回归物理教学的本源——近两年北京高考物理压轴题对中学物理教学的导向

回归物理教学的本源
——近两年北京高考物理压轴题对中学物理教学的导向

尹德利

(北京市东方德才学校北京100025)

魏 群

(北京教育学院朝阳分院北京100025)

摘 要：对2013年和2014年的北京高考物理压轴题作了点评，认为近两年北京高考物理压轴题对今后北京乃至全国的中学物理教学将会起到良好的导向作用.新课程背景下的中学物理教学应回归其本源，更多地关注物理概念之间的内在联系，更多地关注物理规律的建立过程，更多地体现物理教学的逻辑，更多地关注物理学科的思想方法.

关键词：物理压轴题物理教学物理思想方法

收稿日期：(2014-11-17)

如果说，前几年北京高考物理试题更多地注重对考生解题方法和解题技巧的考查，那么，从2013年起，北京高考物理试题更多地注重考生对物理学思想观念和方法的考查，更多地关注考生对重要物理量之间内在本质关系的考查，更多地关注考生对物理规律建立(推导)过程的考查.这种命题思路的变化，对于中学物理教学促进“知识与技能”、“过程与方法”、“情感、态度与价值观”三维课程目标的落实，促进物理学思想观念和研究方法的教学，促进学生对物理概念和规律的真正理解，起到了良好的导向作用.下面对2013和2014年的北京高考物理压轴题作一分析.

1压轴题点评

【例1】(2013年高考北京卷第24题)对于同一物理问题，常常可以从宏观与微观两个不同角度进行研究，找出其内在联系，从而更加深刻地理解其物理本质.

(1)一段横截面积为S，长为l的直导线，单位体积内有n个自由电子，电子电荷量为e.该导线通有电流时，假设自由电子定向移动的速率均为v.

(a)求导线中的电流I；

(b)将该导线放在匀强磁场中，电流方向垂直于磁感应强度B，导线所受安培力大小为F安，导线内自由电子所受洛伦兹力大小的总和为F，推导F安=F.

(2)正方体密闭容器中有大量运动粒子，每个粒子质量为m，单位体积内粒子数量n为恒量.为简化问题，我们假定：粒子大小可以忽略；其速率均为v，且与器壁各面碰撞的机会均等；与器壁碰撞前后瞬间，粒子速度方向都与器壁垂直，且速率不变.利用所学力学知识，导出器壁单位面积所受粒子压力f与m,n和v的关系.

(注意：解题过程中需要用到、但题目中没有给出的物理量，要在解题时做必要的说明)

点评：本压轴题分两大问，第一问又分(a)、(b)两小问，由易到难，考查了能力的不同层次.

(1)(a)问源自人教版《物理·选修3-1》(第42页例题1)和教科版《物理·选修3-1》(第43页中的“讨论交流”)，考查电流的定义式及其微观机制.

第(1)(b)问考查安培力的微观本质：安培力是大量带电粒子在磁场中所受的洛伦兹力的宏观表现，是教材中讲授的内容(教科版《物理·选修3-1》中有明确的推导过程，见第95页).考查的知识点：安培力、洛伦兹力及二者的联系.

(1)(a)问和(1)(b)问考查的能力：理解能力和推理能力.

第(2)问以“正方形密闭容器中有大量运动粒子”为背景，考查气体压强产生的微观机理，这部分内容属于大学普通物理的教学内容.要正确推导出器壁单位面积上所受的压力，头脑中需对单个粒子与器壁的碰撞过程和容器内所有粒子与器壁的碰撞过程分别进行建模，并且还要有概率统计的物理思想才行，虽然题目中给出提示“粒子……速率均为v，且与器壁各面碰撞的机会均等；……都与器壁垂直……”，但学生很难想到对密闭容器内的大量分子进行分组，作为高考考查的内容，要求太高，难度太大.

第(2)问考查的知识点：冲量、动量、动量定理、概率统计的物理思想.

本题(1)、(2)两问的推导均用到了“柱状流体模型”这个基本物理模型，这个模型能否清晰地建立起来，关系到解题的成败.

第(2)问考查的能力：理解能力、推理能力、应用能力和探究能力.

【例2】(2014年高考北京卷第24题)导体切割磁感线的运动可以从宏观和微观两个角度来认识.如图1所示，固定于水平面的U形导线框处于竖直向下的匀强磁场中，金属直导线MN在与其垂直的水平恒力F作用下，在导线框上以速度v做匀速运动，速度v与恒力F方向相同，导线MN始终与导线框形成闭合电路.已知导线MN的电阻为R，其长度l恰好等于平行轨道间距，磁场的磁感应强度为B.忽略摩擦阻力和导线框的电阻.

图1　匀强磁场中的导线框

(1)通过公式推导验证：在Δt时间内，F对导线MN所做的功W等于电路获得的电能W，也等于导线MN中产生的焦耳热；

(2)若导线MN的质量m=8.0 g，长度l=0.1 m，感应电流I=1.0 A，假设一个原子贡献1个自由电子，计算导线MN中电子沿导线长度方向定向移动的平均速率v(表1中列出一些你可能会用到的数据)；

(3)经典物理学认为，金属的电阻源于定向运动的自由电子和金属离子(即金属原子失去电子后的剩余部分)的碰撞.展开你想象的翅膀，给出一个合理的自由电子的运动模型，在此基础上，求出导线MN中金属离子对一个自由电子沿导线长度方向的平均作用力f的表达式.

表1　可能用到的数据

点评：2014年北京高考物理压轴题仍延续了2013年高考物理压轴题的命题思路——考查考生从宏观和微观两个角度研究物理问题的思想方法.

第(1)问，以学生熟悉的U形导线框上金属导体棒匀速切割磁感线为背景，考查安培力、功、物体的平衡条件、焦耳定律等知识，通过公式推导验证，让考生更深刻地认识到功是能量转化的量度，从而对电磁感应现象中的能量转化规律有更深入的认识.

第(2)问，再次考查电流的微观表达式.与2013年压轴题不同的是，金属导线中的电子数密度n是未知的，因此需要根据题目中的题设条件和已知量计算出来.这给一部分考生带来一定的难度.

这两问都源于教材中的例题.第(1)问是高中教材《物理·选修3-2》(教科版第42～45页)中的例题变式，第(2)问是高中教材《物理·选修3-1》(人教版第42页)中的例题变式.虽是压轴题，这两问对于那些扎扎实实紧扣教材复习应考的考生来说，难度应该不大.这两问，旨在引导物理总复习要紧扣教材，重视对物理知识获得过程的教学，纠正总复习中的题海战术.

第(3)问考查金属电阻产生的微观机理，从微观的角度分析研究宏观的电流现象.命题思想是对的，但试题却太难为考生了.按照经典的金属电子论，大量电子在金属导线MN中既做无规则的热运动，又在洛伦兹力的作用下做定向运动，运动过程中电子还与金属晶格中的原子实(金属离子)发生频繁的碰撞.为了简化，历史上物理学家引入了电子的漂移速度和平均自由程等概念.对于高中生来说，要让他们在紧张如战场的考场上，在如此短的时间内，展开想象的翅膀，构建一个合理的自由电子运动模型，并利用这个模型求出导线MN中金属离子对一个自由电子沿导线长度方向的平均作用力f的表达式，这几乎是不可能的.

比较2013年和2014年北京高考物理压轴题可以看出，两道压轴题考查的是同一种研究方法(这也是北京高考物理命题的特色，旨在充分发挥高考对教学的指挥棒作用).从知识考查的角度看，命题围绕着物理学的“力”和“能量”这两条主线展开.2013年高考压轴题主要是围绕力和运动这条主线分步设问，当然第3问考查气体压强的微观机理时还考查了动量和冲量、动量定理等核心知识.而2014年的北京高考物理压轴题第1问围绕功和能进行设问，分别考查了外力做功、安培力做功、电流做功与能量转化的关系.第2问和第3问仍然从力和运动的角度考查考生的建模能力、推理能力和探究能力.

2压轴题对中学物理教学的启示

2.1物理教学要回归其本源

物理学是以实验为基础、数学为工具、具有严密逻辑体系和广泛应用的一门基础学科.物理学的学科结构包括实验基础、逻辑体系、数学表达、思想方法和实际应用5个基本要素.物理教学也应该体现出物理学科结构的这5种基本要素.现在，虽然新课程理念已经深入人心，许多一线物理教师也在不断地探索、践行新课程理念,然而，长期以来，受应试教育的影响，“重结论、轻过程”的现象在中学物理课堂中仍普遍存在.许多教师为了赶进度，给学生留出更多的练习时间，压缩甚至省略了物理概念和规律的建立过程，直接把结论告诉学生，然后把大量的时间和精力放在讲题和练习上，使原本生动活泼、丰富多彩的物理课堂变成了单调乏味的习题训练.高三总复习阶段，这种本末倒置的做法尤为严重，其后果是严重挫伤了学生学习物理的兴趣，增加了学生的课业负担，学生科学素养的提升更是无从谈起.

2013年和2014年北京高考物理压轴题取材于教材，并且把推导或证明物理量之间的关系式、探究物理规律的微观本质作为考查重点，这对于回归物理教学的本源，落实新课程三维教学目标，摒弃物理教学中的题海战术，促进学生的继续学习和终身发展，发挥了良好的导向作用.

2.2重视物理学思想和方法的教学

对于同一物理现象，从宏观和微观两个不同的角度进行研究，找出其内在联系是物理学研究常用的思想方法.例如，历史上人们对于热现象的研究就是分别从宏观和微观两个角度进行的.玻意尔、马略特、查理、盖·吕萨克、焦耳、迈尔等人从观察和实验出发，研究热运动及其变化规律，建立了热现象的宏观理论——热力学.玻尔兹曼、麦克斯韦、吉布斯等物理学家则从物质的微观结构出发，依据每个粒子所遵循的力学规律，用统计学的方法研究宏观物体的热的性质，由此建立了热现象的微观理论——统计物理学.此外，历史上研究电现象和磁现象,研究光的本性也都是从宏观和微观两个角度进行的.历史上，安培不仅从宏观上研究磁场对电流、电流对电流的作用规律，而且还从微观的角度研究磁现象的本质，提出了分子电流假说；同样的，欧姆利用实验研究影响导体中电流大小的因素，发现了欧姆定律，焦耳通过实验研究电流的热效应，发现了焦耳定律，这两位物理学家都是从宏观的角度研究电流的，而荷兰物理学家洛伦兹则从微观的角度研究金属导体的电阻及电流热效应产生的微观机理，创立了金属电子论.现在，从宏观和微观两个角度研究问题的方法早已广泛应用在化学、生物学等自然科学的研究中，甚至在经济学等社会科学的研究中也有着广泛的应用.

物理学的研究方法还有很多，如分析和综合、归纳和演绎、比较和类比等逻辑方法、定性分析和定量计算相结合的方法，理论推导和实验验证相结合的方法，数图结合的方法等等.作为中学物理教师，要切实加强自身的学史修养和哲学修养，深入挖掘教材中蕴含的科学方法论因素，并对科学方法进行显性教育；让学生学会观察，学会思考.这样做，从小处讲对复习备考有好处，从大处讲，有助于提升学生的科学素养.

参 考 文 献

1北京教育考试院编.普通高等学校招生全国统一考试2014年北京卷考试说明(理科).北京：开明出版社，2014

2北京教育考试院编.2013年高考北京卷理科试题分析.北京：开明出版社，2013

3朱锡民.物理教学方略探索(第1版).北京:北京教育出版社，2004