着力运动过程探究 考查物理核心素养

梁吉峰 李宁 马述涛

摘要：对2018年普通高等学校招生全国统一考试（新课标Ⅰ）卷中几道典型题目进行了归类精析研究，发现2018年高考物理试题表现出注重运动过程探究，注重考查学生核心素养的命题立意，在此基础上对课堂教学提出参考建议.

关键词：2018高考；运动过程分析；物理核心素养

作者简介：梁吉峰（1970-），男，山东荣成人，大学本科，中学高级教师，研究方向：高中物理教学，物理奥赛辅导；

李宁（1980-），男，山东聊城人，大学本科，中学高级教师，研究方向：高中物理教学，物理奥赛辅导；

马述涛（1972-），男，山东烟台人，大学本科，中学高级教师，研究方向：高中物理教学.

2018年教育部颁布了《普通高中物理课程标准》，提出新一轮课程改革的基本理念：注重体现物理学科本质，注重课程的时代性，关注科技进步和社会发展需求，培养学生物理核心素养.《2018年普通高等学校招生全国统一考试大纲的说明》也指出：高考物理试题着重考查考生的知识、能力和科学素养，注重理论联系实际，注意物理与科学技术、社会和经济发展的联系.2018年普通高等学校招生全国统一考试（新课标Ⅰ）卷很好践行了考查学生核心素养这一基本目标.本文通过对2018年普通高等学校招生全国统一考试（新课标Ⅰ）卷中几个典型问题进行了分析研究，发现高考物理试题具有注重问题过程分析，注重考查学生核心素养的命题立意，并对课堂教学提出了参考建议.

1注重包括直线运动和曲线运动的运动过程分析

18题：如图1，abc是竖直面内的光滑固定轨道，ab水平，长度为2R；bc是半径为R的四分之一圆弧，与ab相切于b点.一质量为m的小球，始终受到与重力大小相等的水平外力的作用，自a点处从静止开始向右运动.重力加速度大小为g.小球从a点开始运动到其轨迹最高点，机械能的增量为

A.2mgR

B.4mgR

C.5mgR

D.6mgR

解析：

过程Ⅰ：小球从a至b过程，小球受到竖直向下的重力mg，水平拉力F=mg，竖直向上的支持力N1，受力分析如图2所示，小球向右做匀加速直线运动.

方法一：根据牛顿第二定律结合运动学公式分析

根据牛顿第二定律可得

F=ma1 （1）

根据运动学公式可得：

v2b=2a1×2R（2）

解得小球在b点的速度大小

vb=2gR （3）

方法二：根据动能定理分析

根据动能定理可得

F×2R=12mv2b（4）

解得小球在b点的速度大小

vb=2gR （5）

过程Ⅱ：小球从b至c过程，小球在圆弧轨道上受到竖直向下的重力mg，水平拉力F=mg，沿着半径指向圆心方向的支持力N2，如图3所示，小球沿着圆弧做变速率圆周运动.

根据动能定理可得：

FR-mgR=12mv2c-12mv2b（6）

解得小球在c点的速度大小

vc=vb=2gR（7）

过程Ⅲ：小球从c至最高点过程，这一过程，小球会做什么运动呢？对小球受力分析，受到竖直向下的重力mg，水平拉力F=mg，如图4所示，不难判断出竖直向下的重力mg和水平拉力F的合力斜向下，而c点的速度vc竖直向上，故小球做斜抛运动.

根据运动的合成与分解，把斜抛运动可以分解为水平方向的匀加速直线运动和竖直方向的竖直上抛运动.

竖直方向上，小球从c点上升至最高点所用的时间为

t=vcg（8）

水平方向上，小球的加速度大小为

a2=Fm=g （9）

根据机械能增量的概念分析，小球运动到其轨迹最高点时，竖直方向的速度为零，水平方向的速度为

v=a2t（10）

解得

v=2gR（11）

最高点距离c点的距离为

h=v2c2g=2R（12）

如果选取ab水平轨道所在平面为零势能参考平面，则此时小球的机械能为

E′=mg（h+R）+12mv2=5mgR （13）

将小球视为质点，則小球开始在a点的机械能

E=0（14）

故小球从a点开始运动到其轨迹最高点，机械能的增量为

ΔE=E′-E=5mgR（15）

方法二：根据功能关系分析

在时间t内水平方向发生的位移为x2=12a2t2 1616

解得：x2=2R 1717

小球从a点开始运动到其轨迹最高点，水平方向发生的位移为：x=3R+x2=5R 1818

水平拉力F做功：W=Fx=5mgR 1919

根据功能关系可知：小球机械能的增量ΔE=W=5mgR2020

正确选项为C.

剖析：第18题要求考生准确理解机械能和机械能增量的物理观念，求解路径有两条：一条路径是根据机械能增量的概念来求解，机械能的增量等于末状态的机械能减去初状态的机械能，选取合适的参考平面，例如选取ab水平轨道所在平面为零势能参考平面，考虑小球是一个质点，则此时小球的机械能为零，这个问题转化为求解末状态的机械能，即确定最高点的动能和重力势能的问题；另一条路径是根据功能关系，机械能的增量等于除重力外其他力所做的功，而全过程中除重力外只有恒定外力F做功，转化为求解恒力功的问题，进一步需要求小球从a点开始运动到其轨迹最高点在水平方向发生的位移.显然，这两条求解路径都需要把小球的运动过程分析透彻，尤其是轨迹最高点的分析极为关键，也是此题的难点所在.这道题看似考查机械能和机械能增量的物理观念，实际上还考查到受力分析、运动分析、牛顿第二定律、运动的合成与分解、功、功能关系等知识，深刻考查学生的物理理论探究能力，是一道综合考查考生核心素养的题目，具有一定的迷惑性.考生需要能够分析整个物理过程，判断出小球离开轨道以后的抛体运动，找到轨迹最高点的位置.这道题彰显了在常规力学问题中注重过程分析，综合考查考生的核心素养的命题立意，具有较高的区分度，难度很大.

2注重两类电磁感应现象中的过程分析和比较

17题：如图5所示，导体轨道OPQS固定，其中PQS是半圆弧，Q为半圆弧的中点，O为圆心.轨道的电阻忽略不计.OM是有一定电阻、可绕O转动的金属杆，M端位于PQS上，OM与轨道接触良好.空间存在与半圆所在平面垂直的匀强磁场，磁感应强度的大小为B.现使OM从OQ位置以恒定的角速度逆时针转到OS位置并固定（过程Ⅰ）；再使磁感应强度的大小以一定的变化率从B增加到（过程Ⅱ）.在过程Ⅰ、Ⅱ中，流过OM的电荷量相等，则B′B等于

A.54B.32C.74 D.2

解析：

金属杆OM与导体轨道OPQM组成一个闭合回路，取此闭合回路为研究对象.

过程Ⅰ：OM从OQ位置以恒定的角速度逆时针转到OS位置，闭合回路磁通量的变化量

ΔΦ=Φ2-Φ1=B12πr2-B14πr2

=B14πr2（1）

过程Ⅱ：OM在OS位置并固定，使磁感应强度的大小以一定的变化率从B增加到B′闭合回路磁通量的变化量

ΔΦ′=Φ3-Φ2

=B′12πr2-B12πr2=（B′-B）12πr2（2）

电磁感应现象中通过导体横截面的电荷量为

q=Δt （3）

根据闭合电路欧姆定律可得

=R总（4）

根据法拉第电磁感应定律可得

=NΔΦΔt（5）

联立③④⑤可得

q=NΔΦR总 （6）

由此可知：q与 ΔΦ成正比.

又根据题意可知，在过程Ⅰ、Ⅱ中，流过OM的电荷量相等，则两个过程中的磁通量的变化量相同，即

ΔΦ=ΔΦ′（7）

联立（1）（2）（7）可得：B14πr2=（B′-B）12πr2（8）

解得：B′B=32.

正确选项为B.

剖析：电磁感应现象涉及到感应电流的产生条件、感应电流的方向、法拉第电磁感应定律、画等效电路图、闭合电路欧姆定律、非静电力、安培力、力和运动、动量和能量等知识，这类题目具有一定的综合性，可以深层次考查学生的核心素养.第17题要求考生认真审题，能准确理解电磁感应现象中的感生和动生两种物理情境，并对应两个物理过程，针对每个过程，考查考生的磁通量、磁通量的变化量、通过导体横截面的电荷量等物理观念，借助题目给定信息“过程Ⅰ、Ⅱ中，流过OM的电荷量相等”，建立等式求解.第17题突出了电磁感应现象中注重过程分析，综合考查考生的核心素养的命题立意，具有一定的区分度，难度适中.

3精析带电粒子在电场磁场组合情境中的过程分析

第25题：如图6，在y>0的区域存在方向沿y轴负方向的匀强电场，场强大小为E，在y<0的区域存在方向垂直于xOy平面向外的匀强磁场.一个氕核11H和一个氘核先后从y轴上y=h点以相同的动能射出，速度方向沿x轴正方向.已知11H进入磁场时，速度方向与x轴正方向的夾角为60°，并从坐标原点O处第一次射出磁场.11H的质量为m，电荷量为q，不计重力.求

（1）11H第一次进入磁场的位置到原点O的距离

（2）磁场的磁感应强度大小

（3）21H第一次离开磁场的位置到原点O的距离

解析：

（1）11H在电场中做类平抛运动，在磁场中做圆周运动，运动轨迹如图7所示.设11H在电场中的加速度大小为a1，初速度大小为v1，它在电场中的运动时间为t1，第一次进入磁场的位置到原点O的距离为s1.由运动学公式有

s1=v1t1（1）

h=12a1t21（2）

由题给条件，11H进入磁场时速度的方向与x轴正方向夹角θ1=60°.11H进入磁场时速度的y分量的大小为

a1 t1 = v′1tanθ1（3）

联立以上各式得

s1=233h（4）

（2）11H在电场中运动时，由牛顿第二定律有

qE=ma1（5）

设21H进入磁场时速度的大小为v′1，由速度合成法则有

v′1=v21+（a1t1）2（6）

设磁感应强度大小为B，11H在磁场中运动的圆轨道半径为R1，由洛伦兹力公式和牛顿第二定律有

qv′1B=m v′12R1（7）

由几何关系得

s1=2R1sinθ1（8）

联立以上各式得

B=6mEqh（9）

（3）设21H在电场中沿x轴正方向射出的速度大小为v2，在电场中的加速度大小为a2，由题给条件得

12（2m）v22=12mv21（10）

由牛顿第二定律有

qE=2ma2（11）

设21H第一次射入磁场时的速度大小为v′2，速度的方向与x轴正方向夹角为θ2，入射点到原点的距离为s2，在电场中运动的时间为t2.由运动学公式有

s2=v2t2（12）

h=12a2t22（13）

v′2=v22+（a2t2）2（14）

sinθ2=a2t2v′2（15）

联立以上各式得

s2=s1，θ2=θ1，v′2=22v′1（16）

设21H在磁场中做圆周运动的半径为R2，由（7）（16）式及粒子在匀强磁场中做圆周运动的半径公式得

R2=（2m）v′2qB=2R1（17）

所以出射点在原点左侧.设21H进入磁场的入射点到第一次离开磁场的出射点的距离为s′2，由几何关系有

s′2=2R2sinθ2（18）

联立（4）（8）（16）（17）（18）式得，21H第一次离开磁场时的位置到原点O的距离为

s′2-s2=233（2-1）h（19）

剖析：带电粒子在电场和磁场中的运动是教学重点，同时也是教学难点，包含了丰富的过程分析的物理素材以及科学探究能力的考查点，特别受到命题者的青睐.第25题中两个带电粒子11H和21H以相同的初动能先后垂直进入同一个电场，根据受力分析不难判断出两个带电粒子均受到y轴负方向的恒定电场力，故均做类平抛运动，再垂直进入同一个匀强磁场，根据左手定则可以判断出11H和21H所受洛伦兹力的方向，容易确定两个带电粒子均做匀速率圆周运动，各自运动一段时间第一次离开磁场，11H和21H的运动均包含两个过程：过程Ⅰ类平抛运动和过程Ⅱ匀速率圆周运动.考生只有明确整个物理过程，同时注意各个过程之间的联系，才能准确构建出问题求解的方程，而方程的得出更是体现出学生对于研究对象选取、所选研究对象的电量、质量、电场力、运动的合成与分解思想、洛伦兹力、类平抛运动、匀速圆周运动、数学关系、动能等知识是否真正掌握到位，这些正是在考查考生的核心素养.第25题体现了带电粒子在电场和磁场中运动情境下注重过程探究，综合考查考生的核心素养的命题立意，具有很好的区分度，难度较大.

4教学建议

正由于《2018年普通高等学校招生全国统一考试（新课标Ⅰ）》物理试题具有注重运动过程探究，考查物理核心素养的高远立意，这对于高中物理教学无疑具有重要的指导意义.在概念和规律的教学中，教师一定要践行2017新课标基本理念：践行基于物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任的物理核心素养，深刻体会基于核心素养的学业质量标准，深研高考题目.教师在教学过程中不仅要引导学生深入理解物理概念和物理规律建立的必要性，还要注重概念和规律建立的过程，更要引导学生根据运动的现象和本质的不同特点（特别是速度的方向和加速度的方向之间的夹角）来准确判定物体到底是在做哪种具体的运动形式，培养学生的核心素养；在习题课的教学过程中，教师要善于设计并创设有利于过程分析的物理情境，培养学生综合运用所学知识精细分析具体物理过程的能力，例如在包括电场力和磁场力的力学问题中要“分点、分段、分叉、分情境”来精细区分物理过程，并且还要对物理过程进行无限延续性分析和定量探究等深层次理论探究.教师还可以借助真实实验给学生展示物体运动过程，应用信息技术再现物体运动过程，借助画运动过程示意图明晰物体运动过程，培养学生的关键能力，提升物理核心素养.

參考文献：

[1]中华人民共和国教育部 普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]教育部考试中心2018年普通高等学校招生全国统一考试大纲的说明[M].北京：高等教育出版社，2017.