基于“四層”“四翼”的2023年新高考重慶卷第15題評析

楊昌興　元星　沈晨　張倩

摘? ?要：基于“四層”“四翼”兩個維度對2023年新高考重慶卷第15題進(jìn)行深入分析。該題以帶電粒子在電場、磁場和真空中的運(yùn)動為學(xué)習(xí)探索的問題情境，考查學(xué)生對物理概念、規(guī)律和模型的理解及應(yīng)用，考查模型建構(gòu)、科學(xué)推理及論證等物理學(xué)科關(guān)鍵能力。題目設(shè)問層次分明，既注重基礎(chǔ)性，又重視綜合性、應(yīng)用性，凸顯了創(chuàng)新性，體現(xiàn)出較強(qiáng)的選拔作用。通過對第15題的研究，針對其命題特點(diǎn)和意圖給出教學(xué)啟示，為新高考背景下的物理教學(xué)備考提供有益參考。

關(guān)鍵詞：新高考物理；四層；四翼；試題分析

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2024）5-0047-6

《中國高考評價體系》已成為指導(dǎo)我國高考內(nèi)容和命題改革的測評體系，“一核四層四翼”構(gòu)成其基本內(nèi)涵。其中，“一核”為核心功能，即“立德樹人、服務(wù)選才、引導(dǎo)教學(xué)”；“四層”為考查內(nèi)容，即“核心價值、學(xué)科素養(yǎng)、關(guān)鍵能力、必備知識”；“四翼”為考查要求，即“基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性、創(chuàng)新性”［1］。

2023年新高考重慶卷第15題以一種新型粒子加速器的理想模型為情境，提取加速器模型中的電磁場約束條件，設(shè)置了帶電粒子在電場、磁場和真空中的運(yùn)動問題，考查內(nèi)容廣泛。本文從高考評價體系視角，基于“四層”“四翼”兩個評價維度對該題進(jìn)行深入分析，為新高考背景下的物理教學(xué)備考提供借鑒。

1? ? 題目再現(xiàn)及思路點(diǎn)撥

1.1? ? 題目再現(xiàn)

某同學(xué)設(shè)計(jì)了一種粒子加速器的理想模型。如圖1所示，xOy平面內(nèi)，x軸下方充滿垂直于紙面向外的勻強(qiáng)磁場，x軸上方被某邊界分成兩部分，一部分充滿勻強(qiáng)電場（電場強(qiáng)度方向與y軸的負(fù)方向成α角），另一部分無電場，該邊界與y軸交于M點(diǎn)，與x軸交于N點(diǎn)。只有經(jīng)電場到達(dá)N點(diǎn)、與x軸正方向成α角斜向下運(yùn)動的帶電粒子才能進(jìn)入磁場。從M點(diǎn)向電場內(nèi)發(fā)射一個比荷為的帶電粒子A，其速度大小為v0、方向與電場方向垂直，僅在電場中運(yùn)動時間T后進(jìn)入磁場，且通過N點(diǎn)時的速度大小為2v0。忽略邊界效應(yīng)，不計(jì)粒子重力。

（1）求角度α及M、N兩點(diǎn)的電勢差。

（2）在該邊界上任意位置沿與電場垂直方向直接射入電場內(nèi)的、比荷為的帶電粒子，只要速度大小適當(dāng)，就能通過N點(diǎn)進(jìn)入磁場，求N點(diǎn)的橫坐標(biāo)及此邊界方程。

（3）若粒子A第一次在磁場中運(yùn)動時磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B1，以后每次在磁場中運(yùn)動時磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為上一次的一半，則粒子A從M點(diǎn)發(fā)射后，每次加速均能通過N點(diǎn)進(jìn)入磁場。求磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B1及粒子A從發(fā)射到第n次通過N點(diǎn)的時間。

1.2? ? 思路點(diǎn)撥

（1）不計(jì)重力的帶電粒子A在M點(diǎn)以速度v0垂直電場射入，僅在電場力作用下做類平拋運(yùn)動，經(jīng)時間T以2v0的速度通過N點(diǎn)進(jìn)入磁場。粒子從M到N的類平拋過程，其運(yùn)動軌跡如圖2所示。由幾何關(guān)系可得：cos2α==，故α=30°；根據(jù)動能定理有qUMN=m（2v0）2-m（v0）2，求出電勢差UMN=。

（2）帶電粒子在電場中都做類平拋運(yùn)動，題干又給出“只有經(jīng)電場到達(dá)N點(diǎn)、與x軸正方向成α角斜向下運(yùn)動的帶電粒子才能進(jìn)入磁場”，說明粒子的速度偏轉(zhuǎn)角都相同。根據(jù)平拋運(yùn)動的二級結(jié)論，即速度偏轉(zhuǎn)角的正切值等于位移偏轉(zhuǎn)角正切值的兩倍（tanα=2tanθ），如圖3所示。所以，粒子從邊界任何位置射出后，運(yùn)動到N點(diǎn)的位移偏轉(zhuǎn)角也為定值，即該電場邊界一定是過M、N兩點(diǎn)的直線，因此找出M、N兩點(diǎn)的位置坐標(biāo)，即可求出邊界方程。

方法一：類平拋運(yùn)動的一般解法。粒子A的運(yùn)動分解為沿著v0方向的勻速直線運(yùn)動和電場方向的勻加速直線運(yùn)動，分別記為x'和y'，如圖4所示。

2? ? 試題評析

2.1? ? “四層”考查內(nèi)容的描述性分析

“四層”是考查內(nèi)容，更是素質(zhì)教育目標(biāo)在高考中的提煉。高考通過“四層”規(guī)定命題內(nèi)容，評價考生素質(zhì)內(nèi)涵［1］。

2.1.1? ? 必備知識

圖10是本題所考查的必備知識。本題涉及運(yùn)動觀、相互作用觀以及能量觀三大物理觀念，考查了靜電場力、洛倫茲力、電勢差和電場力做功等基本概念，考查了勻速直線運(yùn)動、類平拋運(yùn)動和勻速圓周運(yùn)動等基本模型，考查了動能定理、類平拋運(yùn)動規(guī)律和帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動規(guī)律等基本規(guī)律，考查了運(yùn)動的合成與分解、類比遷移等基本方法，以及數(shù)學(xué)知識在物理學(xué)中的運(yùn)用。可以看出，本題涉及知識都為高中物理主干知識，考查較為豐富與全面。

2.1.2? ? 核心價值

本題表面上是以一種新型粒子加速器的理想模型為學(xué)習(xí)探索問題情境，但其本質(zhì)是設(shè)置帶電粒子在一定約束條件下在勻強(qiáng)電場、磁場和真空中的運(yùn)動問題。解題時學(xué)生應(yīng)透過現(xiàn)象挖掘本質(zhì)，這是以對“學(xué)生世界觀和方法論”的考查落實(shí)“核心價值”。

2.1.3? ? 學(xué)科素養(yǎng)

本題對“學(xué)科素養(yǎng)”的考查，主要在“學(xué)習(xí)掌握”和“思維方法”上。要求學(xué)生根據(jù)具體問題情境的需要，獲取關(guān)鍵信息；運(yùn)用類比、建模等思維方法，建立所學(xué)知識與陌生情境之間的內(nèi)在聯(lián)系，以此對問題進(jìn)行求解。例如，本題中可以把帶電粒子在勻強(qiáng)電場中的運(yùn)動類比為斜面上的類平拋運(yùn)動模型，又根據(jù)題干分析得到帶電粒子的速度偏轉(zhuǎn)角一定這一隱含關(guān)鍵信息，結(jié)合平拋運(yùn)動中速度偏轉(zhuǎn)角與位移偏轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，得到電場邊界方程為過M、N兩點(diǎn)的直線，以及第三問中的幾何關(guān)系和時間關(guān)系。

2.1.4? ? 關(guān)鍵能力

依據(jù)《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》［2］和《中國高考評價體系說明》［1］，高考物理學(xué)科考查的關(guān)鍵能力包括理解能力、推理論證能力、模型建構(gòu)能力、實(shí)驗(yàn)探究能力、創(chuàng)新能力 5 種關(guān)鍵能力［3］。本題對“關(guān)鍵能力”的考查，表現(xiàn)在“理解”“推理論證”“模型建構(gòu)”“創(chuàng)新”4個方面。除此之外，本題還特別要求學(xué)生具備運(yùn)用數(shù)學(xué)手段解決物理問題的能力。

（1）理解能力

學(xué)生應(yīng)能夠閱讀和理解題目文本、符號和公式，并能從復(fù)雜、陌生的情境中提取有效信息，調(diào)動思維，透過現(xiàn)象看到粒子加速器的本質(zhì)，發(fā)現(xiàn)隱含的物理規(guī)律及原理。

（2）模型建構(gòu)能力

學(xué)生需要在解決問題中識別、構(gòu)建正確的物理模型。本題研究的是不計(jì)重力的帶電粒子在勻強(qiáng)電場、磁場和真空中的運(yùn)動模型。其中，因?yàn)殡妶鰪?qiáng)度的方向與初速度的方向始終垂直，所以帶電粒子在電場中的運(yùn)動可處理成類平拋運(yùn)動模型。帶電粒子在單邊有界勻強(qiáng)磁場中，其運(yùn)動方向和磁場方向垂直，洛倫茲力提供向心力，故帶電粒子在磁場區(qū)域內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動。帶電粒子射入真空中后是勻速直線運(yùn)動模型。

（3）推理論證能力

學(xué)生需要從已有的信息和已學(xué)的知識出發(fā)，經(jīng)由準(zhǔn)確、充分的證據(jù)鏈和清晰、嚴(yán)密的邏輯鏈，推導(dǎo)出合理的結(jié)論。本題中的具體表現(xiàn)有，第二問中電場邊界方程的求解過程，電場邊界是過M、N兩點(diǎn)的直線的證明過程；第三問中通過分析帶電粒子在單邊有界勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動模型的規(guī)律，得到帶電粒子在真空中做勻速直線運(yùn)動的方向的過程，以及分析歸納得出帶電粒子在電場、磁場和真空中的運(yùn)動時間成等比規(guī)律等都需要學(xué)生具備較高的推理論證能力。

（4）創(chuàng)新能力

學(xué)生需要能在復(fù)雜、新穎的情境中，從多個視角獨(dú)立思考，靈活地、創(chuàng)造性地運(yùn)用不同方法，發(fā)散地解決新問題。本題中具體體現(xiàn)在，運(yùn)用類平拋運(yùn)動的一般解法、或一般曲線運(yùn)動的合成與分解法、或解析法求解電場邊界方程。

（5）運(yùn)用數(shù)學(xué)解決物理問題的能力

本題要求學(xué)生能根據(jù)題設(shè)條件，結(jié)合運(yùn)動分析，運(yùn)用數(shù)形結(jié)合思想，通過尋找?guī)щ娏Ｗ釉陔妶觥⒋艌黾罢婵罩羞\(yùn)動的位移關(guān)系、速度關(guān)系、角度等幾何關(guān)系，確定帶電粒子在電場中運(yùn)動的解析方程，確定帶電粒子在磁場中的運(yùn)動半徑及時間。還要求學(xué)生能具備較強(qiáng)的數(shù)學(xué)歸納、分析和計(jì)算能力，從而求出帶電粒子做周期性運(yùn)動的時間。

2.2? ? “四翼”考查要求描述性分析

“四翼”是素質(zhì)教育的評價維度在高考中的體現(xiàn)，也是實(shí)現(xiàn)對高考試題質(zhì)量有效評價的基本指標(biāo)［1］。

2.2.1? ? 基礎(chǔ)性

基礎(chǔ)性體現(xiàn)在本題考查的知識點(diǎn)都屬于中學(xué)物理的主干知識或必備知識，考查的三個物理模型都是高中階段典型的基本模型。

2.2.2? ? 綜合性

綜合性體現(xiàn)在本題以新穎、復(fù)雜的情境為載體，綜合考查了運(yùn)動、相互作用及能量三大物理觀念；綜合考查了勻速直線運(yùn)動、類平拋運(yùn)動、勻速圓周運(yùn)動三大物理模型；綜合考查了電勢差、運(yùn)動的合成與分解等多個知識點(diǎn)；綜合考查了模型建構(gòu)、推理論證等多種關(guān)鍵能力和學(xué)科素養(yǎng)。要求學(xué)生能綜合運(yùn)用物理學(xué)的概念、規(guī)律分析問題和解決問題，做到知識、能力和素養(yǎng)的融會貫通。

2.2.3? ? 應(yīng)用性

應(yīng)用性體現(xiàn)在粒子加速器這一模型在現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展中有著舉足輕重的作用，是我們打開微觀世界大門的必備工具，在高能物理、量子物理等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

2.2.4? ? 創(chuàng)新性

創(chuàng)新性試題是以兩個或兩個以上的情境為載體，通過設(shè)置新穎的試題呈現(xiàn)方式和設(shè)問方式，同時考查多個知識點(diǎn)或技能［4］。本題以帶電粒子在電場、磁場以及真空中的多種運(yùn)動情境為載體，每個情境蘊(yùn)含多個知識與技能，相互影響，綜合運(yùn)用，屬于創(chuàng)新性試題。另一方面，第二問的多解性也體現(xiàn)出該題的開放性與探究性，凸顯創(chuàng)新性。

3? ? 教學(xué)啟示

3.1? ? 精細(xì)化物理規(guī)律、模型的理解和應(yīng)用

基礎(chǔ)知識、規(guī)律和模型不僅是解決物理問題的第一步，也是處理綜合類試題的核心要素，更是形成物理觀念的基石。所以在教學(xué)過程中，教師應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生細(xì)化、深化對物理概念、規(guī)律和模型的理解，對相關(guān)知識融會貫通，并逐漸形成對物理的結(jié)構(gòu)性、整體性認(rèn)識。針對某一具體的物理模型，教師不僅要引導(dǎo)學(xué)生熟練地掌握其基本解法，還應(yīng)要求學(xué)生對該模型的變式進(jìn)行研究和解讀，把每一物理模型“吃深”“吃透”，能夠做到模型的遷移與應(yīng)用。物理模型或物理規(guī)律的二級結(jié)論能夠幫助我們減少思維過程，減輕計(jì)算量，因此教師在高三復(fù)習(xí)過程中要督促學(xué)生掌握二級結(jié)論的推導(dǎo)過程并熟練應(yīng)用。

3.2? ? 提升學(xué)生審題能力

以情境承載考查內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)考查要求已成為新高考命題的基本特征和要求。考生對情境理解的透徹程度影響考生對試題的完成程度，所以能夠快速準(zhǔn)確審題顯得尤為重要。教師可以引導(dǎo)學(xué)生從以下三個關(guān)鍵點(diǎn)入手，提升學(xué)生的審題能力：①進(jìn)行精準(zhǔn)的過程分析——準(zhǔn)確分析出物體的運(yùn)動過程與受力特點(diǎn)，并與所掌握的物理知識建立聯(lián)系，為構(gòu)建物理模型提供基礎(chǔ)；②進(jìn)行縝密的條件分析——理清并記錄條件，方便找尋各物理量之間的關(guān)系；③進(jìn)行關(guān)鍵信息的提取——如“恰好”“剛剛”“才能”“只有”等。

3.3? ? 注重物理學(xué)科關(guān)鍵能力的培養(yǎng)

新高考命題改革最顯著的特征就是實(shí)現(xiàn)從“考知識”向“考能力”的轉(zhuǎn)變。因而在備戰(zhàn)高考的教學(xué)中，教師要鼓勵學(xué)生多角度主動思考、深入探究，發(fā)現(xiàn)新問題，找出新規(guī)律；要引導(dǎo)學(xué)生減少死記硬背和“機(jī)械刷題”，培養(yǎng)模型建構(gòu)、邏輯推理論證等高階思維能力和知識遷移應(yīng)用能力；要讓學(xué)生在質(zhì)疑討論中構(gòu)建物理學(xué)科的知識結(jié)構(gòu)、方法體系、模型系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑和創(chuàng)新能力。教師還要盡可能地重現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)的探究過程，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力。

3.4? ? 增強(qiáng)運(yùn)用數(shù)學(xué)知識解決物理問題的能力

“應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理問題的能力”一直是高考選拔學(xué)生的重要內(nèi)容，也是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的基本要素。在平時的教學(xué)中，教師可以多讓學(xué)生動手計(jì)算，增強(qiáng)學(xué)生的心算、估算和筆算能力，提高計(jì)算速度和準(zhǔn)確性，提高學(xué)生數(shù)學(xué)計(jì)算能力。碰到有難度的物理問題時，教師要引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用物理思維，注意數(shù)形結(jié)合、函數(shù)解析等數(shù)學(xué)思想方法解決問題。教師還可以通過Geogebra、幾何畫板、多媒體等現(xiàn)代化技術(shù)有意識地培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力。

參考文獻(xiàn)：

［1］教育部考試中心.中國高考評價體系說明［M］.北京：人民教育出版社，2019.

［2］中華人民共和國教育部. 普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［3］程力，李勇.基于高考評價體系的物理科考試內(nèi)容改革實(shí)施路徑［J］.中國考試，2019（12）：38-44.

［4］張紅洋，張婧婧.高考物理試題的情境化特征研究［J］.物理教師，2022，43（3）：75-79.

（欄目編輯? ? 陳? 潔）

收稿日期：2023-09-26

作者簡介：楊昌興（1998-），男，中學(xué)二級教師，主要從事高中物理教學(xué)工作。