物理選考試題與學科核心素養

陶漢斌

(浙江省金華第一中學 321015 )

2021年浙江省1月與6月的兩次選考物理，試題亮點很多，特別是中國元素、中國科技和傳統文化.比如在1月選考物理試題集中展示了我國取得的科技成就(九章、奮斗者、嫦娥五號、托卡馬克核聚變)，也及時回應了社會關注的熱點(芯片問題)，體現了物理源自生產生活的理念(滑雪2題，汽車2題，摘松果1題).在6月選考物理試題中的第1題的背景是5月17日《自然》報道中國科學家探測到迄今為止最高能量的γ射線，第4題是5月15日天問一號著陸器成功著陸火星表面的場景，第8題是大功率微波在軍事上應用，第14題是可控核聚變，第22題是空間站的離子推進器.再如第17(1)題“驗證機械能守恒定律”，不同于常規設問，而是基于學生易錯的操作來設置問題；第18(2)題在伏安法測電阻的基礎上，設置了一種比較新穎的測電阻方法，間接考查了儀器最小分度對測量誤差的影響.這些試題有利于學生關注科學前沿、重視探究和增強創新意識，考查了學生的物理核心素養.學生解題的關鍵是在物理背景比較復雜的情境下，建立正確的物理模型，而一旦模型建好之后，物理模型是簡潔，數學也是簡單的.

一、重視基礎，考查物理觀念

選考物理試題必須突出對物理基本概念與基本規律的考查，這才是物理的本真.抓基礎就抓住了高考，因為越基礎的知識對新問題的適應性就越廣，遷移能力就越強.你成績好，說明你基礎知識比較扎實，越難的題目分數越少，這是歷年出題的原則，每年都這樣.這些以雙基知識為背景的試題，突出考查了物理核心素養中的四大物理觀念——物質觀、相互作用觀、運動觀和能量的觀念，物理觀念是物理概念和規律等在頭腦中的提煉和升華.

例1(2021．1第2題)如圖1所示，2020年12月我國科學家在量子計算領域取得了重大成果，構建了一臺76個光子100個模式的量子計算機“九章”，它處理“高斯玻色取樣”的速度比目前最快的超級計算機“富岳”快一百萬億倍.關于量子，下列說法正確的是( ).

圖1

A.是計算機運算的一種程序

B.表示運算速度的一個單位

C.表示微觀世界的不連續性觀念

D.類似于質子、中子的微觀粒子

解析量子的觀念是普朗克為解釋黑體輻射提出的表示微觀世界的不連續性的觀念，是一種觀念.量子不是表示類似于質子、中子的微觀粒子，不是計算機運算的一種程序，也不是表示運算速度的一個單位.本題正確選項是C.

點評量子的觀念表達的是微觀世界的不連續性，比如電荷電量的量子化，又如光子說中能量量子化理論，玻爾原子模型中軌道量子化理論.

例2 (2021．6第6題)某書中有如圖2所示的圖，用來表示橫截面是“<”形導體右側的電場線和等勢面，其中a、b是同一條實線上的兩點，c是另一條實線上的一點，d是導體尖角右側表面附近的一點.下列說法正確的是( ).

圖2

A.實線表示電場線

B.離d點最近的導體表面電荷密度最大

C.“<”形導體右側表面附近電場強度方向均相同

D.電荷從a點到c點再到b點電場力做功一定為零

解析處于靜電平衡的導體，是個等勢體，則整個導體為等勢體，由于電場線方向總是與等勢面垂直，所以實線不是電場線，是等勢面，則A錯誤；根據等勢面的疏密表示場強的強弱，則d點的場強較弱，并且電場強度越大的地方電荷密度越大，所以B錯誤；在“<”形導體右側表面上下部分附近電場強度方向不相同，所以C錯誤；由于a、b在同一等勢面上，則電荷從a點到c點再到b點電場力做功一定為零，所以D正確.本題正確選項為D.

點評本題以靜電場為背景，考查了電場也是客觀存在的物質，可分別從力與能量的角度描述電場.我們引入了電場線和等勢線形象直觀地表達，考查了學生對電場物質觀和能量觀的理解.

2 深度學習，提升科學思維

物理深度學習主旨就是讓學生感受深度學習的過程，以真正引領學生的科學思維，提升選考物理的成績.走向核心素養的深度學習，是指在教師引領下，學生圍繞著具有挑戰性的學習主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發展的有意義的學習過程.現在有相當一部分選考物理的考生，通過大量刷題尋找解題的機械套路，他們學到了一些超級好用的“定理”、“推論”，這只是淺層的學習，結果在物理選考中結論套用發揮失常.我們應該主動地讓學生回歸到最基礎的物理知識，回歸到物理的本源去認知物理概念與物理規律.

“科學思維”主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素.選考物理試題大多以實際問題為背景，每個題目都戴了一個“帽子”，要求學生用清晰的物理觀念，分析物理對象和過程中的關鍵特征和主要因素，建立合適的物理模型，在此基礎上通過科學推理、科學論證和質疑創新等多種思維方式解決問題，突出了對核心素養的考查.

例3 (2021．1第16題)如圖3甲所示中的發電機的示意圖，邊長為L的正方形金屬框，在磁感應強度為B的勻強磁場中以恒定角速度繞OO'軸轉動，阻值為R的電阻兩端的電壓如圖3乙所示.其它電阻不計，圖3乙中的Um為已知量.則金屬框轉動一周( ).

圖3

A.框內電流方向不變

B.電動勢的最大值為Um

C.流過電阻的電荷量q=2BL2/R

D.電阻產生的焦耳熱Q=πUmBL2/R

點評這其實是一個直流發電機的模型，線圈內部產生的是正弦交流電，而輸出的是直流電.考查學生遷移能力、建模能力和分析推理能力.

例4 (2021．6第6題)大功率微波對人和其他生物有一定的殺傷作用.實驗表明，當人體單位面積接收的微波功率達到250W/m2時會引起神經混亂，達到1000W/m2時會引起心肺功能衰竭.現有一微波武器，其發射功率P=3×107W.若發射的微波可視為球面波，則引起神經混亂和心肺功能衰竭的有效攻擊的最遠距離約為( ).

A. 100m 25m B. 100m 50m

C. 200m 100m D. 200m 50m

則引起神經混亂時有

引起心肺功能衰竭時有

所以B正確；ACD錯誤,本題正確選項為B.

點評本題以大功率微波的應用為背景，構建球狀的輻射模型，考查了模型建構和科學推理的能力.

3 拓展創新，引領科學探究

浙江省以往的實驗題總是從認識器材、選擇器材、實驗操作、數據處理、誤差分析五個方面來出題的.現在就是想進行實驗拓展與創新，有拓展的小設計，目的就是想改變一下浙江省實驗考查的風格，考查實驗素養，引領科學探究.“科學探究”主要包括問題、證據、解釋、合作與交流等要素.

實驗要有靈活性，就是要在課本實驗的基礎上我們怎么樣稍微變一下，不是實驗的完全設計.2021.1月的光學實驗題從四根大頭針到三根大頭針的拓展，第18題電學實驗讓學生畫出測電動勢與內阻的原理電路圖.閱卷時我們發現，此題得分是相當低的，這個實驗拓展，其實一個電路圖書上是有的，又沒叫你算量程，也沒叫你電路連線，就僅僅畫原理圖而已.有電流表有電阻箱，可學生就沒有意識到電表的改裝.2021.6月實驗考題中“驗證機械能守恒定律”，不同于常規設問，而是基于學生易錯的操作設置問題.電學實驗題是在伏安法測電阻的基礎上，設置了一種比較新穎的測電阻方法，間接考查了儀器最小分度對測量誤差的影響.

例5(2021．1第18題)在“測定電池的電動勢和內阻”實驗中， ①用如圖4甲所示的電路圖測量，得到的一條實驗數據擬合線如圖4乙所示，則該電池的電動勢E=____V(保留3位有效數)；內阻r=____(保留2位有效數字).

圖4

②現有如圖5所示的實驗器材，照片中電阻箱阻值可調范圍為0～99992，滑動變阻器阻值變化范圍為0～10Ω，電流表G的量程為0～3mA、內阻為200Ω，電壓表的量程有0～3V和0～15V.請在圖5中選擇合適的器材，在答題紙相應方框中畫出兩種測定一節干電池的電動勢和內阻的電路圖.

圖5

解析①根據閉合電路歐姆定律得U=E-Ir，將題干中得圖線延長與橫縱軸分別相交，如圖6.

可知圖像與縱軸交點即為電動勢，即E=1.46V.

②電流表量程太小，使用電阻箱和電壓表代替電流表進行測量，電路圖如圖7.

圖7

也可以通過電阻箱改裝電流表，擴大電流表得量程，實現電流得測量，電路圖如圖8.

圖8

I為改變量程之后的電流表示數，根據閉合電路歐姆定律E=U+Ir

可以繪制U-I圖像求解電動勢和內阻.

點評實驗題就是要在課本實驗的基礎上進行拓展與創新.有電流表有電阻箱，可學生就沒有意識到先進行電表的改裝，這些試題有利于學生關注科學前沿、重視探究和增強創新意識.

例6 (2021．6第17題)在“驗證機械能守恒定律”實驗中，小王用如圖9甲所示的裝置，讓重物從靜止開始下落，打出一條清晰的紙帶，其中的一部分如圖9乙所示.O點是打下的第一個點，A、B、C和D為另外4個連續打下的點.

圖9

①為了減小實驗誤差，對體積和形狀相同的重物，實驗時選擇密度大的理由是____.

②已知交流電頻率為50Hz，重物質量為200g，當地重力加速度g=9.80m/s2，則從O點到C點，重物的重力勢能變化量的絕對值|ΔEp|=____J、C點的動能EkC=____J(計算結果均保留3位有效數字).比較EkC與|ΔEp|的大小，出現這一結果的原因可能是____.

A.工作電壓偏高

B.存在空氣阻力和摩擦力

C.接通電源前釋放了紙帶

解析①在驗證機械能守恒實驗時阻力越小越好，因此密度大的阻力與重力之比更小.

②由圖9乙中可知OC之間的距離為xOC=27.90cm，因此機械能的減少量為

|ΔEp|=mgxOC=0.2×9.8×0.2790J=0.547J

勻變速運動時間中點的速度等于這段時間的平均速度，因此

因此動能的增加量為

工作電壓偏高不會影響實驗的誤差，存在摩擦力會使重力勢能的減少量大于動能的增加量，只有提前釋放了紙帶，紙帶的初速度不為零，下落到同一位置的速度偏大才會導致動能的增加量大于重力勢能的減少量.

點評在這個實驗中由于存在阻力，在常規的設問中都是重力勢能的減小量大于動能的增加量.而本題不同于常規設問，而是基于學生易錯的操作設置的問題，讓學生尊重實驗事實，用物理原理進行科學的分析，充分考查了科學探究中的問題、證據、解釋、合作與交流等物理素養.

4 立德樹人，培養科學精神

選考物理試題以我國近年來重大工程和科技成就為背景，充分展示中國元素.如第1題展示了中國科學家首次探測到最高能量的γ射線，第11題以泵車為例展示中國制造成就，第19題以機動車禮讓行人為背景展示中國公民素養，第3題的火箭發射場景、第4題天問一號著陸火星和第22題的空間站離子推進器展示了中國航天事業所取得的成就.這些試題有利于激發學生的愛國情懷，有利于培養學生的科學精神.

在科學發展的過程中，深深地蘊涵著科學家充滿人文主義的科學態度和科學精神.中國人正是發揚了“兩彈一星”精神和航天精神，從第一顆原子彈、第一枚導彈、第一顆人造地球衛星到第一艘“神舟”飛船，從神五、神六號截人飛船的成功發射到嫦娥一號探月行動的成功，天問一號火星探測器，神舟十二號3名航天員進駐天和核心艙，中國航天總是以“勇于攀登”、不斷進取的精神，一步步地邁向航天科學技術的高峰.

例7 (2021．1第14題)如圖10所示是我國全超導托卡馬克核聚變實驗裝置.2018年11月，該裝置實現了1×108℃等離子體運行等多項重大突破，為未來和平利用聚變能量邁出了重要一步.關于核聚變，下列說法正確的是( ).

圖10

A.聚變又叫熱核反應

B.太陽就是一個巨大的熱核反應堆

C.高溫能使原子核克服核力而聚變

D.對相同質量的核燃料，輕核聚變比重核裂變產能多

解析聚變又叫熱核反應，選項A正確；太陽就是一個巨大的熱核反應堆，選項B正確；要使輕核發生聚變，必須使它們的距離達到10-15m以內，核力才能起作用，那么熱核反應時要將輕核加熱到很高的溫度，使它們具有足夠的動能來克服核力而聚變在一起形成新的原子核，即高溫能使輕核克服核力而聚變，但不是能使所有的原子核克服核力而聚變，選項C錯誤；對相同質量的核燃料，輕核聚變比重核裂變產能多，選項D正確.故本題正確選項為ABD.

點評實現可控核聚變是我們的中國夢，在不久的將來即將實現，到那時也就沒有能源危機了，這情境大大激發了學生的愛國情懷，充分展示中國科技與中國元素，增強學生的愛國主義精神.

例8 (2021．1第20題)機動車禮讓行人是一種文明行為.如圖11所示，質量m=1.0×103kg的汽車以v1=36km/h的速度在水平路面上勻速行駛，在距離斑馬線s=20m處，駕駛員發現小朋友排著長l=6m的隊伍從斑馬線一端開始通過，立即剎車，最終恰好停在斑馬線前.假設汽車在剎車過程中所受阻力不變，且忽略駕駛員反應時間.

圖11

(1)求開始剎車到汽車停止所用的時間和所受阻力的大小；

(2)若路面寬L=6m，小朋友行走的速度v0=0.5m/s，求汽車在斑馬線前等待小朋友全部通過所需的時間；

(3)假設駕駛員以v2=54m/h超速行駛，在距離斑馬線s=20m處立即剎車，求汽車到斑馬線時的速度.

解得剎車時間t1=4s

根據牛頓第二定律Ff=ma

解得Ff=2.5×103N

等待時間t=t2-t1=20s

點評走進社會，走進生活中的物理，本題以機動車禮讓行人為背景展示中國公民的基本素養.立德樹人，增強國家民族自信心，這是培養人的基本準則和目標.