考查科学思维 落实核心素养——2021年新高考适应性考试江苏物理试卷压轴题赏析

孙铁斌

（无锡市辅仁高级中学，江苏 无锡 214123）

为适应新一轮高考制度改革，2021年1月江苏等8省高三学生进行了高考适应性考试.江苏物理试卷在命题中，遵循新的课程标准，注重以实际问题为命题的载体，精心设计试题，通过情境的创设，在分析和解决真实情境问题的过程中考查科学思维，落实核心素养，体现了试题的育人功能和导向作用.为了更好地让大家了解新课改下的命题，现对新高考适应性考试江苏物理卷压轴题进行深入分析，以管窥当前高考物理命题变化动向，同时也对我们今后的物理教学提供有益的参考.

1 分析与解答

1.1 试题

例题.（2021年高考适应性考试江苏物理试卷第16题）跑道式回旋加速器的工作原理如图1所示.两个匀强磁场区域Ⅰ、Ⅱ的边界平行，相距为L，磁感应强度大小相等、方向垂直纸面向里.P、Q之间存在匀强加速电场，电场强度为E，方向与磁场边界垂直.质量为m、电荷量为+q的粒子从P飘入电场，多次经过电场加速和磁场偏转后，从位于边界上的出射口K引出，引出时的动能为Ek.已知K、Q的距离为d.

图1 跑道式回旋加速

（1）求粒子出射前经过加速电场的次数N；

（2）求磁场的磁感应强度大小B；

（3）如果在Δt时间内有一束该种粒子从P点连续飘入电场，粒子在射出K之前都未相互碰撞，求Δt的范围.

1.2 分析

本题通过创设实际情境——跑道式回旋加速器，通过3个不同层次的问题，考查学生科学思维.

1.2.1 模型建构

通常解题前需要建构两个理想模型：关于研究对象、装置或条件的理想模型和关于运动过程的理想模型.首先，质量为m、电荷量为+q的粒子从P飘入电场，关于研究对象的理想模型是将粒子视为质点；次之，经过一次电场加速和磁场偏转，其运动模型是怎样的呢？在审题后要能清晰地建构粒子初步的运动模型：四阶段三模型（运动过程的理想模型：匀加速直线运动、匀速圆周运动、匀速直线运动），如图2所示.

图2 粒子一次循环

（1）从P到Q粒子做初速度为0的匀加速直线运动，运动距离为L；

（2）出Q后在磁场Ⅱ区域做匀速圆周运动，运动轨迹为半圆；

（3）从磁场Ⅱ左侧到磁场Ⅰ右侧的匀速直线运动，运动距离为L；

（4）在磁场Ⅰ区域做匀速圆周运动，运动轨迹为半圆；回到P点.

质量为m、电荷量为+q的粒子从P飘入电场，多次经过电场加速和磁场偏转，其运动模型又是怎样的呢？在经过一次循环分析后要能清晰地建构粒子多次循环的运动模型：重复四阶段三模型，因多次加速，粒子速度越来越大，圆周运动的半径也越大，最后粒子到达出射口K处，如图3所示.

图3 粒子多次循环

1.2.2 科学推理

推理是由一个或几个已知的判断，推导出未知结论的思维过程.在模型建构的基础上，对题中的3个问题分别推理如下.

（1）依据题中条件得知粒子在电场中每加速一次动能增加qEL，并已知粒子初动能为0，粒子从出射口K引出时的末动能为Ek，根据动能定理，便可求出粒子从出射口K出射前经过加速电场的次数N；第1问3分，难度较小，大多数考生可以做出正确的解答.

（2）因为粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，由洛伦兹力作为向心力，并已知最后半圈的直径为d，由出射口K引出时的动能为Ek可求粒子的匀速圆周运动速度大小，根据牛顿第二定律可求出磁场的磁感应强度大小B；第2问5分，难度中等，较多的考生可做出正确的解答.

（3）在Δt时间内有一束该种粒子从P点连续飘入电场，第1个从P位置出发的粒子运动情况和Δt时间内发出的所有粒子运动轨迹都是一样的.第1个粒子和最后1个粒子只是存在一个时间差Δt，如果两者运动时在同一个轨道上（不含加速电场区），因两者速度大小相等，故不会相碰；如果两者运动时不在同一轨道上（不含加速电场区），也不会相碰，两者相碰只能在加速电场区PQ间，因为在PQ加速区间最后一个粒子速度总小于第1个粒子的速度，所以两者在整个运动过程中能不能相碰的临界条件是：第1个粒子在最后一次加速即第N次加速到达Q点时和最后1个粒子加速第N-1次加速到Q点能不能相碰.第1个粒子在第N次加速到达Q点不可能是和最后1个粒子加速第N-2次或N-3次到Q点相碰，因为要保证粒子在射出K之前都未能相互碰撞.如果是最后1个粒子加速第N-2次达Q点与第一个粒子第N次加速到达Q点相碰，即意味着第1个粒子在PQ间早就碰到其他粒子了，如图4所示（为看清粒子在PQ间的分布情况，作图时有意将加速电场中粒子运动轨迹错开）.

图4 多个粒子分布情况

现设第1个粒子第N次加速到达Q点与最后1个粒子加速第N-1次达Q点相碰，求出临界条件下的两者的时间差值为Δt0，则当Δt小于Δt0时，从P点连续飘入电场的一束粒子在射出K之前都不会相互碰撞.

怎样求出临界条件下的两者的时间差值Δt0呢？因为第1个粒子在最后一次加速完后和最后1个粒子在Q点相碰时，比最后1个粒子只是多跑了最后一圈，也就是两者间的时间差为第1个粒子在最后1次循环中所用的时间，所以从时间关系上入手就可以求出Δt0了.第3问，难度较大，绝大多数考生根本找不到临界位置，少数找到临界位置也难推导出正确的结果.

1.2.3 科学论证

论证的论点在论证前已形成，论证过程即是一个或多个推理的过程.对于本题的论证体现在试题的第3问.一束该种粒子从P点连续飘入电场中，考生从这一束中的第一个粒子和最后一个粒子时间关系上入手求出Δt0之后，能否在思维上的转换思路，采用不同的思维方式分析解决所遇问题，进而检验前面所求出的结论.对于这道开放性的压轴题，还可以从v-t图像中求出Δt0，从路程关系上入手求出Δt0等.

1.2.4 质疑创新

发现已有认知之间不能自洽，从而对现有认知的科学性和合理性提出怀疑，甚至萌发出新的猜想，并能想出具有创造性的解决问题的方法.质疑创新是科学思维中最难用试题考查的评价部分.对于本题在第3问中，考生能否在思维遇到障碍时灵活变通找到新的突破口是关键；解题中，不少考生是按照通常的顺向思维进行分析的，但在处理这一问题中发现很难走出困境，面对这一跑道式回旋加速器束手无策，找不出临界位置.只有极少数灵活变通的考生转向逆向思维，并善于数形结合，几经曲折走出困境，找到了通往成功的道路.真是不成功的道路有无数条，成功的道路往往只有一条.

1.3 解答

解法1.

（1）在磁场中动能不会增加，末动能全来自电场力所做的功，由动能定理可得

（3）粒子运动的过程中，因为第1个粒子在最后1次加速完后和最后1个粒子在Q点相碰时，比最后一个粒子只是多跑了最后一圈，而第1个粒子在最后1圈所用的时间就是所求的临界时间Δt0，所以从时间关系上入手就可以求出Δt0了.

第1个粒子在最后1圈4个阶段用时分别如下.

解法2.

对于这道开放性的压轴题，第3问还可以用图像法求解；也可以从第1个粒子与最后1个粒子的路程关系上入手求解.现将解法简明介绍如下.图像法求解：作v-t图，实线代表第1个粒子的运动，虚线代表最后一个粒子的运动.从图5可以了解粒子整体运动的情况，从图6可以直观的看出时间关系并求解，解答过程略.

图5 第1个粒子和最后1个粒子的运动情况

图6 第1个粒子N次加速后和最后1个粒子N-1次加速后在Q处相碰

解法3.

2 评价与启示

2.1 评价

2021年高考适应性考试江苏物理试卷第16题旨在考查学生对动力学、运动学、功能关系、电场、磁场的基础知识及空间几何关系的掌握和运用能力，试题通过考查带电粒子在电场中的不断加速、磁场中不同圆轨道中的偏转及先后出发的粒子间追击相遇的临界问题来达到对学生选拔的目的.

这道压轴题与平时的习题不同，在命制的形式上更为突出了创新性、综合性和开放性.创新性是指命题创设了来源于现代科技的“跑道式回旋加速器”为这一道压轴题的情境，具有新颖性和实际应用性，提出的问题具体、真实，通过问题设置细化场景，构建测评考生核心素养的工具；综合性是指命题在同一场景中设置多个研究对象的存在、多阶段物理过程的融合，注重考查高中物理的运动学、动力学、功能关系等核心知识；开放性是指命题体现具有独立特点的物理过程，注重检验考生根据研究对象所涉及的可能状态，确定相应的临界位置和灵活选择物理过程的能力，以及对所要解决的同一物理问题，从不同的角度、思路，运用不同的思维方法分析解决所遇问题.为了实现对考生核心素养的考查，2021年高考适应性考试江苏物理试卷第16试题有效的考查了学生的科学思维发展水平.如：能否将实际问题中的粒子运动过程清晰的转化成物理运动模型；能否对这一综合性问题进行独立分析和推理，获得结论；能否在思维遇到障碍时灵活变通的转换思路，采用不同的思维方式分析解决所遇问题；能否运用数形结合的方法处理物理问题等等，这些需要学生具备创造性见解的能力和品质，集中体现了学生对综合性物理问题进行分析推理和科学论证能力.

2.2 启示

从这道压轴题的分析中看出，通过实际问题的处理，考查科学思维，落实核心素养.在今后的高中物理教学中，教师应鼓励并引导学生解决生产生活、科学技术中的问题，积极创设新的物理情境，让学生学会建构物理模型，找出物理模型特征，研究物理模型遵守的规律，培养学生运用科学思维的方法进行科学推理和论证的能力.学生只有在解决实际问题中，才能有效提高科学思维能力、探究能力、增强实践意识、养成科学态度，促进物理学科核心素养的形成.物理核心素养导向下的物理教学不在于对知识的记忆与再现，而在于对知识和方法的理解与应用，重要的不是获得知识，而是发展思维能力，本次考试评价体系与核心素养的导向是一致的.

物理学科核心素养主要由物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任4个方面构成.在物理学习和实践活动中所形成的物理观念、所进行的科学探究以及所形成的科学态度与责任都包含科学思维的成分，也都离不开科学思维方法的参与和指导.因此，“科学思维”是物理学科核心素养的重中之重，是物理观念、科学探究、科学态度与责任的基础与内核.我们在物理教学实施中应该以提升和发展学生的科学思维为核心，只有立足于学生科学思维能力的发展与提升，才能有效促进学生核心素养的形成与提高.