不同高考試卷中同源物理試題評析
——以2023年高考理綜全國甲卷第21題和乙卷第17題為例

謝園園

(江蘇省東臺市教師發展中心,江蘇 鹽城 224200)

1 引言

2023年高考理綜全國甲卷第21題和乙卷第17題是同源型試題,兩題都以電磁感應知識為落腳點,實驗裝置和過程相同,考查學生對楞次定律的理解,考查學生提取信息和分析推理的能力。對于同源試題進行評析,異中求同、同中辨異,這對高中物理復習教學有很好的啟示作用。

2 試題呈現與解析

試題1(2023年高考理綜全國甲卷第21題):一有機玻璃管豎直放在水平地面上,管上有漆包線繞成的線圈,線圈的兩端與電流傳感器相連,線圈在玻璃管上部的5匝均勻分布,下部的3匝也均勻分布,下部相鄰兩匝間的距離大于上部相鄰兩匝間的距離。如圖1所示?，F讓一個很小的強磁體在玻璃管內沿軸線從上端口由靜止下落,電流傳感器測得線圈中電流I隨時間t的變化如圖2所示,則( )。

圖1

圖2

A.小磁體在玻璃管內下降速度越來越快

B.下落過程中,小磁體的N極、S極上下顛倒了8次

C.下落過程中,小磁體受到的電磁阻力始終保持不變

D.與上部相比,小磁體通過線圈下部的過程中,磁通量變化率的最大值更大

解析：如圖2所示,線圈中感應電流的峰值不斷變大,表明小磁體在依次穿過每匝線圈的過程中磁通量的變化率的最大值越來越大,表明小磁體下落越來越快,則A、D選項正確。小磁體穿過某一匝線圈的過程中磁場方向不變,小磁體從上方進入與從下方離開其中某一匝線圈時的磁通量的變化情況相反,由楞次定律可判斷出感應電流方向發生改變,說明這種改變不是小磁體的N極、S極上下顛倒造成的,則B選項錯誤。小磁體在穿過線圈的過程中,線圈中感應電流的大小不斷變化,而線圈中感應電流越大,其產生的磁場越強,因此小磁體受到的電磁阻力隨感應電流的變化而變化,不是一直不變的,所以C選項錯誤。

學生容易錯選B選項,他們往往誤認為圖2中電流方向的改變是小磁體磁極顛倒所造成的,這些學生對條形磁體穿越單匝線圈這一原始問題中全程電流的變化情況并未真正理解與掌握。

試題2(2023年高考理綜全國乙卷第17題):一學生小組在探究電磁感應現象時,進行了如下比較實驗。用圖3所示的纏繞方式,將漆包線分別繞在幾何尺寸相同的有機玻璃管和金屬鋁管上,漆包線的兩端與電流傳感器接通。兩管皆豎直放置,將一很小的強磁體分別從管的上端由靜止釋放,在管內下落至管的下端。實驗中電流傳感器測得的兩管上流過漆包線的電流I隨時間t的變化分別如圖4和圖5所示,分析可知( )。

圖3

圖4

圖5

A.圖5是用玻璃管獲得的圖像

B.在鋁管中下落,小磁體做勻變速運動

C.在玻璃管中下落,小磁體受到的電磁阻力始終保持不變

D.用鋁管時測得的電流第一個峰到最后一個峰的時間間隔比用玻璃管時的短

解析：圖4中感應電流的峰值保持不變,圖5中感應電流的峰值不斷增大,分辨兩個圖像對應的實驗條件是解析本題的關鍵。小磁體在鋁管中運動,鋁管內形成渦流,小磁體加速下落后很快達到平衡狀態,做勻速直線運動,小磁體穿越每匝線圈時速度相同,則線圈中感應電流的峰值相同。小磁體穿越玻璃管的過程中一直做加速運動,線圈中感應電流的峰值不斷增大,則圖4、圖5分別是小磁體在鋁管、玻璃管中下落時的I-t圖像,所以A選項正確,B、C選項錯誤。對D選項的分析是難點,小磁體穿越每匝線圈時,其速度越大,所穿過線圈的磁通量的變化率越大,該線圈中的感應電流就越大。圖5中電流的峰值不斷增大,且穿越每匝線圈時感應電流的峰值均大于圖4中感應電流的峰值,即小磁體在玻璃管中運動通過每匝線圈的速度大于在鋁管中的速度,故小磁體在鋁管中運動時間長,則D選項錯誤。

3 試題評析

3.1 在命題技術和評價理念等方面,兩題有相同之處

兩題的實驗裝置、實驗過程和數據呈現方法相同,都以選擇題的形式、以知識為載體落實對學生核心素養的考查。

在“物理觀念”方面,這兩題都考查學生對電磁感應中感應電流、渦流等概念的掌握情況。

在“科學思維”方面,這兩題都考查了學生的模型建構、科學推理、科學論證能力,[1]要求學生根據題目所提供的實驗裝置和圖像,建構出磁體穿越單匝閉合線圈的電磁感應模型,推理出磁體的運動和受力情況,得出結論。

在“科學探究”方面,這兩題都考查了學生基于證據得出結論并作出解釋的能力,要求學生從題圖中提取有用的信息,通過實驗裝置圖與圖像對照提取信息、尋找證據,對信息進行分析、加工和推理,發現其中的規律,最終形成正確的結論。這兩題對學生識圖、辨圖和用圖的能力要求較高,尤其是第2題,學生需對兩圖像的異同點進行比較,經過分析、推理才能將不同圖像與相應的實驗情境和條件進行匹配。

試題有一定的難度和較好的區分度,能將不同學業水平的學生進行有效區分,充分體現了高考試題的甄別功能。

3.2 在選項設置和能力要求等方面,兩題有不同之處

一是體現在實驗情境方面。試題1是單一情境,試題2則是通過變換實驗條件,設置更為復雜的鋁管和玻璃管兩種實驗情境,實驗結果也由兩個有差異的圖像予以呈現。

二是體現在選項設置方面。試題1的選項設置較為單一,能力要求層次較低,A、C和D選項間存在邏輯關聯,圖2中電流的峰值是對這三個選項判斷的關鍵條件,依D、A、C選項的順序逐一分析,即可得出結論。試題2中A和D選項從兩實驗條件和結果比較的角度設置,要求考生對本題中兩種實驗情境和兩個圖像進行比較和判斷后形成關聯。

三是體現在難度方面。試題2因情境的復雜性導致選項的配置多樣化,難度高于試題1,解題時應先確定兩種情形所對應的圖像,對A選項進行判斷,再通過推理對D選項進行判斷,對學生能力要求較高,突出對學生核心素養的考查,較好地體現了《中國高考評價體系》中“素養導向”的評價理念,[2]是一道有區分度、能引領中學物理教學改革的好題。

4 對高中物理教學的啟示

同源多題、一題多變,是高中物理教學和復習中常用的、有效的教學方法,有利于學生歸納同類問題的解題思路。異中求同、同中辨異,有利于學生加深對知識的理解,有助于學生對同類問題的歸類,通過對不同情形的辨析,可以助力學生思維能力的提升。

4.1 根據對原始問題的分析,建構物理模型

在物理教學中,我們選用物理原始問題引導學生理解物理概念、規律時,要充分發揮原始問題的教學功能,通過有梯度的問題鏈和有效的教學手段,引導學生在對相關現象分析的基礎上建構物理模型,說清道理、理清思路。本文中兩道試題要求學生將小磁體穿過線圈的實際過程轉化成從上至下穿越單匝線圈的模型。在分析磁體穿越單匝線圈的原始問題時,教師可用下列問題引導學生:全過程可分為幾段?每段的感應電流方向如何變化?大小如何變化?何時為零?何時最大?教師用這些問題幫助學生厘清過程,掌握運用楞次定律解決問題的思路,讓學生描繪此過程中感應電流隨時間變化的圖像;再用電流傳感器做演示實驗,驗證學生的分析結果。

4.2 將真實情境轉換成物理模型

《中國高考評價體系說明》指出,情境是高考評價體系中的考查載體。[3]《普通高中物理課程標準(2017年版)》在“教學與評價建議”中指出:“評價學生的核心素養應盡量創設類型多樣的、具有一定復雜程度的、開放性的真實情境作為試題的任務情境?！薄翱茖W思維”中“模型建構”水平4的要求為:“能將實際問題中的對象和過程轉換成物理模型?！毙〈朋w穿過鋁管情境源于教材習題,[4]許多教師將其改進后做成教學用的演示實驗,這類實驗也曾出現在電視臺的科普節目中,效果較好。在物理教學中應將這些真實實驗素材作為教學資源,著力培養學生將真實情境轉化成物理模型的能力。[5]

4.3 將同型試題重組為模型題組

在高中物理一輪復習中,要運用一題多變的教學方法,通過條件、方法、過程等方面的變化,讓學生經歷同源不同題的分析、解決過程,引導學生異中求同、同中辨異,在同源問題的歸類比較中培養他們分析、解決問題和思辨的能力。在二輪復習專題設置中,以同源題的“模型題組”為主題,將二輪專題復習系列化、模塊化,通過結構化的專題設置,培養學生分析和解決問題的能力,讓他們形成解決問題的整體認知,全面提升學生的核心素養。[6]