从知识立意转向能力立意，促进素养进阶提升———2022年高考全国甲卷物理试题评析

■云南省保山市第八中学 蒋金团

2022年高考全国甲卷物理试题的计算量适中,设问方式新颖且灵活,符合当前物理学科核心素养的要求。在保持平稳过渡的前提下,2022年高考全国甲卷物理试题具有其明显的特点,比如考查的方式和考查的角度更加新颖,体现了“一核四层四翼”的创新性;从知识立意转向能力立意的力度加大,强调了对关键能力的考查。

一、取材真实情景,注重理论与实际的联系

2022年高考全国甲卷物理试题创设真实问题情景,引导学生关注身边的实际问题,从而培养学生的建模能力和社会责任感。例如,第14题以2022年北京冬奥会中运动员从大跳台滑下的过程为背景,考查机械能守恒定律和向心力相关知识,将学科知识和运动会紧密联系在一起,不但培养了学生对体育运动的热爱之情,而且落实了“五育并举”的教育理念;再如,第15 题以高速列车通过隧道为背景,考查匀变速直线运动的规律,引导学生关注生产生活,培养学生应用所学知识解决实际问题的能力。

例1(第15题)长度为l的高速列车在平直轨道上正常行驶,速率为v0,要通过前方一长度为L的隧道,当列车的任一部分处于隧道内时,列车速率都不允许超过v(v＜v0)。已知列车加速和减速时加速度的大小分别为a和2a,则列车从减速开始至回到正常行驶速率v0所用时间至少为( )。

解析:当列车的任一部分处于隧道内时,列车速率都不允许超过v(v＜v0),则列车进隧道前必须减速到v,有v=v0-2at1,解得;列车在隧道内匀速运动时,有;列车尾部出隧道后立即加速到v0,有v0=v+at3,解得。因此列车从减速开始至回到正常行驶速率v0所用时间至少为。

答案:C

点评:本题属于运动学问题,将高速列车的运动过程可视化是解答本题的关键。题目要求列车通过隧道时的速率不超过v,又要求列车从减速开始至回到正常行驶速率v0所用时间最短,说明列车通过隧道时的速度必然是v,因此列车的运动过程由进隧道前减速、隧道中匀速、出隧道后加速三部分组成。此外,列车的长度不能忽略,因此列车在隧道中行驶的过程指的是车头进入到车尾离开的过程,将上述分析以可视化的运动过程呈现出来,如图1所示,就可以找到解决问题的突破口。

图1

二、命题角度新颖,解答方法多样,注重思维能力的培养

与往年相比,2022年高考全国甲卷物理试题在命题角度上更加新颖,设问方式更加灵活,解答方法也更加多样,有不少试题在传统题的基础上进行大胆的创新与突破,能够有效地考查学生的思维品质,考生可以根据自己的知识储备灵活选择答题方法。例如,第16 题在考查法拉第电磁感应定律和电阻定律的同时,将正方形的内切圆、圆的内接多边形等几何知识巧妙地融入进去,从而使得考题更具灵活性和区分度;再如,第18 题以带电粒子在电、磁叠加场中的运动轨迹分析为背景,考查左手定则、洛伦兹力特点、静电力做功特点和动能定理等知识,考生既可以采用常规的排除法确定正确答案,也可以采用竞赛中常用的配速法确定正确答案;另外,第34(1)题的解答也同样具有多样化特点,考生既可以采用常规的方程法计算机械波的波长,也可以采用单位圆法灵活巧妙地计算机械波的波长。

例2(第16题)三个用同样的细导线做成的刚性闭合线框,正方形线框的边长与圆形线框的直径相等,圆形线框的半径与正六边形线框的边长相等,如图2所示。把它们放入磁感应强度随时间线性变化的同一匀强磁场中,线框所在平面均与磁场方向垂直,正方形、圆形和正六边形线框中感应电流的大小分别为I1、I2和I3。则( )。

图2

A.I1＜I3＜I2

B.I1＞I3＞I2

C.I1=I2＞I3

D.I1=I2=I3

解析:设圆形线框的半径为r,则正方形线框的边长为2r,正六边形线框的边长为r,因此圆形线框的周长C2=2πr,面积S2=πr2;正方形线框的周长C1=8r,面积S1=4r2;正六边形线框的周长C3=6r,面积S3=。三个线框的材料粗细相同,根据电阻定律可知,三个线框的电阻之比R1∶R2∶R3=C1∶C2∶C3=8∶2π∶6,根据法拉第电磁感应定律得,根据欧姆定律得,因此三个线框中感应电流的大小之比I1∶I2∶I3=2∶2∶3,即I1=I2＞I3。

答案:C

点评:本题以电磁感应为背景,考查法拉第电磁感应定律、电阻定律和欧姆定律等知识的综合应用。根据法拉第电磁感应定律可知,每个线框产生的感应电动势与线框面积成正比,根据电阻定律可知,每个线框的电阻与其周长成正比,因此找出三个线框的几何长度关系是解答本题的关键。根据题图可知,正六边形实质上是圆的内接六边形,将正六边形的中心与六个顶点连接起来,正六边形由六个等边三角形组成,利用题给相等长度很快就能找出三个线框的面积关系和周长关系,从而顺利求解相关问题。

例3(第18 题) 空间存在匀强磁场和匀强电场,磁场的方向垂直于纸面(xOy平面)向里,电场的方向沿y轴正方向。一带正电的粒子在电场和磁场的作用下,从坐标原点O由静止开始运动。如图3所示四幅图中,可能正确描述该粒子运动轨迹的是( )。

图3

解析:在xOy平面内,电场的方向沿y轴正方向,故静止在坐标原点O的带正电粒子在静电力作用下会向y轴正方向运动;磁场方向垂直于纸面向里,根据左手定则可以判断出,向y轴正方向运动的粒子同时受到沿x轴负方向的洛伦兹力,故带电粒子向x轴负方向偏转。带电粒子在运动的过程中,静电力对粒子做功,粒子的速度大小发生变化,粒子所受的洛伦兹力方向始终与速度方向垂直。因为匀强电场方向沿y轴正方向,所以x轴为匀强电场的等势面,带电粒子从开始运动到偏转再次回到x轴时,静电力做功为0,洛伦兹力不做功,则带电粒子再次回到x轴时的速度为0,随后受静电力作用再次进入第二象限重复向左偏转。综上可知,可能正确描述该粒子运动轨迹的是B图。

答案:B

点评:本题考查的是叠加场中带电粒子的运动轨迹分析,可采用配速法对粒子的轨迹进行深度的探讨。将粒子的初速度零看成是一对等大反向的速度v0和v1的叠加,则粒子等效受到一个静电力和两个洛伦兹力的作用,令qv0B=qE,即,此时粒子的运动可等效成两个分运动,分运动1是qv0B和qE作用下的匀速直线运动,分运动2 是qv1B作用下的匀速圆周运动,由分运动2的轨迹可知,粒子的竖直分位移一直大于零,选项C、D 错误。因为分运动1 的水平位移大于分运动2 的水平位移,所以粒子的水平合位移一定向左,选项A 错误,B正确。

图4

三、强化物理观念考查,注重科学方法的渗透

科学思维和科学方法是物理核心素养的重要组成部分,2022年高考全国甲卷物理试题在深度考查物理观念的同时,注重科学方法的渗透,体现“授人以鱼不如授人以渔”的教育理念。例如,第21题以带电粒子在电场中做匀变速曲线运动为背景,考查运动的独立性、牛顿第二定律和匀变速直线运动规律等知识点的同时,深度考查了运动分解法、等效重力法和对称法在物理学中的应用,体现科学方法的重要性。

例4(第21题)地面上方某区域存在方向水平向右的匀强电场,将一带正电荷的小球从电场中P点水平向左射出。小球所受的重力和静电力的大小相等,重力势能和电势能的零点均取在P点。则小球射出后,( )。

A.小球的动能最小时,其电势能最大

B.小球的动能等于初始动能时,其电势能最大

C.小球速度的水平分量和竖直分量大小相等时,其动能最大

D.从射出时刻到小球速度的水平分量为零时,重力做的功等于小球电势能的增加量

解析:对小球进行受力分析,如图5所示,因为qE=mg,所以等效重力G′的方向与水平方向成45°角。当vy=0时,速度最小,且vmin=v1,因为此时v1存在水平分量,静电力还可以做负功,所以此时的电势能不是最大的,选项A 错误。当小球的速度没有水平分量时,其电势能最大。此时在水平方向上有,在竖直方向上有v=gt,又有qE=mg,解得v=v0,即此时小球的动能等于初始动能,选项B 正确。从射出时刻到小球速度的水平分量为零(小球的电势能最大)时,根据动能定理得W重+W电=0,即重力做的功等于小球电势能的增加量,选项D 正确。当小球的速度如图中v1所示时,速度的水平分量与竖直分量相等,其动能最小,选项C错误。

图5

答案:BD

点评:本题除了可以采用等效重力法进行解答,还可以采用常规分解法结合v-t图像进行分析。根据受力分析可知,粒子在竖直方向上做的是自由落体运动,在水平方向上做的是往返型匀变速直线运动,在水平方向上受到的静电力等于重力说明两个分运动的加速度大小均为g。根据如图6所示的vt图像,结合对称性可知,小球速度的水平分量为零时,两个分运动的位移大小相等,此时重力对小球做的功等于小球克服静电力做的功,因此重力做的功等于小球电势能的增加量,选项D 正确。小球速度的水平分量为零时,竖直分量为v0,此时小球的动能等于初始动能,小球克服静电力做功最多,其电势能最大,选项A 错误,B正确。小球的动能,这是一个开口向上的二次函数,因此当时(此时两个分速度相等),动能有最小值,选项C错误。

图6

四、加强实验设计,注重实验探究能力的培养

实验是培养学生物理学科素养的重要途径,2022年高考全国甲卷物理试题不仅在两道常规实验题的设置上突出了对探究能力的考查,而且在两道计算题中也以实验为背景,引导学生注重实验探究能力的培养。例如,第22 题要求考生根据实验目的和提供的实验器材,画出测量微安表内阻的实验电路原理图,具有一定的探究性。再如,第23 题利用气垫导轨对弹性碰撞进行研究,展示完整的实验探究过程,在形成结论部分,要求考生将理论与实验相结合,培养考生的证据意识。此外,第24题、第25 题也均以实验为背景,凸现了物理实验在发展学生核心素养方面的重要地位和作用,引导高中课程开足开好实验课,鼓励学生开展各种科学探究活动,提高实验技能和创新能力。

例5(第23题)利用如图7所示的实验装置对碰撞过程进行研究。让质量为m1的滑块A与质量为m2的静止滑块B在水平气垫导轨上发生碰撞,碰撞时间极短,比较碰撞后滑块A和B的速度大小v1、v2,进而分析碰撞过程是否为弹性碰撞。完成下列填空:

图7

(1)调节导轨水平;

(2)测得两滑块的质量分别为0.510 kg和0.304 kg,要使碰撞后两滑块的运动方向相反,应选取质量为_____kg的滑块作为A;

(3)调节滑块B的位置,使得滑块A与B接触时,滑块A的左端到左边挡板的距离s1与滑块B的右端到右边挡板的距离s2相等;

(4)使滑块A以一定的初速度沿气垫导轨运动,并与滑块B碰撞,分别用传感器记录滑块A和B从碰撞时刻开始到各自撞到挡板所用的时间t1和t2;

(5)将滑块B放回到碰撞前的位置,改变滑块A的初速度大小,重复步骤(4),多次测量的结果如表1所示;

表1

(6)表中的k2=____(保留2 位有效数字);

(8)理论研究表明,对本实验的碰撞过程是否为弹性碰撞可由判断,若两滑块的碰撞为弹性碰撞,则的理论表达式为____(用m1和m2表示),本实验中其值为_____(保留2位有效数字),若该值与(7)中结果间的差别在允许范围内,则可认为滑块A与B在导轨上的碰撞为弹性碰撞。

解析:(2)用质量较小的滑块碰撞质量较大的滑块,才能使得碰后两滑块的运动方向相反,故应选取质量为0.304 kg的滑块作为A。

(6)因为两段距离s1和s2相等,所以根据表中数据得。

(8)两滑块的碰撞为弹性碰撞时满足动量守恒定律和机械能守恒定律,则解得。

答案:(2)0.304 (6)0.31 (7)0.32

点评:弹性碰撞的特点是碰撞瞬间系统的动量和机械能都守恒,识记重要结论“两物体发生弹性碰撞后的速度和,能够在考场上有限的时间内提高解题效率。

例6(第25题)光点式检流计是一种可以测量微小电流的仪器,其简化的工作原理示意图如图8所示。图中A为轻质绝缘弹簧,C为位于纸面上的线圈,虚线框内有与纸面垂直的匀强磁场;M为置于平台上的轻质小平面反射镜,轻质刚性细杆D的一端与M固连且与镜面垂直,另一端与弹簧下端相连,PQ为圆弧形的、带有均匀刻度的透明读数条,PQ的圆心位于M的中心,使用前需调零,使线圈内没有电流通过时,M竖直且与纸面垂直;入射细光束沿水平方向经PQ上的O点射到M上后沿原路反射。线圈通入电流后弹簧长度改变,使M发生倾斜,入射光束在M上的入射点仍近似处于PQ的圆心,通过读取反射光射到PQ上的位置,可以测得电流的大小。已知弹簧的劲度系数为k,磁场的磁感应强度为B,线圈C的匝数为N。线圈沿水平方向的长度为l,细杆D的长度为d,圆弧PQ的半径为r,r≫d,d远大于弹簧长度改变量的绝对值。

图8

(1)若在线圈中通入的微小电流为I,求平衡后弹簧长度改变量的绝对值Δx及PQ上反射光点与O点间的弧长s。

(2)某同学用此装置测一微小电流,测量前未调零,将电流通入线圈后,PQ上反射光点出现在O点上方,与O点间的弧长为s1。保持其他条件不变,只将该电流反向接入,则反射光点出现在O点下方,与O点间的弧长为s2。求待测电流的大小。

解析:(1)当线圈中通入微小电流I时,设弹簧的形变量为Δx,则NBIl=kΔx。因为d≫Δx,细杆D左端划过的弧长很短,弧长近似等于弦长,所以Δx=dθ。当细杆D转过的弧度为θ时,根据反射定律可知,反射光线转过的弧度为2θ,有s=r·2θ。联立以上各式解得。

(2)在测量前未调零的情况下,设线圈中没有通电流时光束偏移的弧长为s′,若初始时反射光点在O点上方,则线圈中通电流I′后根据(1)中结论得,当线圈中的电流反向后有,解得。若初始时反射光点在O点下方,则可得同样的结果。因此待测电流的大小。

点评:本题以光点式检流计的设计原理为背景考查学生的建模能力和科学探究能力。要想顺利解答本题,需要从以下两个角度入手:(1)读懂光点式检流计的设计原理,构建物理模型。当线圈中通入微小电流时,在安培力作用下弹簧的长度发生改变,从而导致细杆D的左端发生微小移动,细杆D的延长线是法线,细杆D的位置改变时,必然导致反射光线打在弧形刻度盘上的位置发生改变。(2)注重误差消除,提高实验精度。根据题意,(2)问的测量中未进行测量前的刻度调零,这说明本该是零的刻度,读成了s′刻度,读大了光束的偏移量,实际测量时只有把这部分扣除才是真实值。此外明确刻度正负号和电流正负号的关系也很重要,结合题中情景图,可以取零刻度上方的弧形刻度为正值,下方的弧形刻度为负值。基于以上分析,当线圈中通电流I′,初始时反射光点在O点上方时有,当电流反向后有,两式相加把未调零带来的系统误差消除后,便能精确测出微电流的大小。

2.联系生产生活,注重物理在日常生活中的应用。高考已经从知识立意转向了能力立意,而情景类试题是考查素养的良好载体,因此同学们在复习备考过程中必须关注与生产生活、科技前沿等方面紧密联系的真实情景,注重从实际情景中获取信息,提炼物理模型,经历解决真实问题的过程,加强应用所学理论知识解决实际问题的能力,从而达到提升物理核心素养的目的。