基于“应用性”考查的物理情境题分类例析

广东广州市第七十五中学（510000） 陆逢英

作为国家大规模选才考试的高考，其评价体系要求高考试题要体现：一核、四层、四翼。其中“一核”为高考的核心功能，即“立德树人、服务选才、引导教学”；“四层”为高考的考查内容，即“核心价值、学科素养、关键能力、必备知识”；“四翼”为高考的考查要求，即“基础性、综合性、应用性、创新性”。在这样的命题要求之下，2021 年全国各套高考物理题都显得比较“活”，这个“活”得益于情境的转化，即把实际生活中的情境转化为物理表述，把一段经历转化为一个物理探究过程或一个物理问题，要求学生建立相应的物理模型，运用物理规律，解决有关问题。

下面对近几年高考物理试题中的“应用性”物理情境题进行归类分析。

一、联系体育运动，促使学生关注运动中的物理观念和物理规律

2020 年10 月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于全面加强和改进新时代学校体育工作的意见》，这使得有关在体育运动中进行物理建模的情境试题得到了更多的关注。在近三年的高考物理卷中多次出现有关体育运动的情境题，主要考查几个经典的运动模型及能量问题，如运动员原地起跳（竖直上抛）、竖直拍球（能量守恒）、荡秋千（圆周运动）、滑雪滑翔（平抛运动）、摩托车越野（平抛运动）、练习投弹（平抛运动）、赛龙舟（运动图像）等。

［例1］（2021年广东卷第8题）赛龙舟是端午节的传统活动，下列v-t和s-t图像（如图1）描述了五条相同的龙舟从同一起点线同时出发，沿长直河道划向同一终点线的运动全过程，其中能反映龙舟甲与其他龙舟在途中出现船头并齐的有（ ）。

图1

解析：端午节的“赛龙舟”是我国传统的体育活动，城乡学生都熟悉“赛龙舟”的情境。试题要求考生对“赛龙舟”的过程进行物理建模，并用运动图像描述。

解决这一问题的关键是对“同一起点线”“同时出发”“出现船头并齐”有正确的理解，既然“龙舟甲与其他龙舟在途中出现船头并齐”，即有相同时刻位置相同的情况（D 选项中交点处），也有相同时间位移相等的情况（B 选项中第一条虚线对应的情况），故答案为BD。该题以“赛龙舟”为背景创设情境，巧妙考查了时刻、位置和时间、位移等概念及对应的运动图像，本质上考查了考生的运动观。

［例2］（2020 年全国Ⅱ卷第16 题）如图2，在摩托车越野赛途中的水平路段前方有一个坑，该坑沿摩托车前进方向的水平宽度为3h，其左边缘a点比右边缘b点高0.5h。若摩托车经过a点时的动能为E1，它会落到坑内c点。c与a的水平距离和高度差均为h；若经过a点时的动能为E2，该摩托车恰能越过坑到达b点。等于（ ）。

图2

A.20 B.18 C.9.0 D.3.0

解析：可把摩托车飞越路坑的运动简化为质点的运动，由图2 可知摩托车飞出去的初速度的方向为水平方向，忽略空气阻力，可将该运动过程简化为质点的平抛运动。平抛运动问题的解题关键在于分解速度和位移，即画出运动过程的轨迹，并标明水平和竖直方向的位移。但是，试题问的是两个初动能之比，所以，解题的关键是明确动能与平抛运动的关系，即动能与平抛初速度大小的关系。

本题以摩托车飞越路坑的真实情境，考查学生理论联系实际进行物理建模的能力。投掷、跳高、跳远、运球、颠球等都是常见的运动情境。

二、联系生产生活，体现物理知识在日常生活中的运用

近三年的高考物理试题中，联系生产生活题材的情境题层出不穷，一种是以力学知识在生活中的应用为题材的情境题，如安全气囊（动量、冲量）、旋转纽扣（圆周运动）、曲杆道闸（圆周运动）、曲辕犁与直辕犁的对比（正交分解）、传送带（动力学、动能定理、冲量）等，考查各种运动模型、受力分析及动量等；还有一种与理想气体实验定律有关的情境题，如潜水钟（气体定律）、热传递等静压设备（变质量气体问题）、储气罐中气体调配（变质量气体问题）、打针时先往药瓶里注入气体（变质量气体问题）等，关注点在于变质量气体的等温变化过程。由2020 年3 月20 日中共中央国务院印发的《关于全面加强新时代大中小学劳动教育的意见》可推测劳动题材的情境题将受到更多的关注。

（一）生活题材

［例3］（2021年全国新课标甲卷第2题）“旋转纽扣”是一种传统游戏。如图3，先将纽扣绕几圈，使穿过纽扣的两股细绳拧在一起，然后用力反复拉绳的两端，纽扣正转和反转会交替出现。拉动多次后，纽扣绕其中心的转速可达50 r/s，此时纽扣上距离中心1 cm 处的点向心加速度大小约为（ ）。

图3

A.10 m/s2B.100 m/s2

C.1000 m/s2D.10 000 m/s2

解析：“旋转纽扣”是孩童喜欢玩的一种传统游戏，试题要求考生对这种运动进行物理建模。由“旋转纽扣”“转速可达50 r/s”可知纽扣做圆周运动，进一步把纽扣的旋转简化为匀速圆周运动，将纽扣的中心视为圆周运动的圆心，即相应研究点的圆周运动的半径r=1cm=0.01m；再结合匀速圆周运动的角速度公式有ω=2 πn=，圆周运动的加速度公式有a=ω2r≈1000 m/s2，可知C 选项正确。本题将匀速圆周运动融入学生喜闻乐见的游戏中，让学生在游戏中感悟物理规律，从而提高学习兴趣。

［例4］（2021 年广东卷第4 题）由于高度限制，车库出入口采用图4 所示的曲杆道闸，道闸由转动杆OP与横杆PQ链接而成，P、Q为横杆的两个端点。在道闸抬起过程中，杆PQ始终保持水平。杆OP绕O点从与水平方向成30°匀速转动到60°的过程中，下列说法正确的是（ ）。

图4

A.P点的线速度大小不变

B.P点的加速度方向不变

C.Q点在竖直方向做匀速运动

D.Q点在水平方向做匀速运动

解析：曲杆道闸是常见的车库管理设施。解答本题的关键是分析P、Q两点的运动情况。可以将“OP绕O点匀速转运”简化为P点绕O点的匀速圆周运动”，再由“PQ始终保持水平”，可知Q点的运动性质与P点相同，即都是做匀速圆周运动，只不过P、Q两点所绕圆心不同而已，最后由匀速圆周运动的线速度及加速度特点可知选项A 正确。本题通过曲杆道闸运动，考查匀速圆周运动的知识，让学生感悟生活中处处有物理。

（二）生产劳动题材

［例5］（2021年广东卷第3题）唐代《耒耜经》记载了曲辕犁相对直辕犁的优势之一是起土省力。设牛用大小相等的拉力F通过耕索分别拉两种犁，F与竖直方向的夹角分别为α和β，α＜β，如图5 所示。忽略耕索质量，耕地过程中，下列说法正确的是（ ）。

图5

A.耕索对曲辕犁拉力的水平分力比对直辕犁的大

B.耕索对曲辕犁拉力的竖直分力比对直辕犁的大

C.曲辕犁匀速前进时，耕索对犁的拉力小于犁对耕索的拉力

D.直辕犁加速前进时，耕索对犁的拉力大于犁对耕索的拉力

解析：本题是农村生产题材的情境题。题目要求比较“起土的力”即拉力F在竖直方向上的分力，解题的关键是对耕索对犁的拉力F进行正交分解，如图6。由正交分解得耕索对犁的拉力的竖直分力Fy曲=Fcosα，Fy直=Fcosβ。再由α＜β可知正确选项是B。C、D 选项考查的是力的相互作用的知识，学生不难判断。曲辕犁是古人通过生产实践对劳动生产工具进行改进的产物，背后蕴含着朴素的物理学知识，是力的分解知识在生活中的生动实践和应用，同时也体现出我国古代人民的智慧。

图6

［例6］（2021 年广东卷第15 题）为方便抽取密封药瓶里的药液，护士一般先用注射器注入少量气体到药瓶里后再抽取药液，如图7所示，某种药瓶的容积为0.9 mL，内装有0.5 mL的药液，瓶内气体压强为1.0×105Pa。护士把注射器内横截面积为0.3 cm2、长度为0.4 cm、压强为1.0 × 105Pa 的气体注入药瓶，若瓶内外温度相同且保持不变，气体视为理想气体，求此时药瓶内气体的压强。

图7

解析：本题是医护人员工作题材的情境题。结合“理想气体”“瓶内外温度相同且保持不变”“气体注入药瓶”等信息可把本题气体的压缩过程简化为理想气体的等温压缩过程。同时本题属于压缩两部分气体，又属于等温压缩过程的“变质量”气体问题。由题意可知，初状态的两部分气体V（1药瓶里气体体积）、V（2注射器内气体体积）是同种气体，温度及压强相同，因此把这两部分气体看成一个整体进行等温压缩，列方程p0(V1+V2)=p1V1，代入数据可算得答案。

“打气”“充气”是涉及理想气体状态方程（等温过程）的常见问题素材，类似的还有气球、篮球和轮胎的充气和漏气以及分装煤气等相应问题考查的都是此类气体“变质量”等温变化。

三、联系高科技产品，体现物理对科技发展的促进作用

科学是技术发展的基础，技术为科学的发展提供保障和方向。当今，新技术（如AI 技术）大量开发和深度应用依靠的是基本物理学原理。近三年来高考物理试题中联系科技发展的情境题越来越多，主要有两类：一类与空间技术有关，如以嫦娥四号、天问一号、天和核心仓为背景资料的考题几乎年年都有，主要考查万有引力定律及天体的匀速圆周运动模型；另一类与电路、电场、磁场有关，如智能电源（欧姆定律）、特高压输电（变压器原理）、电子加速器（带电粒子在电磁场中的运动模型）、CT扫描（带电粒子在电磁场中的运动模型）等，主要考查电路、电场、磁场的核心知识。这些以科技发展为背景的情境题表面看起来深不可测，其实只要找到对应的物理模型就能揭开它们神秘的面纱。这种类型的题目，既考查学生综合运用物理学原理解决技术问题的能力，又点明物理教学要注意培养学生的创新能力。

［例7］（2020 年全国Ⅲ卷第16 题）“嫦娥四号”探测器于2019年1月在月球背面成功着陆，着陆前曾绕月球飞行，某段时间可认为绕月做匀速圆周运动，圆周半径为月球半径的K倍。已知地球半径R是月球半径的P倍，地球质量是月球质量的Q倍，地球表面重力加速度大小为g。则“嫦娥四号”绕月球做圆周运动的速率为（ ）。

解析：本题为涉及科技前沿中的空间技术的情境题，以嫦娥四号在月球背面着陆为背景，考查了计算天体质量及环绕天体的速度等考点。本题涉及两个情境——一个天上，一个地面上，两者之间既有联系又有不同。解题时学生要层层递进思考，找到解决问题的突破口。

解题的关键之一是明白“‘嫦娥四号’绕月飞行”是环绕天体飞行，属于万有引力提供向心力的匀速圆周运动，如图8，其中月球半径R月=，“嫦娥四号”绕月轨道半径r=。设地球质量为M，由

图8

其中GM未知，所以解题的关键之二是联系在地球表面上当忽略地球自转时万有引力等于重力的关系，如图9，由mg=得GM=gR2，代入，可知正确选项为D。

图9

对于没有配图的情境题，学生要根据题意画出情境图，标出各个已知量，这样解题思路才会更清晰。

空间技术代表国家综合国力和前沿科技的发展水平，我国的空间技术发展迅猛，因此这方面的知识成为近年高考物理考查的热点。这样的考题，不仅能激发学生的爱国热情和民族自豪感，还能让学生利用有限的知识感受“我们的征途是星辰大海”，从而提高科学探索的兴趣。

［例8］（2020 年全国Ⅱ卷第17 题）CT 扫描是计算机X 射线断层扫描技术的简称，CT 扫描机可用于对多种病情的探测。图10（a）是某种CT 机主要部分的剖面图，其中X 射线产生部分的示意图如图10（b）所示。图10（b）中M、N之间有一电子束的加速电场，虚线框内有匀强偏转磁场；经调节后电子束从静止开始沿带箭头的实线所示的方向前进，打到靶上，产生X 射线（如图中带箭头的虚线所示）；将电子束打到靶上的点记为P点，则（ ）。

图10

A.M处的电势高于N处的电势

B.增大M、N之间的加速电压可使P点左移

C.偏转磁场的方向垂直于纸面向外

D.增大偏转磁场磁感应强度的大小可使P点左移

解析：本题为涉及复杂装备的技术情境题，可结合题目给出的原理示意图进行信息提取。由“M、N之间有一电子束的加速电场”可知电子在该电场中做加速运动，所以N处的电势要高于M处的电势才能使电子加速，故A 选项错误。由“匀强偏转磁场”及图中电子垂直磁场方向射入匀强磁场可知，电子在磁场中做匀速圆周运动，因此由左手定则可判断磁场方向是垂直于纸面向里的，故C 选项错误。判断B、D 选项对错的关键在于把“CT 扫描机的电子束打在靶上的点P向左移”解读为“增大带电粒子在磁场中的偏转角”，从而引导学生利用带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的模型求解。偏转磁场中，电子做匀速圆周运动，有evB=；加速电场中，电子做加速运动，有。电子在偏转磁场中的偏转角sinθ=，由于磁场宽度d不变，可知对于该电子，增大磁感应强度B或减小M、N之间的电压U，皆可“增大带电粒子在磁场中的偏转角”，即可使P点左移，所以正确选项为D。

情境类试题有别于经验类试题和方法类试题，学生无法通过“题海”战术提高解答此类试题的能力。在教学过程中，教师要注意引导学生理解物理知识的本质，形成科学思维习惯。建构模型是一种重要的科学思维方法，是解决情境题的金钥匙。平时教学中教师要重视引导学生在复杂的情境中提取关键信息，通过分析和综合，去伪存真，将实际情境转化为物理情境，抽象出理想化模型，有效运用相关物理规律解决问题。