楊昌興　元星　沈晨　張倩

摘? ?要：基于“四層”“四翼”兩個維度對2023年新高考重慶卷第15題進行深入分析。該題以帶電粒子在電場、磁場和真空中的運動為學(xué)習(xí)探索的問題情境，考查學(xué)生對物理概念、規(guī)律和模型的理解及應(yīng)用，考查模型建構(gòu)、科學(xué)推理及論證等物理學(xué)科關(guān)鍵能力。題目設(shè)問層次分明，既注重基礎(chǔ)性，又重視綜合性、應(yīng)用性，凸顯了創(chuàng)新性，體現(xiàn)出較強的選拔作用。通過對第15題的研究，針對其命題特點和意圖給出教學(xué)啟示，為新高考背景下的物理教學(xué)備考提供有益參考。

關(guān)鍵詞：新高考物理；四層；四翼；試題分析

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2024）5-0047-6

《中國高考評價體系》已成為指導(dǎo)我國高考內(nèi)容和命題改革的測評體系，“一核四層四翼”構(gòu)成其基本內(nèi)涵。其中，“一核”為核心功能，即“立德樹人、服務(wù)選才、引導(dǎo)教學(xué)”；“四層”為考查內(nèi)容，即“核心價值、學(xué)科素養(yǎng)、關(guān)鍵能力、必備知識”；“四翼”為考查要求，即“基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性、創(chuàng)新性”［1］。

2023年新高考重慶卷第15題以一種新型粒子加速器的理想模型為情境，提取加速器模型中的電磁場約束條件，設(shè)置了帶電粒子在電場、磁場和真空中的運動問題，考查內(nèi)容廣泛。本文從高考評價體系視角，基于“四層”“四翼”兩個評價維度對該題進行深入分析，為新高考背景下的物理教學(xué)備考提供借鑒。

1? ? 題目再現(xiàn)及思路點撥

1.1? ? 題目再現(xiàn)

某同學(xué)設(shè)計了一種粒子加速器的理想模型。如圖1所示，xOy平面內(nèi)，x軸下方充滿垂直于紙面向外的勻強磁場，x軸上方被某邊界分成兩部分，一部分充滿勻強電場（電場強度方向與y軸的負(fù)方向成α角），另一部分無電場，該邊界與y軸交于M點，與x軸交于N點。只有經(jīng)電場到達N點、與x軸正方向成α角斜向下運動的帶電粒子才能進入磁場。從M點向電場內(nèi)發(fā)射一個比荷為的帶電粒子A，其速度大小為v0、方向與電場方向垂直，僅在電場中運動時間T后進入磁場，且通過N點時的速度大小為2v0。忽略邊界效應(yīng)，不計粒子重力。

（1）求角度α及M、N兩點的電勢差。

（2）在該邊界上任意位置沿與電場垂直方向直接射入電場內(nèi)的、比荷為的帶電粒子，只要速度大小適當(dāng)，就能通過N點進入磁場，求N點的橫坐標(biāo)及此邊界方程。

（3）若粒子A第一次在磁場中運動時磁感應(yīng)強度大小為B1，以后每次在磁場中運動時磁感應(yīng)強度大小為上一次的一半，則粒子A從M點發(fā)射后，每次加速均能通過N點進入磁場。求磁感應(yīng)強度大小B1及粒子A從發(fā)射到第n次通過N點的時間。

1.2? ? 思路點撥

（1）不計重力的帶電粒子A在M點以速度v0垂直電場射入，僅在電場力作用下做類平拋運動，經(jīng)時間T以2v0的速度通過N點進入磁場。粒子從M到N的類平拋過程，其運動軌跡如圖2所示。由幾何關(guān)系可得：cos2α==，故α=30°；根據(jù)動能定理有qUMN=m（2v0）2-m（v0）2，求出電勢差UMN=。

（2）帶電粒子在電場中都做類平拋運動，題干又給出“只有經(jīng)電場到達N點、與x軸正方向成α角斜向下運動的帶電粒子才能進入磁場”，說明粒子的速度偏轉(zhuǎn)角都相同。根據(jù)平拋運動的二級結(jié)論，即速度偏轉(zhuǎn)角的正切值等于位移偏轉(zhuǎn)角正切值的兩倍（tanα=2tanθ），如圖3所示。所以，粒子從邊界任何位置射出后，運動到N點的位移偏轉(zhuǎn)角也為定值，即該電場邊界一定是過M、N兩點的直線，因此找出M、N兩點的位置坐標(biāo)，即可求出邊界方程。

方法一：類平拋運動的一般解法。粒子A的運動分解為沿著v0方向的勻速直線運動和電場方向的勻加速直線運動，分別記為x'和y'，如圖4所示。

2? ? 試題評析

2.1? ? “四層”考查內(nèi)容的描述性分析

“四層”是考查內(nèi)容，更是素質(zhì)教育目標(biāo)在高考中的提煉。高考通過“四層”規(guī)定命題內(nèi)容，評價考生素質(zhì)內(nèi)涵［1］。

2.1.1? ? 必備知識

圖10是本題所考查的必備知識。本題涉及運動觀、相互作用觀以及能量觀三大物理觀念，考查了靜電場力、洛倫茲力、電勢差和電場力做功等基本概念，考查了勻速直線運動、類平拋運動和勻速圓周運動等基本模型，考查了動能定理、類平拋運動規(guī)律和帶電粒子在勻強磁場中的運動規(guī)律等基本規(guī)律，考查了運動的合成與分解、類比遷移等基本方法，以及數(shù)學(xué)知識在物理學(xué)中的運用。可以看出，本題涉及知識都為高中物理主干知識，考查較為豐富與全面。

2.1.2? ? 核心價值

本題表面上是以一種新型粒子加速器的理想模型為學(xué)習(xí)探索問題情境，但其本質(zhì)是設(shè)置帶電粒子在一定約束條件下在勻強電場、磁場和真空中的運動問題。解題時學(xué)生應(yīng)透過現(xiàn)象挖掘本質(zhì)，這是以對“學(xué)生世界觀和方法論”的考查落實“核心價值”。

2.1.3? ? 學(xué)科素養(yǎng)

本題對“學(xué)科素養(yǎng)”的考查，主要在“學(xué)習(xí)掌握”和“思維方法”上。要求學(xué)生根據(jù)具體問題情境的需要，獲取關(guān)鍵信息；運用類比、建模等思維方法，建立所學(xué)知識與陌生情境之間的內(nèi)在聯(lián)系，以此對問題進行求解。例如，本題中可以把帶電粒子在勻強電場中的運動類比為斜面上的類平拋運動模型，又根據(jù)題干分析得到帶電粒子的速度偏轉(zhuǎn)角一定這一隱含關(guān)鍵信息，結(jié)合平拋運動中速度偏轉(zhuǎn)角與位移偏轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，得到電場邊界方程為過M、N兩點的直線，以及第三問中的幾何關(guān)系和時間關(guān)系。

2.1.4? ? 關(guān)鍵能力

依據(jù)《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》［2］和《中國高考評價體系說明》［1］，高考物理學(xué)科考查的關(guān)鍵能力包括理解能力、推理論證能力、模型建構(gòu)能力、實驗探究能力、創(chuàng)新能力 5 種關(guān)鍵能力［3］。本題對“關(guān)鍵能力”的考查，表現(xiàn)在“理解”“推理論證”“模型建構(gòu)”“創(chuàng)新”4個方面。除此之外，本題還特別要求學(xué)生具備運用數(shù)學(xué)手段解決物理問題的能力。

（1）理解能力

學(xué)生應(yīng)能夠閱讀和理解題目文本、符號和公式，并能從復(fù)雜、陌生的情境中提取有效信息，調(diào)動思維，透過現(xiàn)象看到粒子加速器的本質(zhì)，發(fā)現(xiàn)隱含的物理規(guī)律及原理。

（2）模型建構(gòu)能力

學(xué)生需要在解決問題中識別、構(gòu)建正確的物理模型。本題研究的是不計重力的帶電粒子在勻強電場、磁場和真空中的運動模型。其中，因為電場強度的方向與初速度的方向始終垂直，所以帶電粒子在電場中的運動可處理成類平拋運動模型。帶電粒子在單邊有界勻強磁場中，其運動方向和磁場方向垂直，洛倫茲力提供向心力，故帶電粒子在磁場區(qū)域內(nèi)做勻速圓周運動。帶電粒子射入真空中后是勻速直線運動模型。

（3）推理論證能力

學(xué)生需要從已有的信息和已學(xué)的知識出發(fā)，經(jīng)由準(zhǔn)確、充分的證據(jù)鏈和清晰、嚴(yán)密的邏輯鏈，推導(dǎo)出合理的結(jié)論。本題中的具體表現(xiàn)有，第二問中電場邊界方程的求解過程，電場邊界是過M、N兩點的直線的證明過程；第三問中通過分析帶電粒子在單邊有界勻強磁場中運動模型的規(guī)律，得到帶電粒子在真空中做勻速直線運動的方向的過程，以及分析歸納得出帶電粒子在電場、磁場和真空中的運動時間成等比規(guī)律等都需要學(xué)生具備較高的推理論證能力。

（4）創(chuàng)新能力

學(xué)生需要能在復(fù)雜、新穎的情境中，從多個視角獨立思考，靈活地、創(chuàng)造性地運用不同方法，發(fā)散地解決新問題。本題中具體體現(xiàn)在，運用類平拋運動的一般解法、或一般曲線運動的合成與分解法、或解析法求解電場邊界方程。

（5）運用數(shù)學(xué)解決物理問題的能力

本題要求學(xué)生能根據(jù)題設(shè)條件，結(jié)合運動分析，運用數(shù)形結(jié)合思想，通過尋找?guī)щ娏Ｗ釉陔妶?、磁場及真空中運動的位移關(guān)系、速度關(guān)系、角度等幾何關(guān)系，確定帶電粒子在電場中運動的解析方程，確定帶電粒子在磁場中的運動半徑及時間。還要求學(xué)生能具備較強的數(shù)學(xué)歸納、分析和計算能力，從而求出帶電粒子做周期性運動的時間。

2.2? ? “四翼”考查要求描述性分析

“四翼”是素質(zhì)教育的評價維度在高考中的體現(xiàn)，也是實現(xiàn)對高考試題質(zhì)量有效評價的基本指標(biāo)［1］。

2.2.1? ? 基礎(chǔ)性

基礎(chǔ)性體現(xiàn)在本題考查的知識點都屬于中學(xué)物理的主干知識或必備知識，考查的三個物理模型都是高中階段典型的基本模型。

2.2.2? ? 綜合性

綜合性體現(xiàn)在本題以新穎、復(fù)雜的情境為載體，綜合考查了運動、相互作用及能量三大物理觀念；綜合考查了勻速直線運動、類平拋運動、勻速圓周運動三大物理模型；綜合考查了電勢差、運動的合成與分解等多個知識點；綜合考查了模型建構(gòu)、推理論證等多種關(guān)鍵能力和學(xué)科素養(yǎng)。要求學(xué)生能綜合運用物理學(xué)的概念、規(guī)律分析問題和解決問題，做到知識、能力和素養(yǎng)的融會貫通。

2.2.3? ? 應(yīng)用性

應(yīng)用性體現(xiàn)在粒子加速器這一模型在現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展中有著舉足輕重的作用，是我們打開微觀世界大門的必備工具，在高能物理、量子物理等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

2.2.4? ? 創(chuàng)新性

創(chuàng)新性試題是以兩個或兩個以上的情境為載體，通過設(shè)置新穎的試題呈現(xiàn)方式和設(shè)問方式，同時考查多個知識點或技能［4］。本題以帶電粒子在電場、磁場以及真空中的多種運動情境為載體，每個情境蘊含多個知識與技能，相互影響，綜合運用，屬于創(chuàng)新性試題。另一方面，第二問的多解性也體現(xiàn)出該題的開放性與探究性，凸顯創(chuàng)新性。

3? ? 教學(xué)啟示

3.1? ? 精細(xì)化物理規(guī)律、模型的理解和應(yīng)用

基礎(chǔ)知識、規(guī)律和模型不僅是解決物理問題的第一步，也是處理綜合類試題的核心要素，更是形成物理觀念的基石。所以在教學(xué)過程中，教師應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生細(xì)化、深化對物理概念、規(guī)律和模型的理解，對相關(guān)知識融會貫通，并逐漸形成對物理的結(jié)構(gòu)性、整體性認(rèn)識。針對某一具體的物理模型，教師不僅要引導(dǎo)學(xué)生熟練地掌握其基本解法，還應(yīng)要求學(xué)生對該模型的變式進行研究和解讀，把每一物理模型“吃深”“吃透”，能夠做到模型的遷移與應(yīng)用。物理模型或物理規(guī)律的二級結(jié)論能夠幫助我們減少思維過程，減輕計算量，因此教師在高三復(fù)習(xí)過程中要督促學(xué)生掌握二級結(jié)論的推導(dǎo)過程并熟練應(yīng)用。

3.2? ? 提升學(xué)生審題能力

以情境承載考查內(nèi)容，實現(xiàn)考查要求已成為新高考命題的基本特征和要求?？忌鷮η榫忱斫獾耐笍爻潭扔绊懣忌鷮υ囶}的完成程度，所以能夠快速準(zhǔn)確審題顯得尤為重要。教師可以引導(dǎo)學(xué)生從以下三個關(guān)鍵點入手，提升學(xué)生的審題能力：①進行精準(zhǔn)的過程分析——準(zhǔn)確分析出物體的運動過程與受力特點，并與所掌握的物理知識建立聯(lián)系，為構(gòu)建物理模型提供基礎(chǔ)；②進行縝密的條件分析——理清并記錄條件，方便找尋各物理量之間的關(guān)系；③進行關(guān)鍵信息的提取——如“恰好”“剛剛”“才能”“只有”等。

3.3? ? 注重物理學(xué)科關(guān)鍵能力的培養(yǎng)

新高考命題改革最顯著的特征就是實現(xiàn)從“考知識”向“考能力”的轉(zhuǎn)變。因而在備戰(zhàn)高考的教學(xué)中，教師要鼓勵學(xué)生多角度主動思考、深入探究，發(fā)現(xiàn)新問題，找出新規(guī)律；要引導(dǎo)學(xué)生減少死記硬背和“機械刷題”，培養(yǎng)模型建構(gòu)、邏輯推理論證等高階思維能力和知識遷移應(yīng)用能力；要讓學(xué)生在質(zhì)疑討論中構(gòu)建物理學(xué)科的知識結(jié)構(gòu)、方法體系、模型系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑和創(chuàng)新能力。教師還要盡可能地重現(xiàn)物理實驗的探究過程，提高學(xué)生的實驗探究能力。

3.4? ? 增強運用數(shù)學(xué)知識解決物理問題的能力

“應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理問題的能力”一直是高考選拔學(xué)生的重要內(nèi)容，也是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的基本要素。在平時的教學(xué)中，教師可以多讓學(xué)生動手計算，增強學(xué)生的心算、估算和筆算能力，提高計算速度和準(zhǔn)確性，提高學(xué)生數(shù)學(xué)計算能力。碰到有難度的物理問題時，教師要引導(dǎo)學(xué)生運用物理思維，注意數(shù)形結(jié)合、函數(shù)解析等數(shù)學(xué)思想方法解決問題。教師還可以通過Geogebra、幾何畫板、多媒體等現(xiàn)代化技術(shù)有意識地培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力。

參考文獻：

［1］教育部考試中心.中國高考評價體系說明［M］.北京：人民教育出版社，2019.

［2］中華人民共和國教育部. 普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［3］程力，李勇.基于高考評價體系的物理科考試內(nèi)容改革實施路徑［J］.中國考試，2019（12）：38-44.

［4］張紅洋，張婧婧.高考物理試題的情境化特征研究［J］.物理教師，2022，43（3）：75-79.

（欄目編輯? ? 陳? 潔）

收稿日期：2023-09-26

作者簡介：楊昌興（1998-），男，中學(xué)二級教師，主要從事高中物理教學(xué)工作。