回歸物理教學(xué)的本源——近兩年北京高考物理壓軸題對中學(xué)物理教學(xué)的導(dǎo)向

回歸物理教學(xué)的本源
——近兩年北京高考物理壓軸題對中學(xué)物理教學(xué)的導(dǎo)向

尹德利

(北京市東方德才學(xué)校北京100025)

魏 群

(北京教育學(xué)院朝陽分院北京100025)

摘 要：對2013年和2014年的北京高考物理壓軸題作了點評，認為近兩年北京高考物理壓軸題對今后北京乃至全國的中學(xué)物理教學(xué)將會起到良好的導(dǎo)向作用.新課程背景下的中學(xué)物理教學(xué)應(yīng)回歸其本源，更多地關(guān)注物理概念之間的內(nèi)在聯(lián)系，更多地關(guān)注物理規(guī)律的建立過程，更多地體現(xiàn)物理教學(xué)的邏輯，更多地關(guān)注物理學(xué)科的思想方法.

關(guān)鍵詞：物理壓軸題物理教學(xué)物理思想方法

收稿日期：(2014-11-17)

如果說，前幾年北京高考物理試題更多地注重對考生解題方法和解題技巧的考查，那么，從2013年起，北京高考物理試題更多地注重考生對物理學(xué)思想觀念和方法的考查，更多地關(guān)注考生對重要物理量之間內(nèi)在本質(zhì)關(guān)系的考查，更多地關(guān)注考生對物理規(guī)律建立(推導(dǎo))過程的考查.這種命題思路的變化，對于中學(xué)物理教學(xué)促進“知識與技能”、“過程與方法”、“情感、態(tài)度與價值觀”三維課程目標的落實，促進物理學(xué)思想觀念和研究方法的教學(xué)，促進學(xué)生對物理概念和規(guī)律的真正理解，起到了良好的導(dǎo)向作用.下面對2013和2014年的北京高考物理壓軸題作一分析.

1壓軸題點評

【例1】(2013年高考北京卷第24題)對于同一物理問題，常?？梢詮暮暧^與微觀兩個不同角度進行研究，找出其內(nèi)在聯(lián)系，從而更加深刻地理解其物理本質(zhì).

(1)一段橫截面積為S，長為l的直導(dǎo)線，單位體積內(nèi)有n個自由電子，電子電荷量為e.該導(dǎo)線通有電流時，假設(shè)自由電子定向移動的速率均為v.

(a)求導(dǎo)線中的電流I；

(b)將該導(dǎo)線放在勻強磁場中，電流方向垂直于磁感應(yīng)強度B，導(dǎo)線所受安培力大小為F安，導(dǎo)線內(nèi)自由電子所受洛倫茲力大小的總和為F，推導(dǎo)F安=F.

(2)正方體密閉容器中有大量運動粒子，每個粒子質(zhì)量為m，單位體積內(nèi)粒子數(shù)量n為恒量.為簡化問題，我們假定：粒子大小可以忽略；其速率均為v，且與器壁各面碰撞的機會均等；與器壁碰撞前后瞬間，粒子速度方向都與器壁垂直，且速率不變.利用所學(xué)力學(xué)知識，導(dǎo)出器壁單位面積所受粒子壓力f與m,n和v的關(guān)系.

(注意：解題過程中需要用到、但題目中沒有給出的物理量，要在解題時做必要的說明)

點評：本壓軸題分兩大問，第一問又分(a)、(b)兩小問，由易到難，考查了能力的不同層次.

(1)(a)問源自人教版《物理·選修3-1》(第42頁例題1)和教科版《物理·選修3-1》(第43頁中的“討論交流”)，考查電流的定義式及其微觀機制.

第(1)(b)問考查安培力的微觀本質(zhì)：安培力是大量帶電粒子在磁場中所受的洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，是教材中講授的內(nèi)容(教科版《物理·選修3-1》中有明確的推導(dǎo)過程，見第95頁).考查的知識點：安培力、洛倫茲力及二者的聯(lián)系.

(1)(a)問和(1)(b)問考查的能力：理解能力和推理能力.

第(2)問以“正方形密閉容器中有大量運動粒子”為背景，考查氣體壓強產(chǎn)生的微觀機理，這部分內(nèi)容屬于大學(xué)普通物理的教學(xué)內(nèi)容.要正確推導(dǎo)出器壁單位面積上所受的壓力，頭腦中需對單個粒子與器壁的碰撞過程和容器內(nèi)所有粒子與器壁的碰撞過程分別進行建模，并且還要有概率統(tǒng)計的物理思想才行，雖然題目中給出提示“粒子……速率均為v，且與器壁各面碰撞的機會均等；……都與器壁垂直……”，但學(xué)生很難想到對密閉容器內(nèi)的大量分子進行分組，作為高考考查的內(nèi)容，要求太高，難度太大.

第(2)問考查的知識點：沖量、動量、動量定理、概率統(tǒng)計的物理思想.

本題(1)、(2)兩問的推導(dǎo)均用到了“柱狀流體模型”這個基本物理模型，這個模型能否清晰地建立起來，關(guān)系到解題的成敗.

第(2)問考查的能力：理解能力、推理能力、應(yīng)用能力和探究能力.

【例2】(2014年高考北京卷第24題)導(dǎo)體切割磁感線的運動可以從宏觀和微觀兩個角度來認識.如圖1所示，固定于水平面的U形導(dǎo)線框處于豎直向下的勻強磁場中，金屬直導(dǎo)線MN在與其垂直的水平恒力F作用下，在導(dǎo)線框上以速度v做勻速運動，速度v與恒力F方向相同，導(dǎo)線MN始終與導(dǎo)線框形成閉合電路.已知導(dǎo)線MN的電阻為R，其長度l恰好等于平行軌道間距，磁場的磁感應(yīng)強度為B.忽略摩擦阻力和導(dǎo)線框的電阻.

圖1　勻強磁場中的導(dǎo)線框

(1)通過公式推導(dǎo)驗證：在Δt時間內(nèi)，F(xiàn)對導(dǎo)線MN所做的功W等于電路獲得的電能W，也等于導(dǎo)線MN中產(chǎn)生的焦耳熱；

(2)若導(dǎo)線MN的質(zhì)量m=8.0 g，長度l=0.1 m，感應(yīng)電流I=1.0 A，假設(shè)一個原子貢獻1個自由電子，計算導(dǎo)線MN中電子沿導(dǎo)線長度方向定向移動的平均速率v(表1中列出一些你可能會用到的數(shù)據(jù))；

(3)經(jīng)典物理學(xué)認為，金屬的電阻源于定向運動的自由電子和金屬離子(即金屬原子失去電子后的剩余部分)的碰撞.展開你想象的翅膀，給出一個合理的自由電子的運動模型，在此基礎(chǔ)上，求出導(dǎo)線MN中金屬離子對一個自由電子沿導(dǎo)線長度方向的平均作用力f的表達式.

表1　可能用到的數(shù)據(jù)

點評：2014年北京高考物理壓軸題仍延續(xù)了2013年高考物理壓軸題的命題思路——考查考生從宏觀和微觀兩個角度研究物理問題的思想方法.

第(1)問，以學(xué)生熟悉的U形導(dǎo)線框上金屬導(dǎo)體棒勻速切割磁感線為背景，考查安培力、功、物體的平衡條件、焦耳定律等知識，通過公式推導(dǎo)驗證，讓考生更深刻地認識到功是能量轉(zhuǎn)化的量度，從而對電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化規(guī)律有更深入的認識.

第(2)問，再次考查電流的微觀表達式.與2013年壓軸題不同的是，金屬導(dǎo)線中的電子數(shù)密度n是未知的，因此需要根據(jù)題目中的題設(shè)條件和已知量計算出來.這給一部分考生帶來一定的難度.

這兩問都源于教材中的例題.第(1)問是高中教材《物理·選修3-2》(教科版第42～45頁)中的例題變式，第(2)問是高中教材《物理·選修3-1》(人教版第42頁)中的例題變式.雖是壓軸題，這兩問對于那些扎扎實實緊扣教材復(fù)習(xí)應(yīng)考的考生來說，難度應(yīng)該不大.這兩問，旨在引導(dǎo)物理總復(fù)習(xí)要緊扣教材，重視對物理知識獲得過程的教學(xué)，糾正總復(fù)習(xí)中的題海戰(zhàn)術(shù).

第(3)問考查金屬電阻產(chǎn)生的微觀機理，從微觀的角度分析研究宏觀的電流現(xiàn)象.命題思想是對的，但試題卻太難為考生了.按照經(jīng)典的金屬電子論，大量電子在金屬導(dǎo)線MN中既做無規(guī)則的熱運動，又在洛倫茲力的作用下做定向運動，運動過程中電子還與金屬晶格中的原子實(金屬離子)發(fā)生頻繁的碰撞.為了簡化，歷史上物理學(xué)家引入了電子的漂移速度和平均自由程等概念.對于高中生來說，要讓他們在緊張如戰(zhàn)場的考場上，在如此短的時間內(nèi)，展開想象的翅膀，構(gòu)建一個合理的自由電子運動模型，并利用這個模型求出導(dǎo)線MN中金屬離子對一個自由電子沿導(dǎo)線長度方向的平均作用力f的表達式，這幾乎是不可能的.

比較2013年和2014年北京高考物理壓軸題可以看出，兩道壓軸題考查的是同一種研究方法(這也是北京高考物理命題的特色，旨在充分發(fā)揮高考對教學(xué)的指揮棒作用).從知識考查的角度看，命題圍繞著物理學(xué)的“力”和“能量”這兩條主線展開.2013年高考壓軸題主要是圍繞力和運動這條主線分步設(shè)問，當然第3問考查氣體壓強的微觀機理時還考查了動量和沖量、動量定理等核心知識.而2014年的北京高考物理壓軸題第1問圍繞功和能進行設(shè)問，分別考查了外力做功、安培力做功、電流做功與能量轉(zhuǎn)化的關(guān)系.第2問和第3問仍然從力和運動的角度考查考生的建模能力、推理能力和探究能力.

2壓軸題對中學(xué)物理教學(xué)的啟示

2.1物理教學(xué)要回歸其本源

物理學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)、數(shù)學(xué)為工具、具有嚴密邏輯體系和廣泛應(yīng)用的一門基礎(chǔ)學(xué)科.物理學(xué)的學(xué)科結(jié)構(gòu)包括實驗基礎(chǔ)、邏輯體系、數(shù)學(xué)表達、思想方法和實際應(yīng)用5個基本要素.物理教學(xué)也應(yīng)該體現(xiàn)出物理學(xué)科結(jié)構(gòu)的這5種基本要素.現(xiàn)在，雖然新課程理念已經(jīng)深入人心，許多一線物理教師也在不斷地探索、踐行新課程理念,然而，長期以來，受應(yīng)試教育的影響，“重結(jié)論、輕過程”的現(xiàn)象在中學(xué)物理課堂中仍普遍存在.許多教師為了趕進度，給學(xué)生留出更多的練習(xí)時間，壓縮甚至省略了物理概念和規(guī)律的建立過程，直接把結(jié)論告訴學(xué)生，然后把大量的時間和精力放在講題和練習(xí)上，使原本生動活潑、豐富多彩的物理課堂變成了單調(diào)乏味的習(xí)題訓(xùn)練.高三總復(fù)習(xí)階段，這種本末倒置的做法尤為嚴重，其后果是嚴重挫傷了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，增加了學(xué)生的課業(yè)負擔，學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升更是無從談起.

2013年和2014年北京高考物理壓軸題取材于教材，并且把推導(dǎo)或證明物理量之間的關(guān)系式、探究物理規(guī)律的微觀本質(zhì)作為考查重點，這對于回歸物理教學(xué)的本源，落實新課程三維教學(xué)目標，摒棄物理教學(xué)中的題海戰(zhàn)術(shù)，促進學(xué)生的繼續(xù)學(xué)習(xí)和終身發(fā)展，發(fā)揮了良好的導(dǎo)向作用.

2.2重視物理學(xué)思想和方法的教學(xué)

對于同一物理現(xiàn)象，從宏觀和微觀兩個不同的角度進行研究，找出其內(nèi)在聯(lián)系是物理學(xué)研究常用的思想方法.例如，歷史上人們對于熱現(xiàn)象的研究就是分別從宏觀和微觀兩個角度進行的.玻意爾、馬略特、查理、蓋·呂薩克、焦耳、邁爾等人從觀察和實驗出發(fā)，研究熱運動及其變化規(guī)律，建立了熱現(xiàn)象的宏觀理論——熱力學(xué).玻爾茲曼、麥克斯韋、吉布斯等物理學(xué)家則從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，依據(jù)每個粒子所遵循的力學(xué)規(guī)律，用統(tǒng)計學(xué)的方法研究宏觀物體的熱的性質(zhì)，由此建立了熱現(xiàn)象的微觀理論——統(tǒng)計物理學(xué).此外，歷史上研究電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象,研究光的本性也都是從宏觀和微觀兩個角度進行的.歷史上，安培不僅從宏觀上研究磁場對電流、電流對電流的作用規(guī)律，而且還從微觀的角度研究磁現(xiàn)象的本質(zhì)，提出了分子電流假說；同樣的，歐姆利用實驗研究影響導(dǎo)體中電流大小的因素，發(fā)現(xiàn)了歐姆定律，焦耳通過實驗研究電流的熱效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了焦耳定律，這兩位物理學(xué)家都是從宏觀的角度研究電流的，而荷蘭物理學(xué)家洛倫茲則從微觀的角度研究金屬導(dǎo)體的電阻及電流熱效應(yīng)產(chǎn)生的微觀機理，創(chuàng)立了金屬電子論.現(xiàn)在，從宏觀和微觀兩個角度研究問題的方法早已廣泛應(yīng)用在化學(xué)、生物學(xué)等自然科學(xué)的研究中，甚至在經(jīng)濟學(xué)等社會科學(xué)的研究中也有著廣泛的應(yīng)用.

物理學(xué)的研究方法還有很多，如分析和綜合、歸納和演繹、比較和類比等邏輯方法、定性分析和定量計算相結(jié)合的方法，理論推導(dǎo)和實驗驗證相結(jié)合的方法，數(shù)圖結(jié)合的方法等等.作為中學(xué)物理教師，要切實加強自身的學(xué)史修養(yǎng)和哲學(xué)修養(yǎng)，深入挖掘教材中蘊含的科學(xué)方法論因素，并對科學(xué)方法進行顯性教育；讓學(xué)生學(xué)會觀察，學(xué)會思考.這樣做，從小處講對復(fù)習(xí)備考有好處，從大處講，有助于提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

參 考 文 獻

1北京教育考試院編.普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試2014年北京卷考試說明(理科).北京：開明出版社，2014

2北京教育考試院編.2013年高考北京卷理科試題分析.北京：開明出版社，2013

3朱錫民.物理教學(xué)方略探索(第1版).北京:北京教育出版社，2004