突出情境,立足素養,激發思維
——2023年高考江蘇卷物理試題賞析

■江蘇省六合高級中學 傅明峰

2023 年高考江蘇卷物理試題延續去年的命題特點,體現素養立意,注重夯實基礎,豐富問題情境,廣泛選取素材,突出思維考查,有利于激發考生崇尚科學、探索未知的興趣,提升物理學科核心素養。

試題印象:從考查方向來看,基礎題比重較大,基礎和能力寓于情境題之中;從考查內容來看,知識覆蓋面比較廣,重點知識重點考查(從近三年高考的命題特點來看,涉及動量的題目比較簡單,沒有涉及動量守恒和能量守恒,這是因為解兩個守恒聯立的二元二次方程很費時);從考查能力來看,主要考查理解能力和分析問題的能力;從試卷布局來看,選擇題11道,實驗題1道,計算題4道,選擇題裁剪了素材后題干簡短,計算題的題干也不算長,較好地控制了閱讀量。

一、2023年高考試題的兩大亮點

亮點1:試題頗有禪意

“看山不是山,看山還是山”,原是指佛家所說的悟道之深淺,最初境界是看什么就是什么沒有深度,然后能夠看透本質看山不再是山,如庖丁不見全牛一般,最后又返璞歸真看山依然是山。選擇題第10 題就是對這句話的物理解讀。

例1(第10題)達·芬奇的手稿中描述了這樣一個實驗:一個罐子在空中沿水平直線向右做勻加速運動,沿途連續漏出沙子。若不計空氣阻力,則圖1 中能反映空中沙子排列的幾何圖形是( )。

分析:這道題源自教材人教版(2019)必修第二冊第五章《拋體運動》“復習與提高”A組第5 題,這個相對運動問題在合格性考試中經常考,然而我們在學習了等效重力場模型后,就會發現這道題又似乎有了等效重力場模型的影子。初看這道題目馬上就會想到在一個勻加速運動的車廂中懸掛一個小球的情景,小球的運動情況、受力規律都與懸掛在靜止支架上的小球相似,只不過這里的等效重力加速度是車廂的對地加速度的反加速度(非慣性力)與重力加速度的矢量和。如此想,本題中的罐子就相當于勻加速運動的車廂,連續漏下的沙子就如懸掛的小球線,其等效重力加速度是水平向左的加速度與重力加速度的矢量和。但是,細想這道題是不能這么做的,因為這些沙子在罐子中向右做勻加速運動,一旦離開罐子將只受重力作用而做平拋運動。沙子離開罐子后在豎直方向上的分運動是自由落體運動,在水平方向上的分運動是勻速直線運動,選每粒沙子為研究對象,則其所做的都是如圖1中B 所示的平拋運動。在研究“連續漏出的沙子”時,后出來的沙子在水平方向上的位置更靠后,此后各沙子都在做平拋運動,在水平方向上的分速度都不變,在豎直方向上的分速度越來越大,所以能反映空中沙子排列的幾何圖形應該是如圖1中C 所示的曲線。然而,再想一想這種思考方法也是有問題的,因為要想知道空中沙子排列的幾何形狀應該是看各粒沙子的相對位置的情況,而不能簡單地“定性”分析各粒沙子對地的運動情況。

解法1:若以先漏出的沙子為參照物,則罐子在空中沿水平方向向右做勻加速直線運動,在時間Δt內沿水平方向的位移增加量為aΔt2,沿豎直方向做自由落體運動,在時間Δt內沿豎直方向的位移增加量為gΔt2,說明罐子的水平分位移的增加量與豎直分位移的增加量比值一定,則罐子的位置連線的傾角是一定的。

解法2:t=0時刻沙粒1漏出,設其速度為v0,經過Δt(Δt→0)漏出沙粒2,經過時間t,沙粒1 在水平方向上的位移x1=v0t(向右),在豎直方向上的位移(豎直向下),此后漏出的沙粒2在水平方向上的位移(向右),在豎直方向上的位移(豎直向下)。漏出的沙粒2相對先漏出的沙粒1 的位移偏右上方,與水平方向間的夾角的正切值,即tanθ是定值,與時間t無關。

答案:D

警示:想當然地運用等效重力場模型思考的方式是“錯誤”的,而結論卻與運用正確思路得出的結果一致,這是巧合還是必然呢?我們若以做勻加速直線運動的罐子為研究對象,則各粒沙子相對罐子所做的運動就是沿著等效重力場方向的“自由落體運動”,所以這些沙子相對罐子來說的排列圖形就是一條直線。而變換不同的參考系研究物體的運動時,各個運動物體的相對位置是不變的。所以說,運用等效重力場模型思考與解法2 的分析方法是整體分析與細節分析的區別,其本質是一樣的。小小的一道選擇題,看似簡單,細細品味還真是回甘不盡。

亮點2:考查深度思維

試卷中的第16 題充分體現出另一個亮點——回歸本質,突出對物理模型建構、科學推理論證,以及物理思維方法的靈活運用等深度思維的考查。

例2(第16題)霍爾推進器某局部區域可抽象成如圖2所示的模型。Oxy平面內存在豎直向下的勻強電場和垂直于坐標平面向里的勻強磁場,磁感應強度為B。質量為m、電荷量為e的電子從O點沿x軸正方向水平入射。入射速度為v0時,電子沿x軸做直線運動;入射速度小于v0時,電子的運動軌跡如圖中虛線所示,且在最高點與在最低點所受的合力大小相等。不計重力及電子間的相互作用。

圖2

(1)求電場強度的大小E。

(3)若電子入射速度在0

分析:前兩小問相對容易求解,第三小問起到了甄別和選拔作用。第三小問雖然不是那種不可企及的難度,但是對考生的深度思維要求比較高。第三小問可以按照題目給定的條件、提示逐步列式求解,也可以用帶電粒子在勻強磁場與勻強電場構成的復合場中運動的“配速法”快捷求解。

解:(1)當入射速度為v0時,電子沿x軸做直線運動,則eE=ev0B,解得E=v0B。

(3)方法1:(常規法)若電子以速度v入射,設電子能到達的最高點位置的縱坐標為y,根據動能定理得。根據電子在最高點與在最低點所受的合力大小相等可得,在最高點有F合=evmaxB-eE,在最低點有F合=eE-evB,解得vmax=2v0-v,。要讓電子到達縱坐標位置,則需y≥y2,解得。若電子入射速度在0

方法2:(配速法)對于初狀態靜止的電子,設ev1B=eE,則v1=v0對應水平向右的勻速直線運動;v2=-v0對應另一個分運動,根據洛倫茲力提供向心力得,解得。對于初速度為v的電子,它的一個分運動速度v1=v0,對應水平向右的勻速直線運動;另一個分運動速度為v2',這個分運動的軌跡圓直徑是y2,則,解得,可得。在0

二、2024年高考命題預測

2024年高考江蘇卷物理命題勢必將依然堅持“突出情境,立足素養,激發思維”三個目標,突出真實問題情境的設計,引導學生從生活中發現問題、提出問題,逐步從解題走向解決問題;強化試題與實際情境的關聯性,注重考查學生的探究意識、深度思維。

預測題1:如圖3 所示,一敞口正方體水箱的邊長l=2 m,水箱的右側面上有一個小孔M(孔的大小忽略不計),小孔M到水箱底的距離h=0.5 m,用塞子將小孔M堵住,往水箱中注水至水面到達N,N到水箱底的距離H=1.5 m。取重力加速度g=10 m/s2。現使水箱以加速度a=6 m/s2水平向右做勻加速直線運動,同時打開小孔M,則流出水箱的水的體積最多為( )。

圖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對加速度的矢量圖如圖4甲所示,則。穩定后水箱中的水位如圖4 乙所示,設水箱中左側水位相對于水箱底部的最大高度為hmax,根據幾何關系得hmax=h+ltanθ,解得hmax=1.7 m,則穩定后水箱內水的體積,原來水箱中水的體積V=l2·H=6 m3,因此流出水箱的水的體積ΔV=V-V'=1.6 m3。

圖4

答案:C

預測題2:如圖5所示,正方體abcd-a'b'c'd'的上表面水平,沿其中心線O1O2放置一根通有恒定電流I的長直導線,一閉合金屬小圓環沿不同方向以相同速率做勻速直線運動,運動過程中小圓環平面始終保持水平。下列說法中正確的是( )。

圖5

A.a'與c點的磁感應強度大小相等,方向相同

B.小圓環的圓心從ad邊的中點豎直向上運動時,小圓環中無感應電流

C.小圓環的圓心從b'點移動到c'點的過程中,穿過小圓環的磁通量先增加后減少

D.小圓環的圓心從a點移動到d點與從a點移動到c點,小圓環中產生的平均感應電動勢相等

解析:根據右手螺旋定則可知,a'與c點的磁感應強度大小相等,方向相反,選項A錯誤。小圓環的圓心從ad邊的中點豎直向上運動時,通過小圓環的磁通量始終為零,小圓環中無感應電流,選項B 正確。小圓環的圓心從b'點移動到c'點的過程中,當小圓環到達導線正下方時,磁通量為零,所以穿過小圓環的磁通量先減少后增加,選項C 錯誤。小圓環的圓心從a點移動到d點與從a點移動到c點的過程中,磁通量的變化相同,時間不同,根據可知,小圓環中產生的平均感應電動勢不相等,選項D 錯誤。

答案:B