康賢明 黃麗英

(1.福建省泉州市城東中學(xué)，福建 泉州 362000； 2. 福建省石獅第八中學(xué)，福建 泉州 362700)

教育部在2019年12月發(fā)布的中國高考評價體系指出：情境是實現(xiàn)“四層”考查內(nèi)容和“四翼”考查要求的載體，對考查和培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用。[1]雙導(dǎo)體桿系統(tǒng)在導(dǎo)軌上做切割磁感線運動是高考中常見的情境，這類試題可以從多方面考查學(xué)生對綜合性物理問題的分析推理能力，從深層次考查學(xué)生的科學(xué)思維。[2]2021年福建省高考物理第7題是一道結(jié)合“雙桿模型”的多項選擇題，本文對此進(jìn)行評析，并針對試題的特點給出備考啟示。

1 試題解析

原題：如圖1所示，P、Q是兩根固定在水平面內(nèi)的光滑平行金屬導(dǎo)軌，間距為L，導(dǎo)軌足夠長且電阻可忽略不計。圖中EFGH矩形區(qū)域有一方向垂直導(dǎo)軌平面向上、磁感應(yīng)強度大小為B的勻強磁場。在t=t1時刻，兩均勻金屬棒a、b分別從磁場邊界EF、GH進(jìn)入磁場，速度大小均為v0；一段時間后，流經(jīng)a棒的電流為0，此時t=t2，b棒仍位于磁場區(qū)域內(nèi)。已知金屬棒a、b由相同材料制成，長度均為L，電阻分別為R和2R，a棒的質(zhì)量為m，在運動過程中兩金屬棒始終與導(dǎo)軌垂直且接觸良好，a、b棒沒有相碰，則( )。

圖1

B.t2時刻b棒的速度為0

C.t1～t2時間內(nèi)，通過a棒橫截面的電荷量是b棒的2倍

圖2

t=t2時流經(jīng)a棒的電流為0，且b棒仍位于磁場區(qū)域內(nèi)，說明回路的總感應(yīng)電動勢為0，有兩種可能，一是兩棒的速度都為0，二是兩棒速度大小相等方向相同，兩棒所受安培力大小相等，方向相反，系統(tǒng)動量守恒，因為a棒的質(zhì)量是b的兩倍，系統(tǒng)總動量向右，所以t2時刻兩棒速度相等且方向都向右，故B選項錯誤。

t1～t2時間內(nèi)，兩棒串聯(lián)組成閉合回路，通過兩棒的電流始終相等，通過橫截面的電荷量也相等，故C選項錯誤。

2 試題評析

2.1 知識立意

本題考查的物理概念有：質(zhì)量、長度、橫截面積、體積、密度、電阻、電阻率、電流、電荷量、感應(yīng)電動勢、電源、閉合電路、安培力、速度、加速度、動能、電能、焦耳熱、動量等；考查的物理規(guī)律有：電阻定律、牛頓第二定律、電磁感應(yīng)定律、閉合電路歐姆定律、動量守恒定律、能量守恒定律等。考查的概念和規(guī)律都是高中物理重點學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)內(nèi)容，體現(xiàn)了基礎(chǔ)性；本題涉及19個物理量，要綜合利用牛頓運動定律、動量守恒和能量守恒定律解決電磁感應(yīng)與電路的綜合問題，體現(xiàn)了綜合性；本題的情景是很難與生活實際相聯(lián)系的學(xué)習(xí)探索情境，是抽象關(guān)聯(lián)情境，是用來區(qū)分選拔高層次人才的，體現(xiàn)了應(yīng)用性；本題的選項設(shè)置，可以區(qū)分具有創(chuàng)新思維的學(xué)生，學(xué)生如果善于獨立思考，不需要計算，通過排除法，可以快速找出正確選項，體現(xiàn)了創(chuàng)新性。

2.2 能力立意

知識是載體，能力才是關(guān)鍵。從知識獲取能力來看，本題對學(xué)生的信息整理能力提出了較高的要求，因為A、D兩個選項如果要完整地計算出來，需要引入的符號多達(dá)二十幾個。這要求學(xué)生對物理基礎(chǔ)知識要有深刻的理解，并形成學(xué)科知識網(wǎng)絡(luò)，才能通過閱讀，理解試題文本，透過現(xiàn)象看本質(zhì)，發(fā)現(xiàn)隱含的規(guī)律和原理，從而將復(fù)雜的信息整理出來。從實踐能力來看，本題主要考查學(xué)生的信息轉(zhuǎn)化能力，要求學(xué)生將整理出來的復(fù)雜信息，根據(jù)所學(xué)的原理，找到信息點之間的關(guān)聯(lián)，從而得到結(jié)論。從思維能力來看，本題要求學(xué)生有較強的模型構(gòu)建能力，如結(jié)合電阻定律，構(gòu)建桿的電阻模型；由a、b棒切割磁感線，結(jié)合電磁感應(yīng)定律，構(gòu)建雙電源模型；以a、b棒為系統(tǒng)，由兩桿間的相互作用，構(gòu)建碰撞模型。

2.3 素養(yǎng)體現(xiàn)

概念和規(guī)律是物理觀念的具體體現(xiàn)，由本題考查的概念和規(guī)律可以看出，本題考查的物理觀念包括了物質(zhì)、運動、相互作用和能量四個觀念。本題中雙桿做變速運動，受到的安培力是變力，其運動模型需要通過分析兩桿的運動并進(jìn)行多層次的推理才能判斷其運動狀態(tài)，考查學(xué)生對綜合性物理問題的分析推理能力，符合《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中學(xué)業(yè)質(zhì)量水平4的要求：“能將實際問題中的對象和過程轉(zhuǎn)換成所學(xué)的物理模型，能對綜合性物理問題進(jìn)行分析和推理”，能較好地區(qū)分學(xué)生的學(xué)業(yè)水平。

3 教學(xué)啟示

3.1 利用思維導(dǎo)圖培養(yǎng)學(xué)生信息處理能力

本題綜合性較強，涉及的物理量、物理規(guī)律多，這就要求學(xué)生具備較強的信息梳理能力，要求學(xué)生有良好的知識結(jié)構(gòu)。在復(fù)習(xí)備考時，要幫助學(xué)生梳理知識結(jié)構(gòu)。比如，在本題講解中，可將物理量分為對象、環(huán)境和過程三類，利用思維導(dǎo)圖(圖3)進(jìn)行信息梳理。復(fù)習(xí)中，思維導(dǎo)圖不是簡單的概念梳理，要幫助學(xué)生梳理知識之間的邏輯關(guān)聯(lián)，構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)。

圖3

3.2 利用問題串搭設(shè)腳手架，培養(yǎng)學(xué)生按流程思維的習(xí)慣

在本題D選項的計算中，思維流程長，綜合性強，如果不能快速構(gòu)建模型，根本無從下手。筆者的策略是利用問題串，搭設(shè)腳手架，培養(yǎng)學(xué)生按照流程進(jìn)行思維的能力，比如，結(jié)合雙桿模型，設(shè)計的習(xí)題如下。

習(xí)題1：如圖4所示，固定在水平面上間距為L的兩條平行光滑金屬導(dǎo)軌，垂直于導(dǎo)軌放置的兩根金屬棒ab和cd的長度也為L，兩棒與導(dǎo)軌始終接觸良好，整個裝置上有垂直于導(dǎo)軌平面向上的勻強磁場，磁感應(yīng)強度大小為B，在t=0時刻使棒ab獲得水平向右的初速度v0，已知兩棒的質(zhì)量都為m，電阻均為R，導(dǎo)軌電阻不計。

圖4

(1)t=0時，棒ab中的感應(yīng)電動勢為多大？通過棒ab的電流是多少？

(2)t=0時，棒cd受到的安培力大小和方向如何？棒ab受到的安培力大小和方向如何？

(3) 在安培力的作用下，棒ab和棒cd的速度會如何變化？

(4) 經(jīng)過一小段時間后，棒ab和棒cd上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢如何？畫出等效電路圖。

(5) 回路中電流如何變化？棒ab和棒cd受到的安培力大小如何變化？

(6) 從t=0開始，棒ab和cd分別做什么運動？畫出二者的v-t圖像。

(7)cd棒的最大速度為多少？ab棒最終的速度為多少？

(8) 全過程中電路中產(chǎn)生的總焦耳熱為多少？

(9) 全過程中cd棒產(chǎn)生的焦耳熱為多少？

本道習(xí)題共設(shè)置了9個小問，從感應(yīng)電動勢到感應(yīng)電流、安培力、等效電路、運動、能量，環(huán)環(huán)相扣，學(xué)生在回答問題的過程經(jīng)歷了科學(xué)規(guī)范的訓(xùn)練，自然而然地養(yǎng)成了科學(xué)思維的習(xí)慣。

3.3 利用拓展變式訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的遷移能力

能力的培養(yǎng)不是一蹴而就的，需要一定的訓(xùn)練量，但訓(xùn)練不是盲目刷題。筆者的做法是拓展變式訓(xùn)練，讓學(xué)生經(jīng)歷思維的訓(xùn)練過程，下面給出幾道雙桿模型的訓(xùn)練題(限于篇幅，只給出題干部分)。

習(xí)題2：如圖5所示，固定在水平面上間距為L的兩條平行光滑金屬導(dǎo)軌，垂直于導(dǎo)軌放置的兩根金屬棒ab和cd長度也為L，兩棒與導(dǎo)軌始終接觸良好。整個裝置上有垂直于導(dǎo)軌平面向上的勻強磁場，磁感應(yīng)強度大小為B。t=0時ab棒的初速度向右、大小為2v0，cd棒的初速度向左、大小為v0。

圖5

習(xí)題3：如圖6所示，光滑平行不等寬金屬導(dǎo)軌水平放置，導(dǎo)軌寬度分別為L和2L，金屬棒ab質(zhì)量為m，電阻為R，長度為L，金屬棒cd質(zhì)量為2m，電阻為2R，長度為2L，導(dǎo)軌電阻不計。整個裝置處于豎直向下的勻強磁場中，磁感應(yīng)強度為B，t=0時棒ab獲得向右的初速度v0。

圖6

習(xí)題4：如圖7所示，固定在水平面上間距為L的兩條平行光滑金屬導(dǎo)軌，垂直于導(dǎo)軌放置的兩根金屬棒ab和cd長度也為L，兩棒與導(dǎo)軌始終接觸良好。整個裝置上有垂直于導(dǎo)軌平面向上的勻強磁場，磁感應(yīng)強度大小為B。t=0時刻，對棒ab施加一個水平向右的恒力F，已知兩棒的質(zhì)量都為m，電阻均為R，導(dǎo)軌電阻不計。

圖7

很多老師喜歡利用真題讓學(xué)生進(jìn)行所謂的刷題訓(xùn)練。誠然，在學(xué)生已經(jīng)建立完善的知識結(jié)構(gòu)，具有一定思維能力的情況下，適當(dāng)?shù)乃㈩}對提高學(xué)生的熟練程度是有幫助的。但是，在新授課的習(xí)題教學(xué)和高考一輪復(fù)習(xí)中，對于基礎(chǔ)較為薄弱的學(xué)生，大量利用真題進(jìn)行刷題訓(xùn)練，往往會加重學(xué)生負(fù)擔(dān)，而且收效甚微。利用問題串，將試題轉(zhuǎn)化為習(xí)題，減少思維鏈的長度，可促進(jìn)學(xué)生融會貫通，靈活應(yīng)用。