基于學(xué)科核心素養(yǎng)的高考物理圖像類試題探析

王 剛

(邯鄲市教育科學(xué)研究所 河北 邯鄲 056002)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》以核心素養(yǎng)為統(tǒng)領(lǐng)，提倡培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，促進(jìn)學(xué)生系統(tǒng)掌握各學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能、基本方法，培養(yǎng)適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展所需要的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力.2019年11月教育部考試中心制定的《中國高考評(píng)價(jià)體系》正式出版，提出要立足全面發(fā)展育人目標(biāo)，明確構(gòu)建包括“核心價(jià)值、學(xué)科素養(yǎng)、關(guān)鍵能力、必備知識(shí)”在內(nèi)的高考考查內(nèi)容體系[1].物理學(xué)科核心素養(yǎng)是物理學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度和責(zé)任”4個(gè)方面的要素[2].為適應(yīng)新時(shí)代對人才的要求，高考命題必將參考高考評(píng)價(jià)體系的框架，依據(jù)高中課程標(biāo)準(zhǔn)，聚焦學(xué)科核心素養(yǎng)形成與發(fā)展，充分發(fā)揮物理學(xué)在育人中的獨(dú)特作用和價(jià)值，促進(jìn)學(xué)生形成正確的物理觀念，掌握科學(xué)的思維方法，具備探究和解決問題的能力，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生正確認(rèn)識(shí)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境的關(guān)系，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣，培養(yǎng)實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，形成正確的價(jià)值觀，為學(xué)生的終身發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，從而落實(shí)立德樹人根本任務(wù)[3].

物理規(guī)律的描述往往采用3種基本形式，即語言文字?jǐn)⑹觥?shù)學(xué)函數(shù)公式和物理圖像.物理圖像是一種特殊且形象的語言和工具，在中學(xué)物理中應(yīng)用廣泛.物理圖像是數(shù)形結(jié)合的產(chǎn)物，能夠形象地表述物理規(guī)律，簡潔地揭示出相關(guān)物理量之間的關(guān)系及變化趨勢，同時(shí)把抽象的物理規(guī)律轉(zhuǎn)化成直觀的圖形.就物理圖像考查的要求，考試說明中明確提出：要能夠?qū)ξ锢硪?guī)律、狀態(tài)和過程在理解的基礎(chǔ)上用合適的圖像表示出來，會(huì)用圖像處理物理問題[4].圖像類問題在歷年的高考真題和考綱說明的題型示例中出現(xiàn)的頻率都很高，比如2019年高考全國Ⅰ卷理綜第20,21,25,34(1)題，Ⅱ卷第14,18,19,21,23,25,33(1),34(1)題，Ⅲ卷第17,19,20題，2019年考綱說明題型示例中的例題4,6,10,14,16,19,21,23等都是考查圖像的題目.基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的視角，對2019年高考試題和考綱說明題型示例中涉及圖像的典型題目進(jìn)行分析與思考是十分必要的，可以為圖像教學(xué)中提升學(xué)生核心素養(yǎng)提供參考.

1 以實(shí)際拋體運(yùn)動(dòng)的v-t圖像考查物理觀念

【例1】(2019年高考全國新課標(biāo)Ⅱ卷理綜第19題)如圖1(a)所示，在跳臺(tái)滑雪比賽中，運(yùn)動(dòng)員在空中滑翔時(shí)身體的姿態(tài)會(huì)影響下落的速度和滑翔的距離.某運(yùn)動(dòng)員先后兩次從同一跳臺(tái)起跳，每次都從離開跳臺(tái)開始計(jì)時(shí)，用v表示他在豎直方向的速度，其v-t圖像如圖1(b)所示，t1和t2是他落在傾斜雪道上的時(shí)刻.則( )

(a)

A．第二次滑翔過程中在豎直方向上的位移比第一次的小

B．第二次滑翔過程中在水平方向上的位移比第一次的大

C．第二次滑翔過程中在豎直方向上的平均加速度比第一次的大

D．豎直方向速度大小為v1時(shí)，第二次滑翔在豎直方向上所受阻力比第一次的大

評(píng)析：本題以冬奧會(huì)跳臺(tái)滑雪項(xiàng)目為背景，考查學(xué)生運(yùn)用物理概念和規(guī)律解決實(shí)際運(yùn)動(dòng)中的相關(guān)問題，引導(dǎo)考生關(guān)注體育運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)體育鍛煉的意識(shí).題目給出運(yùn)動(dòng)員先后兩次空中滑翔時(shí)在豎直方向上的速度-時(shí)間圖像，考查考生對運(yùn)動(dòng)相關(guān)物理觀念與圖像中數(shù)學(xué)元素對應(yīng)關(guān)系的理解.運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題能力的高低，往往取決于學(xué)生將情境與知識(shí)相聯(lián)系的水平.能不能把問題中的實(shí)際情境轉(zhuǎn)換成解決問題的物理情境，建立相應(yīng)的物理模型，這是應(yīng)用物理觀念思考問題、應(yīng)用物理知識(shí)分析并解決問題的關(guān)鍵.考生需要從速度-時(shí)間圖像中讀取所需的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并理解速度-時(shí)間圖像中圖線與時(shí)間軸所圍圖形的面積表示位移、圖像上某點(diǎn)切線的斜率表示該時(shí)刻加速度的大小等重要含義，結(jié)合牛頓第二定律分析求解.

在圖像教學(xué)中，要讓學(xué)生正確識(shí)別圖像中橫縱坐標(biāo)分別代表的物理量是什么，以便清晰它們之間變化的關(guān)系，徹底搞清楚圖像中的點(diǎn)、線、斜率、截距、面積具有的物理意義，從而將圖像描述的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為生動(dòng)的運(yùn)動(dòng)情境，再運(yùn)用相關(guān)物理規(guī)律對具體問題進(jìn)行分析求解.

2 以碰撞物體的v-t圖像考查科學(xué)思維

【例2】(2019年高考全國新課標(biāo)Ⅰ卷理綜第25題)豎直面內(nèi)一傾斜軌道與一足夠長的水平軌道通過一小段光滑圓弧平滑連接，小物塊B靜止于水平軌道的最左端，如圖2(a)所示.t=0時(shí)刻，小物塊A在傾斜軌道上從靜止開始下滑，一段時(shí)間后與B發(fā)生彈性碰撞(碰撞時(shí)間極短)；當(dāng)A返回到傾斜軌道上的P點(diǎn)(圖中未標(biāo)出)時(shí)，速度減為零，此時(shí)對其施加一外力，使其能在傾斜軌道上保持靜止.物塊A運(yùn)動(dòng)的v-t圖像如圖2(b)所示，圖中的v1和t1均為未知量.已知A的質(zhì)量為m，初始時(shí)A與B的高度差為H，重力加速度大小為g，不計(jì)空氣阻力.

(a)

(1)求物塊B的質(zhì)量；

(2)在圖2(b)所描述的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，求物塊A克服摩擦力所做的功；

(3)已知兩物塊與軌道間的動(dòng)摩擦因數(shù)均相等.在物塊B停止運(yùn)動(dòng)后，改變物塊與軌道間的動(dòng)摩擦因數(shù)，然后將A從P點(diǎn)釋放，一段時(shí)間后A剛好能與B再次碰上.求改變前后動(dòng)摩擦因數(shù)的比值.

評(píng)析：本題以兩個(gè)物塊的碰撞為背景，將斜面上的勻變速運(yùn)動(dòng)、碰撞等不同形式的運(yùn)動(dòng)有機(jī)地融合在一起，要求考生能夠分析復(fù)雜的物理過程，突出了對模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等科學(xué)思維的考查.題目通過呈現(xiàn)物塊A碰撞前后的速度-時(shí)間圖像，將常見的碰撞問題推陳出新，設(shè)置的3個(gè)問題梯度明顯，側(cè)重考查信息提取和加工能力.學(xué)生不僅要從圖像中獲取物塊A運(yùn)動(dòng)的信息，還需要分析物塊A與B的運(yùn)動(dòng)情況.從物塊A碰撞前后的速度-時(shí)間圖像中提取出物塊A碰撞前后的速度這一重要信息，運(yùn)用能量守恒和動(dòng)量守恒定律對物塊A與B的相互作用進(jìn)行科學(xué)論證和分析，從而得出物塊B的質(zhì)量，以及碰后物塊B的運(yùn)動(dòng)特征.運(yùn)用功能關(guān)系和動(dòng)能定理可以分析出物塊A克服摩擦力所做功的情況.第三問通過改變摩擦因數(shù)，進(jìn)一步分析A與B的運(yùn)動(dòng)情況.從整個(gè)過程來看，題中A的運(yùn)動(dòng)過程為沿斜面勻加速運(yùn)動(dòng)、A與B的彈性碰撞、沿斜面向上的勻減速運(yùn)動(dòng)(摩擦因數(shù)為μ1)、靜止一段時(shí)間、沿斜面向下的勻加速運(yùn)動(dòng)和水平面上的勻減速運(yùn)動(dòng)(摩擦因數(shù)為μ2)；B的運(yùn)動(dòng)過程為彈性碰撞和水平面上的勻減速運(yùn)動(dòng)(摩擦因數(shù)為μ2).

在圖像教學(xué)中，要注重學(xué)生的模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等能力的培養(yǎng).從物理圖像中提取有效信息，明晰題中所涉及的物理狀態(tài)、物理過程和物理情境，在此基礎(chǔ)上對物理問題進(jìn)行具體的分析和研究，抓住問題的主要因素和相關(guān)條件，建立合適的物理模型，從而將一個(gè)復(fù)雜的問題分解為若干較為簡單的問題，并找出它們之間的聯(lián)系，運(yùn)用合適的物理知識(shí)綜合解決問題，從而提升學(xué)生科學(xué)思維的水平.

3 以不同星球上物體的a-x圖像考查科學(xué)探究

【例3】(2019年高考全國新課標(biāo)Ⅰ卷理綜第21題)在星球M上將一輕彈簧豎直固定在水平桌面上，把物體P輕放在彈簧上端，P由靜止向下運(yùn)動(dòng)，物體的加速度a與彈簧的壓縮量x間的關(guān)系如圖3中實(shí)線所示.在另一星球N上用完全相同的彈簧，改用物體Q完成同樣的過程，其a-x關(guān)系如圖3中虛線所示.假設(shè)兩星球均為質(zhì)量均勻分布的球體.已知星球M的半徑是星球N的3倍，則( )

圖3 例3題圖

A.M與N的密度相等

B.Q的質(zhì)量是P的3倍

C.Q下落過程中的最大動(dòng)能是P的4倍

D.Q下落過程中彈簧的最大壓縮量是P的4倍

評(píng)析：題目以典型的彈簧模型為背景，要求考生能把生活中常見的情境順利遷移到某一星球，同時(shí)以a-x圖像呈現(xiàn)信息，考查學(xué)生信息提取、加工及應(yīng)用的能力.物理情境和設(shè)問都比較新穎，題中所蘊(yùn)含的物理規(guī)律也比較隱蔽，從而避免了學(xué)生在解題過程中直接套用公式，較好地考查了學(xué)生建立物理模型、靈活運(yùn)用物理知識(shí)分析問題和解決問題的高階認(rèn)知能力.需要將圖像還原為問題情境，并結(jié)合物體加速度和彈簧壓縮量之間關(guān)系的圖像，綜合運(yùn)用萬有引力定律、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、功能關(guān)系等主干知識(shí)來解決問題.題中的彈簧振子，其運(yùn)動(dòng)情況是先加速再減速，具有運(yùn)動(dòng)的對稱性，中間位置加速度為零，速度最大.根據(jù)此特點(diǎn)可知，P下落過程中彈簧最大壓縮量為2x0，Q下落過程中彈簧最大壓縮量為4x0，因此Q下落過程中彈簧的最大壓縮量是P的2倍.從題目所給a-x圖像中抽取隱含信息可以得到兩個(gè)星球上的重力加速度大小，利用中間加速度為零可以分析出Q的質(zhì)量是P的3倍.關(guān)于P和Q下落過程中的最大動(dòng)能，需要考生根據(jù)已有的變力做功知識(shí)來求解，恰好題目中F-x是線性變化的，求解也很方便.也可以運(yùn)用圖像面積來思考問題，F(xiàn)-x的面積表示功，圖像與x軸圍成的面積若乘以質(zhì)量m即為合外力F對物體所做的功.本題運(yùn)動(dòng)模型經(jīng)典，考查面很廣，命題立意高，解題的過程需要考生經(jīng)歷一個(gè)科學(xué)探究過程，體現(xiàn)出對學(xué)生科學(xué)探究能力的考查.

4 以“殲15”著艦的運(yùn)動(dòng)圖像考查科學(xué)態(tài)度和責(zé)任

【例4】(2019年高考考綱說明題型示例例題14)2012年11月，“殲15”艦載機(jī)在“遼寧號(hào)”航空母艦上著艦成功.圖4(a)為利用阻攔系統(tǒng)讓艦載機(jī)在飛行甲板上快速停止的原理示意圖.飛機(jī)著艦并成功鉤住阻攔索后，飛機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)立即關(guān)閉，阻攔系統(tǒng)通過阻攔索對飛機(jī)施加一作用力，使飛機(jī)在甲板上短距離滑行后停止.某次降落，以飛機(jī)著艦為計(jì)時(shí)零點(diǎn)，飛機(jī)在t=0.4 s時(shí)恰好鉤住阻攔索中間位置，其著艦到停止的速度—時(shí)間圖線如圖4(b)所示.假如無阻攔索，飛機(jī)從著艦到停止需要的滑行距離約為1 000 m.已知航母始終靜止，重力加速度的大小為g.則( )

(a)

B.在0.4～2.5 s時(shí)間內(nèi)，阻攔索的張力幾乎不隨時(shí)間變化

C.在滑行過程中，飛行員所承受的加速度大小會(huì)超過2.5 g

D.在0.4～2.5 s時(shí)間內(nèi)，阻攔系統(tǒng)對飛機(jī)做功的功率幾乎不變

評(píng)析：題目緊密聯(lián)系我國自主研制的“殲15”艦載機(jī)在“遼寧號(hào)”航空母艦上著艦成功的事實(shí)，要求考生抓住情境的核心要素構(gòu)建物理模型，依據(jù)v-t圖像求解位移、估算加速度，按照力的合成、功率、力和速度的關(guān)系進(jìn)行定性判斷.能正確識(shí)圖，并從圖像中提取所需的信息，是解決此類問題的關(guān)鍵.試題突出了應(yīng)用性，發(fā)揮了引導(dǎo)教學(xué)的作用，引導(dǎo)學(xué)生將物理概念、物理規(guī)律與國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、科學(xué)技術(shù)進(jìn)步、生產(chǎn)生活實(shí)際緊密聯(lián)系起來，關(guān)注我國航海事業(yè)的大發(fā)展，體會(huì)物理學(xué)在實(shí)際生活中的應(yīng)用價(jià)值，增強(qiáng)學(xué)生的民族自信心和自豪感，以實(shí)現(xiàn)立德樹人的根本任務(wù).

5 結(jié)束語

圖像教學(xué)過程中，教師創(chuàng)設(shè)恰當(dāng)?shù)奈锢砬榫常龑?dǎo)學(xué)生關(guān)注社會(huì)進(jìn)步和科學(xué)發(fā)展，讓學(xué)生運(yùn)用已有的物理知識(shí)和方法解決實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用、知行合一的意識(shí)和躬身實(shí)踐的能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，并逐漸形成探索自然的內(nèi)在動(dòng)力，培育嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是和持之以恒的科學(xué)態(tài)度，明確自己的科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任[3].2019年考綱中明確提出：試題注意物理知識(shí)在日常學(xué)習(xí)生活、生產(chǎn)勞動(dòng)實(shí)踐等方面的廣泛應(yīng)用，大力引導(dǎo)學(xué)生從“解題”向“解決問題”轉(zhuǎn)變[5].高考強(qiáng)調(diào)學(xué)以致用，試題的應(yīng)用性主要體現(xiàn)在對學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題能力的考查，這一點(diǎn)需要廣大師生給予足夠的關(guān)注.

能運(yùn)用幾何圖形、函數(shù)圖像對具體物理問題進(jìn)行分析與表達(dá)，是學(xué)生關(guān)鍵能力的表現(xiàn)之一.2019年高考物理試題注重利用圖像呈現(xiàn)豐富的物理信息，增加試題信息的廣度，要求學(xué)生能夠從圖像中獲取信息，建立文字、圖像等不同信息呈現(xiàn)方式之間的聯(lián)系，從而構(gòu)建正確的物理圖景，考查學(xué)生的信息加工、邏輯推理等關(guān)鍵能力[6].圖像教學(xué)中，必須要讓學(xué)生深刻理解物理圖像中坐標(biāo)軸、點(diǎn)(坐標(biāo)原點(diǎn)、圖線上的任意點(diǎn)以及可能的圖線交點(diǎn))、線(反映出物理量之間的關(guān)系，即物理規(guī)律)、面(圖像中圖線與坐標(biāo)軸所包圍的面積，常常表示另外一個(gè)物理量的大小)、斜率(表示兩物理量增量的比值，反映該點(diǎn)處一個(gè)量隨另一個(gè)量變化的快慢)、截距(包括橫截距和縱截距)的正確含義，明確圖像所描述的物理狀態(tài)、物理過程和物理情景等信息，進(jìn)而運(yùn)用已有的物理規(guī)律靈活解決相關(guān)問題.要注意對學(xué)生物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等科學(xué)素養(yǎng)的培育和養(yǎng)成，爭取早日適應(yīng)高考改革的趨勢.