聚焦核心素養 凸顯課改特色
——2018年北京高考物理試題分析

詹 凱 田成良

(1. 首都師范大學附屬中學,北京 100089; 2. 海淀區教師進修學校,北京 100080)

2017年新版物理課程標準明確提出“從物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任”等方面提煉學科育人價值,充分體現學科教學促進學生核心素養發展的獨特作用．[1]2018年北京高考物理考題緊扣核心素養,對考生進行了全面考查．近幾年考試題型的不斷更新,北京高考物理試題凸顯課改特色,變解題為解決問題,由做題轉為做事,切實做到了十九大報告的要求——“落實立德樹人根本任務,發展素質教育”．

1 突出強調物理觀念

新課標中明確指出:物理觀念是從物理學視角形成的關于物質、運動與相互作用、能量等的基本認識,是物理概念和規律等在頭腦中的提煉和升華．“物理觀念”包括物質觀念、運動觀念、相互作用觀念、能量觀念及其應用等要素．

題1.(北京高考卷第23題)如圖1所示,用電動勢為E,內阻為r的電源,向滑動變阻器R供電．改變變阻器R的阻值,路端電壓U與電流I隨之變化．

圖1 圖2

(1) 以U為縱坐標,I為橫坐標,在圖2中畫出變阻器阻值R的變化過程中U-I圖像的示意圖,并說明U-I圖像與兩坐標軸交點的物理意義．

(2) ① 請在圖2畫好的U-I關系圖線上任取一點,畫出帶網格的圖形,以其面積表示此時電源的輸出功率;

② 請推導該電源對外電路能夠輸出的最大功率及條件．

(3) 請寫出電源電動勢定義式,并結合能量守恒定律證明:電源電動勢在數值上等于內、外電路電勢降落之和．

解析： (1) 如圖3所示，其中圖線與U軸交點為電源電動勢E,與I軸交點為短路電流E/r．

圖3 圖4

(2) ① 如圖4所示,陰影部分代表電源輸出功率．

② 電源輸出的電功率為

當外電路電阻R=r時,電源輸出的電功率最大,為

(3) 電動勢定義式

根據能量守恒,在圖1所示電路中,非靜電力做功W產生的電能等于在外電路和內電路產生的電熱,即

W=I2rt+I2Rt=Irq+IRq，

E=Ir+IR=U內+U外，

E=U內+U外.

評析：此題設計精妙,考題一改“測量電源電動勢和內阻”的傳統實驗題套路,變為一道計算加論述的綜合性考題,溯本求源,很好地考查了考生對于該實驗基本原理的深層把握程度．其中第(3)題要求學生“結合能量守恒定律證明:電源電動勢在數值上等于“內、外電路電勢降落之和”．非常好地體現了能量觀在物理學中的重要價值,讓學生意識到閉合電路歐姆定律并不是歐姆定律的簡單延伸,而是能量守恒在電路中的直接體現．

值得注意的是,從2015年的考題開始,北京高考物理計算題中均出現了說明、論證類的考題.這類考查方式非常有效地引導考生要在理解的基礎上掌握物理知識,而不是簡單地照貓畫虎、死記硬背．

2 注重科學建模能力

科學建模能力是科學思維的重要組成部分之一,通過基于經驗事實的模型的構建,可以從物理學視角深入認識客觀事物的本質屬性、內在規律以及相互關系．

圖5

題2.(北京高考卷第24題)(1) 靜電場可以用電場線和等勢面形象描述,如圖5所示．

① 請根據電場強度的定義和庫侖定律推導出點電荷Q的場強表達式;

解析：(1) ① 在距Q為r的位置放一電荷量為q的檢驗電荷．

根據庫侖定律檢驗電荷受到的電場力

根據電場強度的定義

② 穿過兩等勢面單位面積上的電場線條數之比

評析： 此題在考查考生建模能力上下足了功夫.第(1)題由課內所學的“磁通量”概念引出了“通量”這個更大層次的概念,并通過類比磁通量的定義方法,引出了“電通量”的概念,讓在模型建構中實現知識的遷移．第(2)題進一步拓展對“通量”的理解,將其應用于天體的電磁波能量輻射的守恒,有效地測查了考生科學推理與論證的能力．

此外，歷屆河北省青少年科技創新大賽，也少不了濱河路小學同學們的身影。六年來，濱河路小學共上報青少年競賽項目163項，優秀科技實踐活動4份，輔導員創新項目1項，優秀科幻畫128幅。其中，上報項目獲省一等獎6項，二等獎16項，三等獎43項；優秀科技實踐活動獲省一等獎1個，二等獎1個，三等獎2個；優秀科幻畫獲省二等獎5個，三等獎12個。

該題在選材上非常考究．電通量概念在普通物理電磁學中是一個非常重要的概念,與電通量相關的高斯定律最終作為了麥克斯韋方程組的電場散度方程．該題大膽創新,將大學內容下沉至高中生能力范圍,實現中等教育與高等教育的“無縫對接”．

物理概念的類比與擴展,曾經在2015、2016年北京高考中也都出現過．2015年北京高考第23題研究了彈簧的彈性勢能,并在第(3)問設問“為什么不存在與摩擦力對應的‘摩擦力勢能’的概念”;2016年第23題研究了勻強電場對帶電粒子的作用問題,并在第(3)問要求考生“重力場中建立重力勢的概念”．這些試題通過類比的方式,將模型建構、科學推理、科學論證有機地結合在一道考題中,在更高層面考查了考生物理觀念的內化程度．

3 深度考查科學探究能力

圖6

近幾年北京高考實驗題風格鮮明,多以課內實驗或者演示實驗為切入點,從實驗原理、實驗操作、實驗現象解釋與質疑等多方面展開考查,讓學生經歷了設計、操作、觀察、思考、評估與反思等多個思維過程,有效避免了“假實驗、假探究”．這樣的考查方式也促使我們在教學中要注重對于學生科學探究能力的培養,特別是在實驗課中要有意識引導學生發揮主觀能動性,能夠真正經歷提出問題、形成猜想與假設、設計實驗驗證、評估與討論等環節,將培養學生科學探究能力落地生根．

題3.(北京高考第19題)研究與平行板電容器電容有關因素的實驗裝置如圖6所示,下列說法正確的是

(A) 實驗前,只用帶電玻璃棒與電容器a板接觸,能使電容器帶電.

(B) 實驗中,只將電容器b板向上平移,靜電計指針的張角變小.

(C) 實驗中,只在極板間插入有機玻璃板,靜電計指針的張角變大.

(D) 實驗中,只增加極板帶電量,靜電計指針的張角變大,表明電容增大.

答案： (A)．

評析： 此題是研究與平行板電容器電容有關因素的實驗,但在考查方式上比以往深入許多．首先題目條件完全呈現在配圖中,考生需仔細研讀實驗裝置圖．在選項設置方面,(A)選項考查了實驗前的準備工作,(D)選項不僅僅考查了實驗現象,還對該現象做出解釋,檢驗學生的評估能力．該實驗在最新課程標準中被列入了21個“學生必做實驗”中．

4 滲透科學態度與責任

科學態度與責任是指在認識科學本質,認識科學·技術·社會·環境(STSE)關系的基礎上,逐漸形成的探索自然的內在動力,嚴謹認真、實事求是和持之以恒的科學態度,以及遵守道德規范,保護環境并推動可持續發展的責任感．這是我國社會主義核心價值觀教育在物理學科中的具體體現．

題4.[北京高考第21(5)題]早在16世紀末,伽利略就猜想落體運動的速度應該是均勻變化的．當時只能靠滴水計時,為此他設計了如圖7所示的“斜面實驗”,反復做了上百次,驗證了他的猜想．請你結合勻變速直線運動的知識,分析說明如何利用伽利略“斜面實驗”檢驗小球的速度是隨時間均勻變化的．

圖7

解析： 如果小球的初速度為0,其速度v∝t,那么它通過的位移x∝t2．因此,只要測量小球通過不同位移所用的時間,就可以檢驗小球的速度是否隨時間均勻變化．

評析： “伽利略對于自由落體的研究”是人教版教材中獨立的一節內容,今年第21題考查研究勻變速直線運動實驗,其中第(5)小題回顧了伽利略探究自由落體運動的歷史．考題中明確指出了伽利略的猜想、如何設計實驗沖淡重力,要求考生能夠從實驗結果出發反推猜想正確與否．整個實驗過程強調嚴謹的科學態度,不迷信、不盲從、從實際出發的科學精神,在潛移默化中滲透了價值觀的教育．

5 弘揚民族精神提升自豪感

新版物理課程標準明確提出“注重于生產生活、現代社會及科技發展的聯系,反映當代科學技術發展的重要成果和科學思想,同時關注物理學的技術應用帶來的社會問題”．2018年北京高考物理考題在選材與立意上突出體現了鮮明的時代感．

第22題以2022年冬奧會為背景,由跳臺滑雪項目導入情境,研究了斜面上的運動與力的關系．奧運會的召開再一次增強了民族自信心．第24題則以2016年在貴州建成的“天眼”為主題進行考查．

題5.[北京高考第24(2)題]觀測宇宙中輻射電磁波的天體,距離越遠單位面積接收的電磁波功率越小,觀測越困難．為了收集足夠強的來自天體的電磁波,增大望遠鏡口徑是提高天文觀測能力的一條重要途徑．2016年9月25日,世界上最大的單口徑球面射電望遠鏡FAST在我國貴州落成啟用．被譽為“中國天眼”．FAST直徑為500 m,有效提高了人類觀測宇宙的精度和范圍．

① 射直徑為100 m的望遠鏡能夠接收到的來自某天體的電磁波功率為P1,計算FAST能夠接收到的來自該天體的電磁波功率P2．

② 在宇宙大尺度上,天體的空間分布是均勻的．僅以輻射功率為P的同類天體為觀測對象,設直徑為100 m望遠鏡能夠觀測到的此類天體數目是N0,計算FAST能夠觀測到的此類天體數目N.

解析： ① 地球上不同望遠鏡觀測同一天體,單位面積上接收的功率應該相同,因此

② 在宇宙大尺度上,天體的空間分布是均勻的．因此,一個望遠鏡能觀測到的此類天體數目正比于以望遠鏡為球心、以最遠觀測距離為半徑的球體體積．

設地面上望遠鏡能觀測到此類天體需收集到的電磁波的總功率的最小值為P0,直徑為100 m望遠鏡和FAST能觀測到的最遠

距離分別為L0和L,則

可得L=5L0.則

評析： “中國天眼”由我國天文學家南仁東于1994年提出構想,歷時22年建成,舉世矚目、功成名就,是我國科技史上的輝煌篇章．本題從天眼觀測天體的實際問題出發,考生在解題時能切實感受到了我國科技發展的飛速進步,體會到天眼工程的竣工使宇宙學研究精度和范圍得到巨大提升,讓學生真正理解科技興國的意義,民族自豪感油然而生．南仁東工程師臥薪嘗膽、不畏艱辛、不求名利,個中科學精神值得代代傳頌．

縱覽2018年的北京考題,從伽利略的自由落體研究,到牛頓的蘋果落地;從天眼的建成并投入使用,到即將舉辦的冬奧會,博古論今、中外薈萃,為我們展示了一個豐富多彩、立體化的物理學．讓我們在此體會到物理學在推動人類進步與發展中的巨大作用．

6 總結

2018年北京高考物理考試穩中求變,內容豐富且時代感強,緊扣物理學科核心素養,充分落實了新頒布的課程標準．考題試卷結構、整體難度保持穩定性,在設問角度、小題數量等細節方面也做了大膽的嘗試與創新．試題難度結構合理,基礎題、綜合體分值分配得當．從考題中我們得到啟示:在教學中我們必須落實學科核心素養的培養,要注重基礎內容的牢固性,注重從實際中來、到實際中去的物理學習方法,為學生終身發展打下堅實的基礎．