(fā),抓住雨滴下落過程中所受阻力的實(shí)質(zhì)——空氣分子與雨滴的碰撞,并以“圓盤”代替“圓球”雨滴,將計算難度下沉至高中學(xué)生的能力范圍,考生利用流體柱模型即可迎刃而解．宏觀表象與微觀模型的結(jié)合是本題模型建構(gòu)的關(guān)鍵所在．圓盤在向下運(yùn)動的過程中,受到下方氣體分子的連續(xù)碰撞,因此可用流體柱模型,計算這種碰撞的平均力．這種微觀碰撞的平均效果,在宏觀層面就表現(xiàn)為“阻力”,利用宏微結(jié)合的思想,從物理本質(zhì)上揭示了雨滴下落時所受阻力的根本原因,并根據(jù)該模型進(jìn)一步定量推導(dǎo)了阻力與雨滴下落速度之間的關(guān)系．

2 深化科學(xué)推理能力考查

在以往的考試與教學(xué)中,我們較多注重精確的定量推理、計算．在2019年北京市高考物理題中,突出體現(xiàn)了定性、半定量推理的能力．科學(xué)推理能力的學(xué)業(yè)質(zhì)量水平5中要求學(xué)生能在新的情境中對綜合問題進(jìn)行分析和推理,獲得正確結(jié)論并作出解釋．以本次考試中的第23題為例,該題目考查了電容充電過程中的電流、電壓、電荷的種種關(guān)系.這些關(guān)系多數(shù)都是以圖表的形式定性給出．

第23題.電容器作為儲能器件,在生產(chǎn)生活中有廣泛的應(yīng)用．對給定電容值為C的電容器充電,無論采用何種充電方式,其兩極間的電勢差u隨電荷量q的變化圖像都相同．

圖2

(1)請在圖2中畫出上述u-q圖像．類比直線運(yùn)動中由v-t圖像求位移的方法,求兩極間電壓為u時電容器所儲存的電能E0．

(2) 在如圖3所示的充電電路中,R表示電阻,E表示電源(忽略內(nèi)阻)．通過改變電路中元件的參數(shù)對同一電容器進(jìn)行兩次充電,對應(yīng)的q-t曲線如圖4中①②所示．

圖3

圖4

a. ①②兩條曲線不同是________(選填E或R)的改變造成的;

b. 電容器有時需要快速充電,有時需要均勻充電．依據(jù)a中的結(jié)論,說明實(shí)現(xiàn)這兩種充電方式的途徑．

(3) 設(shè)想使用理想的“恒流源”替換(2)中電源對電容器充電,可實(shí)現(xiàn)電容器電荷量隨時間均勻增加．請思考使用“恒流源”和(2)中電源對電容器的充電過程,填寫表1(選填“增大”、“減小”或“不變”)．

表1

圖5

解析： (1)u-q圖線如圖5.

電壓為U時,電容器帶電Q,圖線和橫軸圍成的面積為所儲存的電能E0為

(2) a.R；b. 減小電阻R,可以實(shí)現(xiàn)對電容器更快速充電;增大電阻R,可以實(shí)現(xiàn)更均勻充電．

(3) 填表結(jié)果如表2所示.

表2

評析： 電容的充電曲線在課本中“做一做”欄目呈現(xiàn)(課本中是放電曲線),該曲線的定量計算超出了高中學(xué)生的數(shù)學(xué)能力范圍,因此對于該曲線只能做定性討論．而定性討論中所用的分析方法則可類比考生所熟知的v-t關(guān)系或x-t關(guān)系,結(jié)合電阻兩端電壓與電流的關(guān)系等,可定性討論曲線的趨勢以及大致形狀．

本題有兩個創(chuàng)新點(diǎn),一是考查了較常見的恒壓源(不計內(nèi)阻的電池)對電容器充電時,當(dāng)回路中電阻不同時q-t曲線的相互比較;二是考查了考生不熟悉的“恒流源”對電容充電時的電壓、電流變化情況．最終的答案呈現(xiàn)形式也是很新穎的“填表格”,只需考生給出定性結(jié)果即可．

很多物理學(xué)的重要發(fā)現(xiàn),最初都是來自于定性、半定量的研究,比如伽利略關(guān)于自由落體的研究,牛頓關(guān)于萬有引力的地月檢驗(yàn),分子間相互作用力曲線……等,不一而足．在今后的教學(xué)過程中,我們也應(yīng)當(dāng)注重培養(yǎng)學(xué)生從先定性結(jié)論在得出定量結(jié)論的思維習(xí)慣,這才遵循了科學(xué)思維發(fā)展的自然規(guī)律．

3 凸顯質(zhì)疑創(chuàng)新能力考查

“緊跟時代發(fā)展,貼近科技前沿”是北京高考題的一大特點(diǎn)．第20題以2019年5月20日剛剛實(shí)施的國際單位制全新定義法為題材,尤其對新定義的“千克”做了大膽的推測．

第20題.國際單位制(縮寫SI)定義了米(m)、秒(s)等7個基本單位,其他單位均可由物理關(guān)系導(dǎo)出．例如,由m和s可以導(dǎo)出速度單位m·s-1．歷史上,曾用“米原器”定義米,用平均太陽日定義秒．但是,以實(shí)物或其運(yùn)動來定義基本單位會受到環(huán)境和測量方式等因素的影響,而采用物理常量來定義則可避免這種困擾．1967年用銫-133原子基態(tài)的兩個超精細(xì)能級間躍遷輻射的頻率Δν=9 192 631 770 Hz定義s;1983年用真空中的光速c=299 792 458 m·s-1定義m．2018年第26屆國際計量大會決定,7個基本單位全部用基本物理常量來定義(對應(yīng)關(guān)系如圖,例如,s對應(yīng)Δν,m對應(yīng)c)．新SI自2019年5月20日(國際計量日)正式實(shí)施,這將對科學(xué)和技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響．下列選項不正確的是

(A) 7個基本單位全部用物理常量定義,保證了基本單位的穩(wěn)定性.

(B) 用真空中的光速c(m·s-1)定義m,因?yàn)殚L度l與速度v存在l=vt,而s已定義.

(C) 用基本電荷e(C)定義安培(A),因?yàn)殡姾闪縬與電流I存在I=q/t,而s已定義.

(D) 因?yàn)槠绽士顺Ａ縣(J·s)的單位中沒有kg,所以無法用它來定義質(zhì)量單位.

答案：(D)．

評析： 考生在課本中所學(xué)的知識僅是了解了7個基本單位都是哪些,課本中也沒給出這些基本單位是如何定義的．而在學(xué)習(xí)單位制的課程時,kg是剩下的唯一一個利用實(shí)物原件所給出定義的基本單位,其主要面臨的問題是由于消耗與磨損,它的質(zhì)量正慢慢地減少,基本單位的準(zhǔn)確性受到影響,誤差越來越大．為了解決該“棘手”問題,2018年的世界計量大會重新給出了kg的定義:1 kg被定義為“對應(yīng)普朗克常量為6.62607015×10-34J·s時的質(zhì)量單位”．其原理是將移動質(zhì)量1 kg物體所需機(jī)械力換算成可用普朗克常數(shù)表達(dá)的電磁力,再通過質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式算出質(zhì)量．

考生在解題時如果能夠?qū)⒐庾幽芰抗絟ν,愛因斯坦質(zhì)能公式mc2結(jié)合起來,并注意到頻率ν可由時間單位s表示、真空中光速c為常量,則可將質(zhì)量與普朗克常量對應(yīng)起來．而該題目的(D)選項恰恰是在質(zhì)疑這樣做的合理性．

值得注意的是,雖然課本中并未給出這些基本單位的定義,但在正文中給出了確定物理學(xué)單位之間的關(guān)系的方法——物理學(xué)的關(guān)系式確定了物理量之間的關(guān)系時,也指它確定了物理量的單位間的關(guān)系．可見,高考更加注重知識的形成過程,而不僅僅是結(jié)論內(nèi)容．在教學(xué)中“授之以魚不如授之以漁”,這樣才能真正提升學(xué)生的科學(xué)思維能力．

4 拓展科學(xué)探究能力考查

第21題考查的是“研究平拋運(yùn)動”實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)探究的基本要求主要有3個方面:(1) 實(shí)驗(yàn)儀器的主要性能和使用方法;(2) 實(shí)驗(yàn)原理和方法;(3) 分析和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行描述和解釋．

圖6

第21題.用如圖6所示裝置研究平拋運(yùn)動．將白紙和復(fù)寫紙對齊重疊并固定在豎直的硬板上．鋼球沿斜槽軌道PQ滑下后從Q點(diǎn)飛出,落在水平擋板MN上．由于擋板靠近硬板一側(cè)較低,鋼球落在擋板上時,鋼球側(cè)面會在白紙上擠壓出一個痕跡點(diǎn)．移動擋板,重新釋放鋼球,如此重復(fù),白紙上將留下一系列痕跡點(diǎn)．

(1) 下列實(shí)驗(yàn)條件必須滿足的有________．

(A) 斜槽軌道光滑.

(B) 斜槽軌道末段水平.

(C) 擋板高度等間距變化.

(D) 每次從斜槽上相同的位置無初速度釋放鋼球.

(2) 為定量研究,建立以水平方向?yàn)閤軸、豎直方向?yàn)閥軸的坐標(biāo)系．

a. 取平拋運(yùn)動的起始點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),將鋼球靜置于Q點(diǎn),鋼球的________(選填“最上端”、“最下端”或者“球心”)對應(yīng)白紙上的位置即為原點(diǎn);在確定y軸時________(選填“需要”或者“不需要”)y軸與重錘線平行．

圖7

(3) 為了得到平拋物體的運(yùn)動軌跡,同學(xué)們還提出了以下3種方案,其中可行的是________．

(A) 從細(xì)管水平噴出穩(wěn)定的細(xì)水柱,拍攝照片,即可得到平拋運(yùn)動軌跡.

(B) 用頻閃照相在同一底片上記錄平拋小球在不同時刻的位置,平滑連接各位置,即可得到平拋運(yùn)動軌跡.

(C) 將鉛筆垂直于豎直的白紙板放置,筆尖緊靠白紙板,鉛筆以一定初速度水平拋出,將會在白紙上留下筆尖的平拋運(yùn)動軌跡.

(4) 伽利略曾研究過平拋運(yùn)動,他推斷:從同一炮臺水平發(fā)射的炮彈,如果不受空氣阻力,不論它們能射多遠(yuǎn),在空中飛行的時間都一樣．這實(shí)際上揭示了平拋物體________．

(A) 在水平方向上做勻速直線運(yùn)動.

(B) 在豎直方向上做自由落體運(yùn)動.

(C) 在下落過程中機(jī)械能守恒.

(5) 牛頓設(shè)想,把物體從高山上水平拋出,速度一次比一次大,落地點(diǎn)就一次比一次遠(yuǎn),如果速度足夠大,物體就不再落回地面,它將繞地球運(yùn)動,成為人造地球衛(wèi)星．

同樣是受地球引力,隨著拋出速度增大,物體會從做平拋運(yùn)動逐漸變?yōu)樽鰣A周運(yùn)動,請分析原因．

(5) 物體初速度較小時,運(yùn)動范圍很小,引力可以看作恒力——重力,做平拋運(yùn)動;隨著物體初速度增大,運(yùn)動范圍變大,引力不能再看作恒力;當(dāng)物體初速度達(dá)到第一宇宙速度時,做圓周運(yùn)動而成為地球衛(wèi)星．

評析： 第(1)問從實(shí)驗(yàn)器材的角度出發(fā),探究了實(shí)驗(yàn)的基本方案和原理;第(2)問考查了實(shí)驗(yàn)設(shè)計、獲取和處理信息;第(3)問從實(shí)驗(yàn)方案方面提出不同的探究方法,對不同方法進(jìn)行了評估;第(4)問考查了實(shí)驗(yàn)的探究結(jié)果,對出現(xiàn)結(jié)果進(jìn)行了科學(xué)的解釋;第(5)問結(jié)合建模、思維等多項能力,對平拋運(yùn)動與地球衛(wèi)星的圓周運(yùn)動進(jìn)行了相互比較．

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué),尤其是探究實(shí)驗(yàn)時,我們?nèi)菀紫萑搿凹偬骄俊钡墓秩χ?看似學(xué)生已經(jīng)掌握了該實(shí)驗(yàn),但其實(shí)對每一步操作、實(shí)驗(yàn)的可能結(jié)果的分析,都僅知道“是什么”,而不清楚“為什么”．比如第(2)問中提到的鋼球平拋原點(diǎn)的對應(yīng)位置,其實(shí)就需要對實(shí)驗(yàn)操作中的“由于擋板靠近硬板一側(cè)較低,鋼球落在擋板上時,鋼球側(cè)面會在白紙上擠壓出一個痕跡點(diǎn)”這句話做充分解讀．而真正做過實(shí)驗(yàn)的話,考生則對這樣的操作不會陌生．

在第(5)問中出現(xiàn)的牛頓思想實(shí)驗(yàn),是本題探究的制高點(diǎn)．思想實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)發(fā)展史上起到了至關(guān)重要的作用,偉大的物理學(xué)家愛因斯坦正是從多個思想實(shí)驗(yàn)出發(fā),創(chuàng)立了相對論理論體系．

地球的引力場是非均勻球?qū)ΨQ分布的輻射狀場,為什么在地球上做實(shí)驗(yàn)時,能當(dāng)作均勻場處理呢?這是一個需要進(jìn)行評估和反思的內(nèi)容,通過比較平拋運(yùn)動與地球近地衛(wèi)星的運(yùn)動范圍的大小,指明了該實(shí)驗(yàn)的合理近似,這是對科學(xué)探究更高層次的考查．

除了第21題之外,在本卷第19題也通過數(shù)據(jù)表格的呈現(xiàn)形式,考查了學(xué)生在探究過程中對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理解釋并得出結(jié)論的重要能力．通常光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果多以光電流與加速電壓之間的關(guān)系圖線呈現(xiàn),本題另辟蹊徑,用新穎的表格形式對考生獲取數(shù)據(jù)、提取關(guān)鍵信息的能力進(jìn)行了有效考查．

第19題： 光電管是一種利用光照射產(chǎn)生電流的裝置,當(dāng)入射光照在管中金屬板上時,可能形成光電流．表3中給出了6次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果．

表3

由表中數(shù)據(jù)得出的論斷中不正確的是

(A) 兩組實(shí)驗(yàn)采用了不同頻率的入射光.

(B) 兩組實(shí)驗(yàn)所用的金屬板材質(zhì)不同.

(C) 若入射光子的能量為5.0 eV,逸出光電子的最大動能為1.9 eV.

(D) 若入射光子的能量為5.0 eV,相對光強(qiáng)越強(qiáng),光電流越大.

答案： (B)．

5 滲透科學(xué)態(tài)度與責(zé)任養(yǎng)成

第18題以北斗導(dǎo)航衛(wèi)星為背景,考查了萬有引力定律及其應(yīng)用、第一宇宙速度、第二宇宙速度等知識．中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)．北斗衛(wèi)星系統(tǒng),為全球用戶提供高質(zhì)量的免費(fèi)服務(wù),積極與世界各國開展廣泛而深入的交流與合作．

第18題.2019年5月17日,我國成功發(fā)射第45顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星,該衛(wèi)星屬于地球靜止軌道衛(wèi)星(同步衛(wèi)星)．該衛(wèi)星

(A) 入軌后可以位于北京正上方.

(B) 入軌后的速度大于第一宇宙速度.

(C) 發(fā)射速度大于第二宇宙速度.

(D) 若發(fā)射到近地圓軌道所需能量較少.

答案： (D)．

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),是國家安全和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要信息基礎(chǔ)設(shè)施,也是衡量一個國家綜合科技實(shí)力的重要標(biāo)志,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建成極大提升了我國航天科技的國際地位,國人無不為之振奮．本試題以我國科技成果為背景,不僅考查學(xué)生的核心知識,還激發(fā)了愛國主義的熱情,增強(qiáng)了民族自信心,培養(yǎng)了學(xué)生的社會責(zé)任和使命感,有利于形成正確的價值觀念．

6 總結(jié)

2019年北京高考物理考試深入考查了學(xué)科核心素養(yǎng)中的科學(xué)思維能力,也對其他能力進(jìn)行了綜合、全面的考查．該份考題從實(shí)際出發(fā),重視實(shí)驗(yàn)與建模能力,強(qiáng)調(diào)學(xué)科思想和研究方法的考查,緊跟科技前沿,回歸物理學(xué)科本質(zhì),為新課標(biāo)的實(shí)施以及明年開始的等級考試的命題積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)．

縱觀“理綜時代”的歷年北京物理考題,每一份都精挑細(xì)選、小心拿捏,題目難度適中,知識內(nèi)容全面,穩(wěn)定與創(chuàng)新結(jié)合,經(jīng)典與前沿相呼應(yīng),為考生樹立了正確的價值觀,為學(xué)生的終身學(xué)習(xí)打下了堅實(shí)的能力基礎(chǔ)和必備品格．