创新与传承并重,全面考查学科素养——2022年高考全国甲卷物理试题评析

蒋金团

(云南省施甸县第一完全中学)

2022年高考全国甲卷物理试题依托高考评价体系,突出对必备知识和关键能力的考查,促进考生素养的提升,从而落实立德树人的根本任务;在保持平稳过渡的同时,2022年甲卷物理试题的考查方式和考查角度更加新颖与灵活,体现了“一核四层四翼”的创新性.

1 命题角度新颖、解答方法多样化,注重思维能力的培养

2022年高考全国甲卷物理试题在设问方式上非常灵活,解答方法也趋于多样化,有不少考题在传统题的基础上进行了大胆的创新与突破,能有效考查学生的思维品质.例如第18题以带电粒子在电磁叠加场中的运动轨迹分析为背景,考查洛伦兹力的特点、电场力做功的特点和动能定理等知识,考生既可采用常规的排除法确定正确答案,也可采用竞赛中常用的配速法确定正确答案.

例1(18题)空间存在着匀强磁场和匀强电场,磁场的方向垂直纸面(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.下列四幅图中,可能正确描述该粒子运动轨迹的是( ).

在xOy平面内电场的方向沿y轴正方向,故在坐标原点O静止的带正电粒子在电场力作用下会向y轴正方向运动.磁场方向垂直纸面向里,根据左手定则,可判断出向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,选项A、C 错误;电场力对带电粒子做功,粒子速度大小发生变化,粒子所受的洛伦兹力方向始终与速度方向垂直.由于匀强电场方向是沿y轴正方向,故x轴为匀强电场的等势面,从开始到带电粒子偏转再次运动到x轴时,电场力做功为0,洛伦兹力不做功,故带电粒子再次回到x轴时的速度为0,随后受电场力作用再次进入第二象限重复向左偏转,故选项B正确,选项D 错误.答案为B.

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.将粒子的初速度为零看成是一对方向相反大小相等的速度v0和v1叠加而成,这样一来,粒子等效受到一个电场力和两个洛伦兹力的作用.令qv0B＝qE,即v0＝v1＝,此时粒子的运动可等效成两个分运动.第一个分运动是qv0B和qE作用下的匀速直线运动,第二个分运动是qv1B作用下的匀速圆周运动.由分运动2的轨迹图可知,粒子的竖直分位移一直大于零,所以选项C、D 错误;又因为分运动1的水平位移大于分运动2的水平位移,所以水平合位移一定向左,所以选项A 错误,选项B正确.

图1

2 强化物理观念考查,注重学科方法的渗透

科学思维和科学方法是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,在考查能量观念的同时,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,体现学科方法的重要性.

例2(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自电场中P点水平向左射出.小球所受的重力和电场力的大小相等,重力势能和电势能的零点均取在P点.则射出后( ).

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

如图2所示,因为Eq＝mg,故等效重力G″的方向与水平方向成45°.当vy＝0时速度最小为vmin＝v1,由于此时v1存在水平分量,电场力还可以向左做负功,此时电势能不是最大,故选项A 错误;当水平速度为零时,水平方向上v0＝,竖直方向上v＝gt,由于Eq＝mg,得v＝v0,如图2所示,此时小球的动能等于初始动能.由于此时速度没有水平分量,故电势能最大.由动能定理可知此时WG＋WEq＝0,则重力做功等于小球电势能的增加量,故选项B、D 正确;当小球速度为v1时,速度水平分量与竖直分量相等,动能最小,故选项C错误.答案为B、D.

图2

本题除了采用等效重力法进行解答,也可采用常规分解法结合v-t图像进行分析.由受力分析可知,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,由于水平方向上受到的电场力等于重力,说明两个分运动的加速度大小均为g.根据v-t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,此时重力对小球所做的功等于小球克服电场力所做的功,所以重力势能的减小量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,竖直速度为v0,此时小球的动能等于初始动能,小球克服电场力做功最多,其电势能最大,故选项B正确,选项A 错误;小球的动能为

这是一个开口向上的二次函数,因此当t＝时(此时两个分速度相等),动能有最小值,选项C错误.

图3

3 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核心素养的重要途径和方式.全国甲卷保持两道实验的同时,24题、25题也均以实验为背景,进一步凸显物理实验在发展学生核心素养方面的重要地位和作用,引导高中开足开好实验课,提高学生实验技能和创新能力.

例3(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4所示.

图4

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,磁场磁感应强度大小为B,线圈C的匝数为N.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.

(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.

(1)当线圈中通入微小电流I时,设弹簧的形变量为Δx,则有NBIl＝kΔx,可得

因为d≫Δx,细杆D左端划过的弧长很短,弧长近似等于弦长,由图5可知Δx＝dθ,当细杆转过的弧度为θ时,由反射定律可知反射光线转过的弧度为2θ,有s＝r·2θ,联立可得s＝

图5

(2)因为测量前未调零,设没有通电流时反射光点偏移的弧长为s′,当初始时反射光点在O点上方,通电流I′后根据前面的结论可知

当电流反向后有

联立可得

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,虽然本题没有涉及高深的物理知识和复杂的运动过程,但在科学方法的考查上入木三分,是一道值得细细品味的好题.要想顺利解答本题,笔者认为可关注以下两点:1)注重教材中科学思想与方法的挖掘,将其有效迁移到新情境中来.本题将微小电流以弧形刻度的形式放大出来,体现了放大法思想.推导弧形刻度与微电流的对应关系式(s＝)时,将很短的弧长近似看成弦长,体现了微元法思想.放大法和微元法是物理学中的基本方法,在教材中有多次体现,这说明把教材的基本思想和基本方法吃透是很有必要的,只有熟知每种方法的内涵,才能在新情境中进行有效迁移;2)注重消除误差,提高实验精度.根据题意,第(2)问测量前未进行刻度调零,这说明本该是零的刻度,读成了s′刻度,读大了s′,实际测量时只有把这部分扣除才是真实值,此外刻度的正负号和电流的正负号也很重要,结合题中情境图,取0刻度上方的弧形刻度为正值,下方的刻度为负值.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s1－s′＝,当电流反向后有(－s2)－s′＝,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值.

综上所述,2022年高考全国甲卷计算量适中,设问方式新颖、灵活,符合当前物理学科核心素养的要求,对教学具有良好的导向作用.

(完)