突出情境,立足素养,激发思维——2023年高考江苏卷物理试题赏析

■江苏省六合高级中学 傅明峰

2023 年高考江苏卷物理试题延续去年的命题特点,体现素养立意,注重夯实基础,丰富问题情境,广泛选取素材,突出思维考查,有利于激发考生崇尚科学、探索未知的兴趣,提升物理学科核心素养。

试题印象:从考查方向来看,基础题比重较大,基础和能力寓于情境题之中;从考查内容来看,知识覆盖面比较广,重点知识重点考查(从近三年高考的命题特点来看,涉及动量的题目比较简单,没有涉及动量守恒和能量守恒,这是因为解两个守恒联立的二元二次方程很费时);从考查能力来看,主要考查理解能力和分析问题的能力;从试卷布局来看,选择题11道,实验题1道,计算题4道,选择题裁剪了素材后题干简短,计算题的题干也不算长,较好地控制了阅读量。

一、2023年高考试题的两大亮点

亮点1:试题颇有禅意

“看山不是山,看山还是山”,原是指佛家所说的悟道之深浅,最初境界是看什么就是什么没有深度,然后能够看透本质看山不再是山,如庖丁不见全牛一般,最后又返璞归真看山依然是山。选择题第10 题就是对这句话的物理解读。

例1(第10题)达·芬奇的手稿中描述了这样一个实验:一个罐子在空中沿水平直线向右做匀加速运动,沿途连续漏出沙子。若不计空气阻力,则图1 中能反映空中沙子排列的几何图形是( )。

分析:这道题源自教材人教版(2019)必修第二册第五章《抛体运动》“复习与提高”A组第5 题,这个相对运动问题在合格性考试中经常考,然而我们在学习了等效重力场模型后,就会发现这道题又似乎有了等效重力场模型的影子。初看这道题目马上就会想到在一个匀加速运动的车厢中悬挂一个小球的情景,小球的运动情况、受力规律都与悬挂在静止支架上的小球相似,只不过这里的等效重力加速度是车厢的对地加速度的反加速度(非惯性力)与重力加速度的矢量和。如此想,本题中的罐子就相当于匀加速运动的车厢,连续漏下的沙子就如悬挂的小球线,其等效重力加速度是水平向左的加速度与重力加速度的矢量和。但是,细想这道题是不能这么做的,因为这些沙子在罐子中向右做匀加速运动,一旦离开罐子将只受重力作用而做平抛运动。沙子离开罐子后在竖直方向上的分运动是自由落体运动,在水平方向上的分运动是匀速直线运动,选每粒沙子为研究对象,则其所做的都是如图1中B 所示的平抛运动。在研究“连续漏出的沙子”时,后出来的沙子在水平方向上的位置更靠后,此后各沙子都在做平抛运动,在水平方向上的分速度都不变,在竖直方向上的分速度越来越大,所以能反映空中沙子排列的几何图形应该是如图1中C 所示的曲线。然而,再想一想这种思考方法也是有问题的,因为要想知道空中沙子排列的几何形状应该是看各粒沙子的相对位置的情况,而不能简单地“定性”分析各粒沙子对地的运动情况。

解法1:若以先漏出的沙子为参照物,则罐子在空中沿水平方向向右做匀加速直线运动,在时间Δt内沿水平方向的位移增加量为aΔt2,沿竖直方向做自由落体运动,在时间Δt内沿竖直方向的位移增加量为gΔt2,说明罐子的水平分位移的增加量与竖直分位移的增加量比值一定,则罐子的位置连线的倾角是一定的。

解法2:t=0时刻沙粒1漏出,设其速度为v0,经过Δt(Δt→0)漏出沙粒2,经过时间t,沙粒1 在水平方向上的位移x1=v0t(向右),在竖直方向上的位移(竖直向下),此后漏出的沙粒2在水平方向上的位移(向右),在竖直方向上的位移(竖直向下)。漏出的沙粒2相对先漏出的沙粒1 的位移偏右上方,与水平方向间的夹角的正切值,即tanθ是定值,与时间t无关。

答案:D

警示:想当然地运用等效重力场模型思考的方式是“错误”的,而结论却与运用正确思路得出的结果一致,这是巧合还是必然呢?我们若以做匀加速直线运动的罐子为研究对象,则各粒沙子相对罐子所做的运动就是沿着等效重力场方向的“自由落体运动”,所以这些沙子相对罐子来说的排列图形就是一条直线。而变换不同的参考系研究物体的运动时,各个运动物体的相对位置是不变的。所以说,运用等效重力场模型思考与解法2 的分析方法是整体分析与细节分析的区别,其本质是一样的。小小的一道选择题,看似简单,细细品味还真是回甘不尽。

亮点2:考查深度思维

试卷中的第16 题充分体现出另一个亮点——回归本质,突出对物理模型建构、科学推理论证,以及物理思维方法的灵活运用等深度思维的考查。

例2(第16题)霍尔推进器某局部区域可抽象成如图2所示的模型。Oxy平面内存在竖直向下的匀强电场和垂直于坐标平面向里的匀强磁场,磁感应强度为B。质量为m、电荷量为e的电子从O点沿x轴正方向水平入射。入射速度为v0时,电子沿x轴做直线运动;入射速度小于v0时,电子的运动轨迹如图中虚线所示,且在最高点与在最低点所受的合力大小相等。不计重力及电子间的相互作用。

图2

(1)求电场强度的大小E。

(3)若电子入射速度在0

分析:前两小问相对容易求解,第三小问起到了甄别和选拔作用。第三小问虽然不是那种不可企及的难度,但是对考生的深度思维要求比较高。第三小问可以按照题目给定的条件、提示逐步列式求解,也可以用带电粒子在匀强磁场与匀强电场构成的复合场中运动的“配速法”快捷求解。

解:(1)当入射速度为v0时,电子沿x轴做直线运动,则eE=ev0B,解得E=v0B。

(3)方法1:(常规法)若电子以速度v入射,设电子能到达的最高点位置的纵坐标为y,根据动能定理得。根据电子在最高点与在最低点所受的合力大小相等可得,在最高点有F合=evmaxB-eE,在最低点有F合=eE-evB,解得vmax=2v0-v,。要让电子到达纵坐标位置,则需y≥y2,解得。若电子入射速度在0

方法2:(配速法)对于初状态静止的电子,设ev1B=eE,则v1=v0对应水平向右的匀速直线运动;v2=-v0对应另一个分运动,根据洛伦兹力提供向心力得,解得。对于初速度为v的电子,它的一个分运动速度v1=v0,对应水平向右的匀速直线运动;另一个分运动速度为v2',这个分运动的轨迹圆直径是y2,则,解得,可得。在0

二、2024年高考命题预测

2024年高考江苏卷物理命题势必将依然坚持“突出情境,立足素养,激发思维”三个目标,突出真实问题情境的设计,引导学生从生活中发现问题、提出问题,逐步从解题走向解决问题;强化试题与实际情境的关联性,注重考查学生的探究意识、深度思维。

预测题1:如图3 所示,一敞口正方体水箱的边长l=2 m,水箱的右侧面上有一个小孔M(孔的大小忽略不计),小孔M到水箱底的距离h=0.5 m,用塞子将小孔M堵住,往水箱中注水至水面到达N,N到水箱底的距离H=1.5 m。取重力加速度g=10 m/s2。现使水箱以加速度a=6 m/s2水平向右做匀加速直线运动,同时打开小孔M,则流出水箱的水的体积最多为( )。

图3

A.0.8 m3B.1.2 m3

C.1.6 m3D.2 m3

解析:作出重力加速度和水平向左的相对加速度的矢量图如图4甲所示,则。稳定后水箱中的水位如图4 乙所示,设水箱中左侧水位相对于水箱底部的最大高度为hmax,根据几何关系得hmax=h+ltanθ,解得hmax=1.7 m,则稳定后水箱内水的体积,原来水箱中水的体积V=l2·H=6 m3,因此流出水箱的水的体积ΔV=V-V'=1.6 m3。

图4

答案:C

预测题2:如图5所示,正方体abcd-a'b'c'd'的上表面水平,沿其中心线O1O2放置一根通有恒定电流I的长直导线,一闭合金属小圆环沿不同方向以相同速率做匀速直线运动,运动过程中小圆环平面始终保持水平。下列说法中正确的是( )。

图5

A.a'与c点的磁感应强度大小相等,方向相同

B.小圆环的圆心从ad边的中点竖直向上运动时,小圆环中无感应电流

C.小圆环的圆心从b'点移动到c'点的过程中,穿过小圆环的磁通量先增加后减少

D.小圆环的圆心从a点移动到d点与从a点移动到c点,小圆环中产生的平均感应电动势相等

解析:根据右手螺旋定则可知,a'与c点的磁感应强度大小相等,方向相反,选项A错误。小圆环的圆心从ad边的中点竖直向上运动时,通过小圆环的磁通量始终为零,小圆环中无感应电流,选项B 正确。小圆环的圆心从b'点移动到c'点的过程中,当小圆环到达导线正下方时,磁通量为零,所以穿过小圆环的磁通量先减少后增加,选项C 错误。小圆环的圆心从a点移动到d点与从a点移动到c点的过程中,磁通量的变化相同,时间不同,根据可知,小圆环中产生的平均感应电动势不相等,选项D 错误。

答案:B