王 剛

(邯鄲市教育科學(xué)研究所 河北 邯鄲 056002)

《普通高中物理課程標準(2017年版)》以核心素養(yǎng)為統(tǒng)領(lǐng)，提倡培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，促進學(xué)生系統(tǒng)掌握各學(xué)科基礎(chǔ)知識、基本技能、基本方法，培養(yǎng)適應(yīng)終身發(fā)展和社會發(fā)展所需要的正確價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力.2019年11月教育部考試中心制定的《中國高考評價體系》正式出版，提出要立足全面發(fā)展育人目標，明確構(gòu)建包括“核心價值、學(xué)科素養(yǎng)、關(guān)鍵能力、必備知識”在內(nèi)的高考考查內(nèi)容體系[1].物理學(xué)科核心素養(yǎng)是物理學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn)，主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度和責任”4個方面的要素[2].為適應(yīng)新時代對人才的要求，高考命題必將參考高考評價體系的框架，依據(jù)高中課程標準，聚焦學(xué)科核心素養(yǎng)形成與發(fā)展，充分發(fā)揮物理學(xué)在育人中的獨特作用和價值，促進學(xué)生形成正確的物理觀念，掌握科學(xué)的思維方法，具備探究和解決問題的能力，增強創(chuàng)新意識，引導(dǎo)學(xué)生正確認識科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境的關(guān)系，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣，培養(yǎng)實事求是的科學(xué)態(tài)度，形成正確的價值觀，為學(xué)生的終身發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)，從而落實立德樹人根本任務(wù)[3].

物理規(guī)律的描述往往采用3種基本形式，即語言文字敘述、數(shù)學(xué)函數(shù)公式和物理圖像.物理圖像是一種特殊且形象的語言和工具，在中學(xué)物理中應(yīng)用廣泛.物理圖像是數(shù)形結(jié)合的產(chǎn)物，能夠形象地表述物理規(guī)律，簡潔地揭示出相關(guān)物理量之間的關(guān)系及變化趨勢，同時把抽象的物理規(guī)律轉(zhuǎn)化成直觀的圖形.就物理圖像考查的要求，考試說明中明確提出：要能夠?qū)ξ锢硪?guī)律、狀態(tài)和過程在理解的基礎(chǔ)上用合適的圖像表示出來，會用圖像處理物理問題[4].圖像類問題在歷年的高考真題和考綱說明的題型示例中出現(xiàn)的頻率都很高，比如2019年高考全國Ⅰ卷理綜第20,21,25,34(1)題，Ⅱ卷第14,18,19,21,23,25,33(1),34(1)題，Ⅲ卷第17,19,20題，2019年考綱說明題型示例中的例題4,6,10,14,16,19,21,23等都是考查圖像的題目.基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的視角，對2019年高考試題和考綱說明題型示例中涉及圖像的典型題目進行分析與思考是十分必要的，可以為圖像教學(xué)中提升學(xué)生核心素養(yǎng)提供參考.

1 以實際拋體運動的v-t圖像考查物理觀念

【例1】(2019年高考全國新課標Ⅱ卷理綜第19題)如圖1(a)所示，在跳臺滑雪比賽中，運動員在空中滑翔時身體的姿態(tài)會影響下落的速度和滑翔的距離.某運動員先后兩次從同一跳臺起跳，每次都從離開跳臺開始計時，用v表示他在豎直方向的速度，其v-t圖像如圖1(b)所示，t1和t2是他落在傾斜雪道上的時刻.則( )

(a)

A．第二次滑翔過程中在豎直方向上的位移比第一次的小

B．第二次滑翔過程中在水平方向上的位移比第一次的大

C．第二次滑翔過程中在豎直方向上的平均加速度比第一次的大

D．豎直方向速度大小為v1時，第二次滑翔在豎直方向上所受阻力比第一次的大

評析：本題以冬奧會跳臺滑雪項目為背景，考查學(xué)生運用物理概念和規(guī)律解決實際運動中的相關(guān)問題，引導(dǎo)考生關(guān)注體育運動，增強體育鍛煉的意識.題目給出運動員先后兩次空中滑翔時在豎直方向上的速度-時間圖像，考查考生對運動相關(guān)物理觀念與圖像中數(shù)學(xué)元素對應(yīng)關(guān)系的理解.運用物理知識解決實際問題能力的高低，往往取決于學(xué)生將情境與知識相聯(lián)系的水平.能不能把問題中的實際情境轉(zhuǎn)換成解決問題的物理情境，建立相應(yīng)的物理模型，這是應(yīng)用物理觀念思考問題、應(yīng)用物理知識分析并解決問題的關(guān)鍵.考生需要從速度-時間圖像中讀取所需的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并理解速度-時間圖像中圖線與時間軸所圍圖形的面積表示位移、圖像上某點切線的斜率表示該時刻加速度的大小等重要含義，結(jié)合牛頓第二定律分析求解.

在圖像教學(xué)中，要讓學(xué)生正確識別圖像中橫縱坐標分別代表的物理量是什么，以便清晰它們之間變化的關(guān)系，徹底搞清楚圖像中的點、線、斜率、截距、面積具有的物理意義，從而將圖像描述的運動轉(zhuǎn)化為生動的運動情境，再運用相關(guān)物理規(guī)律對具體問題進行分析求解.

2 以碰撞物體的v-t圖像考查科學(xué)思維

【例2】(2019年高考全國新課標Ⅰ卷理綜第25題)豎直面內(nèi)一傾斜軌道與一足夠長的水平軌道通過一小段光滑圓弧平滑連接，小物塊B靜止于水平軌道的最左端，如圖2(a)所示.t=0時刻，小物塊A在傾斜軌道上從靜止開始下滑，一段時間后與B發(fā)生彈性碰撞(碰撞時間極短)；當A返回到傾斜軌道上的P點(圖中未標出)時，速度減為零，此時對其施加一外力，使其能在傾斜軌道上保持靜止.物塊A運動的v-t圖像如圖2(b)所示，圖中的v1和t1均為未知量.已知A的質(zhì)量為m，初始時A與B的高度差為H，重力加速度大小為g，不計空氣阻力.

(a)

(1)求物塊B的質(zhì)量；

(2)在圖2(b)所描述的整個運動過程中，求物塊A克服摩擦力所做的功；

(3)已知兩物塊與軌道間的動摩擦因數(shù)均相等.在物塊B停止運動后，改變物塊與軌道間的動摩擦因數(shù)，然后將A從P點釋放，一段時間后A剛好能與B再次碰上.求改變前后動摩擦因數(shù)的比值.

評析：本題以兩個物塊的碰撞為背景，將斜面上的勻變速運動、碰撞等不同形式的運動有機地融合在一起，要求考生能夠分析復(fù)雜的物理過程，突出了對模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等科學(xué)思維的考查.題目通過呈現(xiàn)物塊A碰撞前后的速度-時間圖像，將常見的碰撞問題推陳出新，設(shè)置的3個問題梯度明顯，側(cè)重考查信息提取和加工能力.學(xué)生不僅要從圖像中獲取物塊A運動的信息，還需要分析物塊A與B的運動情況.從物塊A碰撞前后的速度-時間圖像中提取出物塊A碰撞前后的速度這一重要信息，運用能量守恒和動量守恒定律對物塊A與B的相互作用進行科學(xué)論證和分析，從而得出物塊B的質(zhì)量，以及碰后物塊B的運動特征.運用功能關(guān)系和動能定理可以分析出物塊A克服摩擦力所做功的情況.第三問通過改變摩擦因數(shù)，進一步分析A與B的運動情況.從整個過程來看，題中A的運動過程為沿斜面勻加速運動、A與B的彈性碰撞、沿斜面向上的勻減速運動(摩擦因數(shù)為μ1)、靜止一段時間、沿斜面向下的勻加速運動和水平面上的勻減速運動(摩擦因數(shù)為μ2)；B的運動過程為彈性碰撞和水平面上的勻減速運動(摩擦因數(shù)為μ2).

在圖像教學(xué)中，要注重學(xué)生的模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等能力的培養(yǎng).從物理圖像中提取有效信息，明晰題中所涉及的物理狀態(tài)、物理過程和物理情境，在此基礎(chǔ)上對物理問題進行具體的分析和研究，抓住問題的主要因素和相關(guān)條件，建立合適的物理模型，從而將一個復(fù)雜的問題分解為若干較為簡單的問題，并找出它們之間的聯(lián)系，運用合適的物理知識綜合解決問題，從而提升學(xué)生科學(xué)思維的水平.

3 以不同星球上物體的a-x圖像考查科學(xué)探究

【例3】(2019年高考全國新課標Ⅰ卷理綜第21題)在星球M上將一輕彈簧豎直固定在水平桌面上，把物體P輕放在彈簧上端，P由靜止向下運動，物體的加速度a與彈簧的壓縮量x間的關(guān)系如圖3中實線所示.在另一星球N上用完全相同的彈簧，改用物體Q完成同樣的過程，其a-x關(guān)系如圖3中虛線所示.假設(shè)兩星球均為質(zhì)量均勻分布的球體.已知星球M的半徑是星球N的3倍，則( )

圖3 例3題圖

A.M與N的密度相等

B.Q的質(zhì)量是P的3倍

C.Q下落過程中的最大動能是P的4倍

D.Q下落過程中彈簧的最大壓縮量是P的4倍

評析：題目以典型的彈簧模型為背景，要求考生能把生活中常見的情境順利遷移到某一星球，同時以a-x圖像呈現(xiàn)信息，考查學(xué)生信息提取、加工及應(yīng)用的能力.物理情境和設(shè)問都比較新穎，題中所蘊含的物理規(guī)律也比較隱蔽，從而避免了學(xué)生在解題過程中直接套用公式，較好地考查了學(xué)生建立物理模型、靈活運用物理知識分析問題和解決問題的高階認知能力.需要將圖像還原為問題情境，并結(jié)合物體加速度和彈簧壓縮量之間關(guān)系的圖像，綜合運用萬有引力定律、牛頓運動定律、功能關(guān)系等主干知識來解決問題.題中的彈簧振子，其運動情況是先加速再減速，具有運動的對稱性，中間位置加速度為零，速度最大.根據(jù)此特點可知，P下落過程中彈簧最大壓縮量為2x0，Q下落過程中彈簧最大壓縮量為4x0，因此Q下落過程中彈簧的最大壓縮量是P的2倍.從題目所給a-x圖像中抽取隱含信息可以得到兩個星球上的重力加速度大小，利用中間加速度為零可以分析出Q的質(zhì)量是P的3倍.關(guān)于P和Q下落過程中的最大動能，需要考生根據(jù)已有的變力做功知識來求解，恰好題目中F-x是線性變化的，求解也很方便.也可以運用圖像面積來思考問題，F(xiàn)-x的面積表示功，圖像與x軸圍成的面積若乘以質(zhì)量m即為合外力F對物體所做的功.本題運動模型經(jīng)典，考查面很廣，命題立意高，解題的過程需要考生經(jīng)歷一個科學(xué)探究過程，體現(xiàn)出對學(xué)生科學(xué)探究能力的考查.

4 以“殲15”著艦的運動圖像考查科學(xué)態(tài)度和責任

【例4】(2019年高考考綱說明題型示例例題14)2012年11月，“殲15”艦載機在“遼寧號”航空母艦上著艦成功.圖4(a)為利用阻攔系統(tǒng)讓艦載機在飛行甲板上快速停止的原理示意圖.飛機著艦并成功鉤住阻攔索后，飛機的動力系統(tǒng)立即關(guān)閉，阻攔系統(tǒng)通過阻攔索對飛機施加一作用力，使飛機在甲板上短距離滑行后停止.某次降落，以飛機著艦為計時零點，飛機在t=0.4 s時恰好鉤住阻攔索中間位置，其著艦到停止的速度—時間圖線如圖4(b)所示.假如無阻攔索，飛機從著艦到停止需要的滑行距離約為1 000 m.已知航母始終靜止，重力加速度的大小為g.則( )

(a)

B.在0.4～2.5 s時間內(nèi)，阻攔索的張力幾乎不隨時間變化

C.在滑行過程中，飛行員所承受的加速度大小會超過2.5 g

D.在0.4～2.5 s時間內(nèi)，阻攔系統(tǒng)對飛機做功的功率幾乎不變

評析：題目緊密聯(lián)系我國自主研制的“殲15”艦載機在“遼寧號”航空母艦上著艦成功的事實，要求考生抓住情境的核心要素構(gòu)建物理模型，依據(jù)v-t圖像求解位移、估算加速度，按照力的合成、功率、力和速度的關(guān)系進行定性判斷.能正確識圖，并從圖像中提取所需的信息，是解決此類問題的關(guān)鍵.試題突出了應(yīng)用性，發(fā)揮了引導(dǎo)教學(xué)的作用，引導(dǎo)學(xué)生將物理概念、物理規(guī)律與國家經(jīng)濟社會發(fā)展、科學(xué)技術(shù)進步、生產(chǎn)生活實際緊密聯(lián)系起來，關(guān)注我國航海事業(yè)的大發(fā)展，體會物理學(xué)在實際生活中的應(yīng)用價值，增強學(xué)生的民族自信心和自豪感，以實現(xiàn)立德樹人的根本任務(wù).

5 結(jié)束語

圖像教學(xué)過程中，教師創(chuàng)設(shè)恰當?shù)奈锢砬榫?，引?dǎo)學(xué)生關(guān)注社會進步和科學(xué)發(fā)展，讓學(xué)生運用已有的物理知識和方法解決實際問題，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用、知行合一的意識和躬身實踐的能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，并逐漸形成探索自然的內(nèi)在動力，培育嚴謹認真、實事求是和持之以恒的科學(xué)態(tài)度，明確自己的科學(xué)態(tài)度和社會責任[3].2019年考綱中明確提出：試題注意物理知識在日常學(xué)習(xí)生活、生產(chǎn)勞動實踐等方面的廣泛應(yīng)用，大力引導(dǎo)學(xué)生從“解題”向“解決問題”轉(zhuǎn)變[5].高考強調(diào)學(xué)以致用，試題的應(yīng)用性主要體現(xiàn)在對學(xué)生運用所學(xué)知識解決實際問題能力的考查，這一點需要廣大師生給予足夠的關(guān)注.

能運用幾何圖形、函數(shù)圖像對具體物理問題進行分析與表達，是學(xué)生關(guān)鍵能力的表現(xiàn)之一.2019年高考物理試題注重利用圖像呈現(xiàn)豐富的物理信息，增加試題信息的廣度，要求學(xué)生能夠從圖像中獲取信息，建立文字、圖像等不同信息呈現(xiàn)方式之間的聯(lián)系，從而構(gòu)建正確的物理圖景，考查學(xué)生的信息加工、邏輯推理等關(guān)鍵能力[6].圖像教學(xué)中，必須要讓學(xué)生深刻理解物理圖像中坐標軸、點(坐標原點、圖線上的任意點以及可能的圖線交點)、線(反映出物理量之間的關(guān)系，即物理規(guī)律)、面(圖像中圖線與坐標軸所包圍的面積，常常表示另外一個物理量的大小)、斜率(表示兩物理量增量的比值，反映該點處一個量隨另一個量變化的快慢)、截距(包括橫截距和縱截距)的正確含義，明確圖像所描述的物理狀態(tài)、物理過程和物理情景等信息，進而運用已有的物理規(guī)律靈活解決相關(guān)問題.要注意對學(xué)生物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責任等科學(xué)素養(yǎng)的培育和養(yǎng)成，爭取早日適應(yīng)高考改革的趨勢.