基于《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系》命制STSE類試題

福建 郭 威

《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系》的提出和實(shí)施，標(biāo)志著高考命題理念從“知識(shí)立意”“能力立意”向“價(jià)值引領(lǐng)、素養(yǎng)導(dǎo)向、能力為重、知識(shí)為基”轉(zhuǎn)變，使STSE類試題成為高考物理試題中的熱點(diǎn)和亮點(diǎn)。STSE是科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境的英文首字母縮寫，STSE類試題不僅通過理論聯(lián)系實(shí)際體現(xiàn)了試題的創(chuàng)新性和應(yīng)用性，還承載了立德樹人導(dǎo)向引領(lǐng)，弘揚(yáng)社會(huì)正氣，傳播正能量，彰顯了育人功能，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成。因此，STSE類試題的命制立意要突出以下幾個(gè)特點(diǎn)。

一、突顯時(shí)代性

STSE類試題具有鮮明的時(shí)代氣息，代入感強(qiáng)，使時(shí)代信息在命題中體現(xiàn)出能動(dòng)的作用。

【原創(chuàng)示例1】“旗幟引領(lǐng)方向，旗幟凝聚力量”。2019年在建國(guó)70周年國(guó)慶閱兵式中，空中護(hù)旗梯隊(duì)破空而來，拉開了閱兵分列式的序幕，如圖1所示，懸掛國(guó)旗的直-20直升機(jī)以一定高度勻速通過天安門廣場(chǎng)上空，受到水平阻力的作用，懸掛五星紅旗的懸繩與豎直方向成θ角(懸繩質(zhì)量不計(jì))。其中直升機(jī)質(zhì)量為M，五星紅旗(含下方重物)質(zhì)量為m，重力加速度為g。下列說法正確的是

圖1

( )

A.直-20直升機(jī)和國(guó)旗(含下方重物)整體受到空氣作用力豎直向上

B.直-20直升機(jī)和國(guó)旗(含下方重物)整體受到空氣作用力沿懸繩的方向向上

C.懸繩對(duì)國(guó)旗(含下方重物)的拉力大小為mgcosθ

D.懸繩對(duì)國(guó)旗拉力和國(guó)旗對(duì)懸繩的拉力是一對(duì)平衡力

【答案】A

【命題意圖】2019年是建國(guó)70周年，舉國(guó)歡慶，盛大的閱兵儀式展現(xiàn)了我國(guó)武裝力量建設(shè)的成就，增強(qiáng)了民族自信心和自豪感。以空中護(hù)旗梯隊(duì)為素材進(jìn)行命題，考查連接體的力學(xué)平衡問題以及整體法和隔離法的應(yīng)用，考查學(xué)生的推理能力和學(xué)科素養(yǎng)。

圖2

二、把握時(shí)效性

STSE類試題所選用的素材有些具有時(shí)效性，鑒于事件性素材在較短時(shí)間內(nèi)可能失去時(shí)效，需及時(shí)捕捉受眾的接觸興趣和產(chǎn)生社會(huì)效果的時(shí)機(jī)，充分發(fā)揮其時(shí)效性，使試題情境與時(shí)俱進(jìn)。

【原創(chuàng)示例2】如圖3所示，虎門大橋發(fā)生明顯豎向彎曲振動(dòng)現(xiàn)象之后，經(jīng)專家組初步研究，大橋的振動(dòng)是一種共振現(xiàn)象，沿橋梁兩側(cè)護(hù)欄連續(xù)設(shè)置的水馬改變了鋼箱梁的氣動(dòng)外形，在特定的風(fēng)況條件下，誘發(fā)懸索橋發(fā)生豎向渦激共振。根據(jù)專家組的建議，大橋管理方及時(shí)采取抑振措施，除撤除水馬外，還包括在外側(cè)護(hù)欄上安裝抑流板，改善鋼箱梁的氣動(dòng)外形，增設(shè)水箱壓重提高阻尼比。目前，虎門大橋整體情況平穩(wěn)，抑振效果良好。下列說法正確的是

圖3

( )

A.大橋在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”的作用下，異常抖動(dòng)會(huì)更劇烈

B.虎門大橋異常抖動(dòng)的頻率等于大橋的固有頻率

C.通過增加氣動(dòng)措施抑振是為了增加風(fēng)對(duì)橋面的作用力

D.通過阻尼措施抑振是為了將機(jī)械能盡量多地轉(zhuǎn)化為阻尼材料的內(nèi)能

【答案】D

【命題意圖】2020年5月5日下午，虎門大橋發(fā)生異常抖動(dòng)，引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)檢測(cè)、設(shè)計(jì)、科研、施工等方面的專家聯(lián)動(dòng)，筆者同時(shí)查閱了當(dāng)時(shí)的專家認(rèn)證結(jié)論，進(jìn)行STSE命題，考查受迫振動(dòng)相關(guān)知識(shí)，考查學(xué)生處理信息的能力，體現(xiàn)物理觀念和科學(xué)思維的學(xué)科核心素養(yǎng)。

【解題思路】受迫振動(dòng)是物體在周期性驅(qū)動(dòng)力作用下的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如果驅(qū)動(dòng)力的頻率接近橋梁的固有頻率，就可能使橋梁產(chǎn)生共振，故引起橋梁渦振不在于風(fēng)力多大，而取決于驅(qū)動(dòng)力的頻率，大量實(shí)驗(yàn)研究表明，物體做受迫振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)穩(wěn)定后的周期或頻率總等于驅(qū)動(dòng)力的周期或頻率，與物體的固有周期或頻率無關(guān)，AB選項(xiàng)錯(cuò)誤；通過增加氣動(dòng)措施抑振，是為了減少風(fēng)對(duì)橋面的作用力，C選項(xiàng)錯(cuò)誤；通過阻尼措施抑振是為了將振動(dòng)的機(jī)械能盡量多地轉(zhuǎn)化為阻尼材料的內(nèi)能，從而降低轎梁的振動(dòng)，D選項(xiàng)正確。

三、體現(xiàn)社會(huì)性

通過STSE類試題把相應(yīng)的知識(shí)技能、政治意識(shí)形態(tài)和某種文化特質(zhì)傳遞給學(xué)生，規(guī)范、引導(dǎo)學(xué)生發(fā)展，使其進(jìn)入社會(huì)實(shí)踐并在各個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮作用，進(jìn)而顯示出試題的社會(huì)功能。

【原創(chuàng)示例3】(多選)2021年3月1日，最新刑法修正案生效，“高空拋物”正式入刑，更大程度上發(fā)揮法律的警示功能，促進(jìn)人們自警、自律、自制。專家在現(xiàn)場(chǎng)模擬物體從不同高度墜落造成的破壞力，用34 m高空作業(yè)車模擬十層樓房，以10 m、20 m、30 m的高度分別拋下瓶裝水、易拉罐、雞蛋等常見物體。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，從30 m高空墜落時(shí)，350 g的瓶裝水可在五毫米厚的木板上砸出兩尺長(zhǎng)裂縫，同樣質(zhì)量的易拉罐，則直接砸出了一個(gè)大洞；即便只有50 g的雞蛋，從20 m高度落下時(shí)，也能夠在石膏板上砸出痕跡，可見物體從高空自由墜落的威力驚人。則下列說法正確的是

( )

A.同樣質(zhì)量的瓶裝水和易拉罐從同樣高度砸到木板上的作用力一樣大

B.不同物體從同一高度墜落到地面的木板上過程中重力勢(shì)能改變量相同

C.從20 m高度落下的雞蛋對(duì)石膏板的作用力與石膏板對(duì)雞蛋的作用力大小相等

D.不計(jì)空氣阻力，30 m高自由墜落的瓶裝水在最后 10 m的平均速度小于下落25 m時(shí)的速度

【答案】CD

【命題意圖】本題以2021年3月1日最新刑法修正案生效，“高空拋物”正式入刑為情境，考查自由落體問題，旨在從試題蘊(yùn)含的價(jià)值觀映射社會(huì)的主流價(jià)值觀，同時(shí)體現(xiàn)物質(zhì)觀念和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的學(xué)科素養(yǎng)。

【解題思路】同樣質(zhì)量的瓶裝水和易拉罐在同樣高度落到地面的木板上，速度的變化量和動(dòng)量的變化量相等，但是從與木板接觸到速度為零的時(shí)間可能不同，所以根據(jù)動(dòng)量定理可知兩者砸到木板上的作用力可能不同，A選項(xiàng)錯(cuò)誤；因?yàn)椴煌矬w的質(zhì)量不盡相同，雖然從同一高度落下，但重力勢(shì)能的改變量不盡相同，B選項(xiàng)錯(cuò)誤；根據(jù)牛頓第三定律，作用力與反作用力大小相等，方向相反，并作用在同一直線上，所以雞蛋對(duì)石膏板的作用力大小等于石膏板對(duì)雞蛋的作用力，C選項(xiàng)正確；瓶裝水從30 m高自由墜落的最后10 m的平均速度等于其中間時(shí)刻的速度，而瓶裝水下落25米時(shí)的速度為最后10 m的中點(diǎn)位移的速度，D選項(xiàng)正確。

四、融入科普性

STSE類試題以科普信息為載體，由“事件、信息、問題”三部分構(gòu)成，讓學(xué)生應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行解題，考查學(xué)生的閱讀理解、收集和處理信息、知識(shí)遷移、綜合分析和類比應(yīng)用能力，使試題真正體現(xiàn)科學(xué)技術(shù)、日常生活、現(xiàn)代科技成果和社會(huì)知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生了解現(xiàn)代科技重大成果和應(yīng)用。

【原創(chuàng)示例4】當(dāng)武漢疫情告急之時(shí)，空軍緊急出動(dòng)如圖4所示的運(yùn)-20等11架運(yùn)輸機(jī)，向武漢空運(yùn)支援湖北醫(yī)療隊(duì)隊(duì)員和物資，這是空軍首次成體系大規(guī)模出動(dòng)現(xiàn)役大中型運(yùn)輸機(jī)執(zhí)行緊急空運(yùn)任務(wù)。運(yùn)輸機(jī)載荷一個(gè)重要的參數(shù)就是最大起飛重量，飛機(jī)升力L=CLPS，式中P為飛行動(dòng)壓、S為機(jī)翼面積，而通常升力系數(shù)CL是由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的一個(gè)無量綱量。若用ρ表示空氣密度，m表示飛機(jī)質(zhì)量，v表示飛行速度，F(xiàn)表示發(fā)動(dòng)機(jī)推力，可能不會(huì)計(jì)算飛行動(dòng)壓P，但可根據(jù)所學(xué)的物理知識(shí)和物理方法進(jìn)行分析，判斷下列飛行動(dòng)壓P的表達(dá)式中合理的是

圖4

( )

【答案】B

【命題意圖】本題以武漢疫情出動(dòng)中國(guó)研究制造的新一代軍用大型運(yùn)輸機(jī)運(yùn)-20為情境，題中提供了運(yùn)輸機(jī)載荷的信息，考查學(xué)生獲得信息、處理信息的能力，考查量綱及科學(xué)思維的學(xué)科素養(yǎng)。

五、嚴(yán)控科學(xué)性

試題本身的科學(xué)性被認(rèn)為是評(píng)判試題合格的重要指標(biāo)。內(nèi)容科學(xué)、無差錯(cuò)；試題表述、用詞規(guī)范；問題清晰無歧義；圖文匹配、題量與梯度合理；試題情境合理，素材真實(shí)等是STSE類試題的底線，而原創(chuàng)試題不科學(xué)的原因多數(shù)在于命題人只注重題目所要考查的知識(shí)點(diǎn)本身，而忽略了實(shí)際情況，捏造了數(shù)據(jù)或情境。

【原創(chuàng)示例5】我國(guó)首艘國(guó)產(chǎn)002航母飛行跑道前端l=35 m的一段做成平緩曲面(可視為傾面的傾斜跑道)，艦首上翹仰角12°，起飛跑道總長(zhǎng)S=195 m(如圖5所示)。殲-15艦載機(jī)最大起飛質(zhì)量m=3.25×104kg，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力大小為F=2.6×105N，飛機(jī)質(zhì)量視為不變并可看成質(zhì)點(diǎn)，全程平均阻力大小為重力的k倍。若航母處于靜止?fàn)顟B(tài)下，殲-15艦載機(jī)滿載時(shí)，在傾斜跑道的末端速度需至少達(dá)到v=100 m/s才能正常起飛，k=0.1，g=10 m/s2，sin12°≈0.2，cos12°≈0.98，求：

圖5

(1)殲-15滿載在末端以最小速度起飛時(shí)重力的瞬時(shí)功率大小P；

(2)滿載時(shí)在水平跑道與傾斜跑道的加速度大??；

(3)通過計(jì)算說明滿載時(shí)的殲-15在不加助推力的情況下能否在起飛跑道上起飛？

【命題意圖】002型航母是我國(guó)第一艘自主研發(fā)的國(guó)產(chǎn)航母，凝集了我國(guó)科技的核心，充分表明了中國(guó)造船工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和突破，是我國(guó)展示綜合國(guó)力的一種方式。題設(shè)中的數(shù)據(jù)為網(wǎng)絡(luò)上公布的002型航母“山東艦”的數(shù)據(jù)，本題根據(jù)已獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行命題，考查牛頓第二定律、運(yùn)動(dòng)學(xué)、功率問題，體現(xiàn)學(xué)科素養(yǎng)和核心價(jià)值的雙重功能。

【解題思路】(1)根據(jù)P=mgvsin12°得P=6.5×106W

(2)在水平跑道F-kmg=ma1得a1=7 m/s2

在傾斜跑道F-kmg-mgsin12°=ma2得a2=5 m/s2

(3)設(shè)水平跑道與傾斜跑道交接處的速度為v1、傾斜跑道末端速度為v2

故滿載時(shí)的殲-15在不加助推力的情況下不能在重載起飛跑道上起飛。

六、關(guān)注匹配性

STSE類試題命制不僅要關(guān)注素材本身，還要關(guān)注如何把素材與高中物理知識(shí)進(jìn)行匹配，從什么考查方向入手進(jìn)行命制試題，對(duì)所選素材要進(jìn)行模型化簡(jiǎn)化、理想化處理，使之與高中知識(shí)能做到準(zhǔn)確、合理、有效地匹配，拉近學(xué)生所學(xué)習(xí)的物理知識(shí)與科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境之間的距離。

【原創(chuàng)示例6】電子束蒸鍍是在電磁場(chǎng)的配合下利用加速電子轟擊坩堝內(nèi)鍍膜材料，電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱能加熱鍍膜材料使其蒸發(fā)，從而形成高純度、高精度的薄膜。一種電子束真空蒸鍍裝置簡(jiǎn)化示意圖如圖6所示，熱電子由高熱陰極鎢絲表面釋出，利用高壓電場(chǎng)U使電子從靜止開始加速。電子聚成束穿過中心孔O水平向左射入方向垂直紙面向里的足夠?qū)挼母郊觿驈?qiáng)磁場(chǎng)，經(jīng)磁場(chǎng)作用電子束恰好垂直打在坩堝內(nèi)的鍍膜材料右邊緣P點(diǎn)。由于有這個(gè)外加磁場(chǎng)，坩堝與蒸發(fā)源材料所產(chǎn)生的二次電子垂直坩堝內(nèi)鍍膜材料平面逸出后(在入射電子束作用下被轟擊出來并離開樣品表面的樣品原子的核外電子叫做二次電子)，經(jīng)磁場(chǎng)作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)而被豎直收集板吸收，二次電子的能量較低，逸出速度僅為入射電子束速度的10%，與水平絕緣板碰撞能量損失不計(jì)。已知電子的電量為e、質(zhì)量為m，中心孔O距離鍍膜材料上表面的豎直距離為d，豎直收集板與鍍膜材料右邊緣P的水平距離x=2.15d。求：

(1)經(jīng)過高壓電場(chǎng)U加速后的電子束速度大小v；

(2)附加磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B；

(3)二次電子從P點(diǎn)逸出到被收集板收集的運(yùn)動(dòng)總時(shí)間t。

【命題意圖】本題考查帶電粒子在電場(chǎng)中加速和在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)，旨在考查建構(gòu)理想模型的意識(shí)和能力，體現(xiàn)物質(zhì)觀念、科學(xué)思維和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的學(xué)科素養(yǎng)。

(2)由題意知，電子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的軌跡如圖7所示，由幾何關(guān)系可知軌跡半徑R=d

圖7

(3)二次電子逸出速度僅為入射電子束速度的10%，故二次電子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的半徑r=0.1R=0.1d

由x=2.15d可得x=21.5r

圖8

故二次電子從逸出到被收集板收集的運(yùn)動(dòng)總時(shí)間