吴 强 (正高级教师) 郭荣英

(1.山东省泰山中学 2.山东省禹城市综合高中)

2022年高考命题遵循课程标准要求,依托高考评价体系,深化基础考查,突出思维品质,落实核心素养,服务“双减”落地.通过对2022年高考试题的对比分析,发现全国甲、乙卷,北京、山东、浙江、广东、上海、河北、湖北、重庆等10套试卷中,对实验题的考查除常规的“一力一电”实验题外,还涉及了以实验情境为素材命制的选择题和计算题,以引导高中物理教师进一步完善实验教学体系,提高实验教学水平,发展学生的科学思维、科学探究素养,培养其创新精神和能力,助力学生科学素质的全面提高.

1 2022年高考物理以实验情境为素材命题的题型特点

物理学基于观察与实验,建构物理模型,应用数学等工具,通过科学推理和论证,形成系统的研究方法和理论体系.高中物理课程在义务教育的基础上,帮助学生从物理学的视角认识自然,理解自然,建构关于自然界的物理图景;引导学生经历科学探究过程,体会科学研究方法,养成科学思维习惯,增强创新意识和实践能力.高考命题进一步优化试题情境,近几年出现了实验新题型,这是课程标准的要求.试题的情境要具有一定的问题性、真实性、探究性或开放性,通过学生应对复杂现实情境、参与相应探究学习活动时的外在表现来考查其物理学科核心素养.

《普通高中物理课程标准(2017 年版2020 年修订)》的第四部分课程内容中,给出的内容要求共87条,其中有51条涉及观察和实验(以下简称“课标要求的实验”),在给出的例证中突出了实践性和应用性.如制作一个简易弹簧测力计,用胡克定律解释其原理;了解直线加速器、同步加速器、粒子探测器在核物理和粒子物理研究中的作用.在给出的活动建议中突出探究性和开放性,如根据牛顿第二定律,设计一种能显示加速度大小的装置;观看有关人造地球卫星、神舟飞船、航天飞机、空间站的录像片,与同学交流观后感;分别描绘电炉丝、小灯泡、半导体二极管的I-U特性曲线,对比它们导电性能的特点;等等,还给出了21个学生必做实验.

教材(以人教版为例)同样重视科学的发展过程,关注科学探究活动的设计,关注科学家在科学探索过程中所凝练、升华的科学思维方式和科学研究方法,让学生学习科学家的科学思维、研究方法及科学态度等.如教材科学漫步栏目中有“伽利略对自由落体运动的研究”;练习与应用中设置小制作类的实验探究,如制作一把“人的反应时间测量尺”;在教材的正文中呈现密立根油滴实验测粒子的比荷,并在课后的练习与应用中设置测定电子的比荷的实验情境练习题.

可见,在课程标准要求加强实验教学的同时,教材也在引领习题教学走向情境化、探究化、开放性、活动性.2022年高考试题也具有这样的特点,在选择题和计算题中出现了大量的以实验情境为素材的实验题,其特点如下.

考查实验基本能力:对于课程标准要求的必做实验和演示实验重点考查实验的原理和方法,考查学生的科学思维和科学探究能力.

突出考查创新能力:拓展实验以教材实验为背景,改变实验条件或创设条件创新情境,加强对迁移应用、创新实践能力的考查,要求学生提取有效信息、抽象概括物理模型、应用数学和科学思想方法处理实验情境中的复杂问题,加强试题复杂程度、开放性和探究性,以考查学生的创新思维和意识.

靶向考查核心素养:以实验情境为素材命制的创新题型,从学生熟悉的实验情境出发,由浅入深,由易到难,加强对学生理解、模型建构、推理论证、信息加工、证据解释、质疑创新等关键能力的考查,突出考查物理观念、科学思维、科学探究等核心素养.突出综合性、应用性和创新性,进一步提升命题质量,创新探索高考命题改革的实施路径.

2 试题赏析

2.1 对学生必做实验的考查

《普通高中物理课程标准(2017 年版2020 年修订)》中规定了21个学生必做实验,在以往的高考试题中主要以实验题题型单独考查,而在2022年的高考试题中出现了选择题、计算题的考查形式.如在选择题中,北京卷第9题考查了“观察电容器的充放电现象”,第13题考查了“利用传感器制作简单的自动控制装置”,山东卷第10题和浙江6月卷第4题考查了“用双缝干涉实验测量光的波长”等.在计算题中,全国甲卷第24题考查了“探究平抛运动的特点”.

在选择题、计算题中考查实验,虽不是“首开先河”,但在2022年高考试题中却尤为突出.这进一步凸显了物理实验在发展学生核心素养方面的重要地位和作用,引导高中一定要开足开好实验课,一定要让学生到实验室去做实验,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1(2022年北京卷)利用如图1所示的电路观察电容器的充、放电现象,其中E为电源,R为定值电阻,C为电容器,A 为电流表,V 为电压表.下列说法正确的是( ).

图1

A.充电过程中电流表的示数逐渐增大后趋于稳定

B.充电过程中电压表的示数迅速增大后趋于稳定

C.放电过程中,电流表的示数均匀减小至零

D.放电过程中,电压表的示数均匀减小至零

答案B.

解析充电过程中,随着电容器C两极板电荷量的积累,电路中的电流逐渐减小,电容器充电结束后,电流表示数为零,选项A 错误;充电过程中,随着电容器C两极板电荷量的积累,电压表测量电容器两端的电压,电容器两端的电压迅速增大,电容器充电结束后,趋于稳定,选项B正确;电容器放电的I-t图像如图2所示,可知电流表和电压表的示数不是均匀减小至零的,选项C、D 错误.故选B.

图2

点评本题源于教材中的实验栏目和拓展学习栏目,观察电容器的充、放电现象也是课程标准中规定的必做实验之一.本题主要考查电容器充、放电过程中电流表和电压表示数的变化,考查实验原理和实验现象.

例2(2022年全国甲卷)将一小球水平抛出,使用频闪仪和照相机对运动的小球进行拍摄,频闪仪每隔0.05s发出一次闪光.某次拍摄时,小球在抛出瞬间频闪仪恰好闪光,拍摄的照片编辑后如图3所示.图中的第一个小球为抛出瞬间的影像,每相邻两个球之间被删去了3个影像,所标出的两个线段的长度s1和s2之比为3∶7.重力加速度g取10m·s-2,忽略空气阻力.求在抛出瞬间小球速度的大小.

图3

解析频闪仪每隔0.05s发出一次闪光,每相邻两个球之间被删去3个影像,故相邻两球的时间间隔为

设抛出瞬间小球的速度为v0,每相邻两球间水平方向上的位移为x,竖直方向上的位移分别为y1、y2,根据平抛运动位移公式有

由平抛运动在竖直方向上的运动规律知

已标注的线段s1、s2分别为

点评本题以平抛运动实验中的频闪照片设置情境任务,考查研究平抛运动的特点并求初速度,旨在考查研究曲线运动的基本方法,即“运动的合成与分解”,应用“化曲为直”的研究方法分析处理曲线运动,情境新颖,可有效杜绝死记硬背和机械刷题.本题还同时考查学生的物理模型构建能力、分析推理能力、数学运算能力,充分体现了以问题情境承载考查内容的要求,严格遵循了课程标准的要求.计算题以实验素材为情境,主要在实验原理的理解和实验数据的处理两个方面考查学生的实验能力和科学探究能力,试题注重基本概念和基本规律的考查,没有直接给出平抛运动的水平、竖直位移,而是给出两段运动的合位移之比,巧妙地考查了分运动与合运动的关系,进而考查了平抛运动的规律,突出对科学思维、科学探究两大核心素养的考查.

2.2 对课程标准要求实验的考查

物理课程标准中规定了一些通过观察和实验等探究活动得出概念和规律的内容要求,教材主要通过实验、演示、做一做、拓展学习、练习与应用、复习与提高等栏目对其加以呈现.

这类实验在以往高考试题中较少考查,在2022年高考中不仅以实验题题型单独考查,还出现了选择题、计算题等考查形式.如在选择题中,河北卷第4题考查了“通过实验,了解光电效应现象”,上海卷第3题和山东卷第10题考查了“观察光的干涉、衍射和偏振现象”.在计算题中,广东卷第18题考查了“通过实验,理解光的折射定律,会测量材料的折射率”等.

例3(2022年河北卷)如图4是密立根于1916年发表的纳金属光电效应的遏止电压Uc与入射光频率ν的实验曲线,该实验直接证明了爱因斯坦光电效应方程,并且第一次利用光电效应实验测定了普朗克常量h.由图像可知( ).

图4

A.钠的逸出功为hνc

B.钠的截止频率为8.5×1014Hz

C.图中直线的斜率为普朗克常量h

D.遏止电压Uc与入射光频率ν成正比

答案A.

解析根据遏止电压与最大初动能的关系有eUc＝Ekmax.根据光电效应方程有

结合图像可知,当Uc＝0 时,解得钠的逸出功W0＝hνc,选项A 正确;钠的截止频率为νc,根据图像可知,截止频率约为5.5×1014Hz,小于8.5×1014Hz,选项B 错误;结合遏止电压与光电效应方程可解得

由此可知图中直线的斜率表示,选项C 错误;根据遏止电压与入射光的频率关系式可知,遏止电压Uc与入射光频率ν成线性关系,不是成正比,选项D错误.

点评教材中的正文情境素材本身就是很好的原始物理问题,通过实验获取数据,基于证据分析解释得出结论,深度考查理解“光电效应”概念的形成过程和“爱因斯坦光电效应方程”规律的探究过程,引导师生重视基于教材的深度教学活动,帮助学生形成微观世界的量子化观念,体会量子论的建立对人们认识物质世界的影响.

例4(2022年广东卷)一个水平放置的圆柱形罐体内装了一半的透明液体,液体上方是空气,其截面如图5所示.一激光器从罐体底部P点沿着罐体的内壁向上移动,它所发出的光束始终指向圆心O点.当光束与竖直方向成45°角时,恰好观察不到从液体表面射向空气的折射光束.已知光在空气中的传播速度为c,求液体的折射率n和激光在液体中的传播速度v.

图5

点评本题来源于教材中光的“全反射现象”部分,课程标准要求设置演示实验“演示光沿水柱(或弯曲的玻璃柱)的传播”,要求“知道光的全反射现象及产生的条件,初步了解光纤的工作原理、光纤技术在生产生活中的应用”.试题以生活中的材料“圆柱形罐体装了透明液体”为情境考查激光透过液体时的全反射现象,在教材演示实验和做一做的基础上迁移应用到实际问题中,重在考查学生对物理规律的理解和迁移应用能力,以强化基础性,引导教学.

2.3 拓展提高实验

关于教材的编写,课程标准指出无论是内容还是呈现方式皆应遵从科学性原则,还应准确反映课程标准要求的物理概念和规律,正确纳入物理实验,还应科学融入研究方法、科学态度与价值观等内容.所以,教材最大限度地通过观察和实验,得出物理概念和规律,并以正文和拓展学习、做一做、STSE、练习与应用、课题研究等栏目呈现了一些拓展提高类实验.

在以往高考试题中较少出现关于拓展提高实验的试题,在2022年高考中不仅以实验题题型单独考查,还出现了选择题、计算题等考查形式.如在选择题中,全国乙卷第18题考查了手机测地磁场的磁感应强度,湖北卷第4题考查了密立根油滴实验测粒子的电荷量和半径,重庆卷第16(1)题考查了研究水波的传播特点等.在计算题中,全国甲卷第25题考查了光点式检测计测量微小电流,北京卷第2题考查了利用摇绳和传感器测地磁场磁感应强度,广东卷第14、16题分别考查了利用密立根实验测量球形油滴受到的空气阻力的比例系数和利用玻璃瓶简易水深测量装置测量水的深度,重庆卷第13、15题分别考查了探究金属物品在变化磁场中的热效应和探究理想气体的状态变化特性等.

例5(2022年湖北卷)密立根油滴实验装置如图6所示,两块水平放置的金属板分别与电源的正负极相接,板间产生匀强电场.用一个喷雾器把密度相同的许多油滴从上板中间的小孔喷入电场,油滴从喷口喷出时由于摩擦而带电.金属板间电势差为U时,电荷量为q、半径为r的球状油滴在板间保持静止.若仅将金属板间电势差调整为2U,则在板间能保持静止的球状油滴所带电荷量和半径可以为( ).

图6

A.q,r

B.2q,r

C.2q,2r

D.4q,2r

答案D.

解析初始状态下,油滴处于静止状态时,满足qE＝mg,即

当电势差调整为2U时,若油滴的半径不变,则满足

当电势差调整为2U时,若油滴的半径变为2r时,则满足

解得q′＝4q,选项C错误,选项D 正确.

点评本题以密立根油滴实验为素材创设学习探索情境,要求考生利用平衡条件结合选项应用假设法、控制变量法判断在改变电容器电压的情况下,研判球状油滴所带电荷量和半径的关系,考查模型建构、假设推理的科学思维方法.让学生体验科学家做实验的某一环节,提升学生科学探究素养.

例6(2022年北京卷)指南针是利用地磁场指示方向的装置,它的广泛使用促进了人们对地磁场的认识.现代科技可以实现对地磁场的精确测量.

(1)如图7-甲所示,两同学把一根长约10m 的电线两端用其他导线连接一个电压表,迅速摇动这根电线.若电线中间位置的速度约10 m·s-1,电压表的最大示数约2mV,粗略估算该处地磁场磁感应强度的大小B地.

图7

(2)如图7-乙所示,一矩形金属薄片,其长为a,宽为b,厚为c.大小为I的恒定电流从电极P流入、从电极Q流出,当外加与薄片垂直的匀强磁场时,M、N两电极间产生的电压为U.已知薄片单位体积中导电的电子数为n,电子的电荷量为e.求磁感应强度的大小B.

(3)假定(2)中的装置足够灵敏,可用来测量北京地区地磁场磁感应强度的大小和方向,请说明测量的思路.

答案(1)数量级为10-5T.

(3)见解析.

解析(1)由E＝BLv可估算得该处地磁场磁感应强度B地的大小的数量级为10-5T.

(2)设导电电子定向移动的速率为v,Δt时间内通过横截面的电荷量为Δq,有

导电电子定向移动过程中,在MN方向受到的电场力与洛伦兹力平衡,有

(3)建立如图8所示的三维直角坐标系Oxyz.设地磁场磁感应强度在三个方向的分量为Bx、By、Bz.把金属薄片置于xOy平面内,M、N两极间产生电压Uz仅取决于Bz.

图8

根据Bx、By、Bz的大小和方向可确定此处地磁场的磁感应强度的方向.

点评本题第(1)问情境来源于旧教材中的做一做“摇绳能发电吗”,把教材中的定性实验或学生探究活动拓展提升为定量估测实验,体现了试题命制的严谨性和创新性,从而考查学生的科学探究和科学思维核心素养.第(2)问以霍尔元件为背景,在理解霍尔元件工作原理的基础上定量推导间接测量磁感应强度的公式,拓展测磁感应强度的方法,以引导深度学习和综合实践.第(3)问是在第(2)问测量元件的基础上,设计一个测量当地地磁场磁感应强度的实验方案,即相当于写一个简易的实验报告——简述实验原理和实验步骤,以引导对实验教学的突出,抓住实验教学的灵魂.试题以实验为素材情境命制计算题,以磁感应强度这个核心概念为中心,先并列后递进设置开放式情境任务,以考查场的物质观念,以科学探究为手段,在应用观念的过程中考查科学思维和科学态度与责任素养,在落实新课程标准和引导教学等方面,为开发高中跨学科案例提供参考.

(完)