不同高考试卷中同源物理试题评析
——以2023年高考理综全国甲卷第21题和乙卷第17题为例

谢园园

(江苏省东台市教师发展中心,江苏 盐城 224200)

1 引言

2023年高考理综全国甲卷第21题和乙卷第17题是同源型试题,两题都以电磁感应知识为落脚点,实验装置和过程相同,考查学生对楞次定律的理解,考查学生提取信息和分析推理的能力。对于同源试题进行评析,异中求同、同中辨异,这对高中物理复习教学有很好的启示作用。

2 试题呈现与解析

试题1(2023年高考理综全国甲卷第21题):一有机玻璃管竖直放在水平地面上,管上有漆包线绕成的线圈,线圈的两端与电流传感器相连,线圈在玻璃管上部的5匝均匀分布,下部的3匝也均匀分布,下部相邻两匝间的距离大于上部相邻两匝间的距离。如图1所示。现让一个很小的强磁体在玻璃管内沿轴线从上端口由静止下落,电流传感器测得线圈中电流I随时间t的变化如图2所示,则( )。

图1

图2

A.小磁体在玻璃管内下降速度越来越快

B.下落过程中,小磁体的N极、S极上下颠倒了8次

C.下落过程中,小磁体受到的电磁阻力始终保持不变

D.与上部相比,小磁体通过线圈下部的过程中,磁通量变化率的最大值更大

解析：如图2所示,线圈中感应电流的峰值不断变大,表明小磁体在依次穿过每匝线圈的过程中磁通量的变化率的最大值越来越大,表明小磁体下落越来越快,则A、D选项正确。小磁体穿过某一匝线圈的过程中磁场方向不变,小磁体从上方进入与从下方离开其中某一匝线圈时的磁通量的变化情况相反,由楞次定律可判断出感应电流方向发生改变,说明这种改变不是小磁体的N极、S极上下颠倒造成的,则B选项错误。小磁体在穿过线圈的过程中,线圈中感应电流的大小不断变化,而线圈中感应电流越大,其产生的磁场越强,因此小磁体受到的电磁阻力随感应电流的变化而变化,不是一直不变的,所以C选项错误。

学生容易错选B选项,他们往往误认为图2中电流方向的改变是小磁体磁极颠倒所造成的,这些学生对条形磁体穿越单匝线圈这一原始问题中全程电流的变化情况并未真正理解与掌握。

试题2(2023年高考理综全国乙卷第17题):一学生小组在探究电磁感应现象时,进行了如下比较实验。用图3所示的缠绕方式,将漆包线分别绕在几何尺寸相同的有机玻璃管和金属铝管上,漆包线的两端与电流传感器接通。两管皆竖直放置,将一很小的强磁体分别从管的上端由静止释放,在管内下落至管的下端。实验中电流传感器测得的两管上流过漆包线的电流I随时间t的变化分别如图4和图5所示,分析可知( )。

图3

图4

图5

A.图5是用玻璃管获得的图像

B.在铝管中下落,小磁体做匀变速运动

C.在玻璃管中下落,小磁体受到的电磁阻力始终保持不变

D.用铝管时测得的电流第一个峰到最后一个峰的时间间隔比用玻璃管时的短

解析：图4中感应电流的峰值保持不变,图5中感应电流的峰值不断增大,分辨两个图像对应的实验条件是解析本题的关键。小磁体在铝管中运动,铝管内形成涡流,小磁体加速下落后很快达到平衡状态,做匀速直线运动,小磁体穿越每匝线圈时速度相同,则线圈中感应电流的峰值相同。小磁体穿越玻璃管的过程中一直做加速运动,线圈中感应电流的峰值不断增大,则图4、图5分别是小磁体在铝管、玻璃管中下落时的I-t图像,所以A选项正确,B、C选项错误。对D选项的分析是难点,小磁体穿越每匝线圈时,其速度越大,所穿过线圈的磁通量的变化率越大,该线圈中的感应电流就越大。图5中电流的峰值不断增大,且穿越每匝线圈时感应电流的峰值均大于图4中感应电流的峰值,即小磁体在玻璃管中运动通过每匝线圈的速度大于在铝管中的速度,故小磁体在铝管中运动时间长,则D选项错误。

3 试题评析

3.1 在命题技术和评价理念等方面,两题有相同之处

两题的实验装置、实验过程和数据呈现方法相同,都以选择题的形式、以知识为载体落实对学生核心素养的考查。

在“物理观念”方面,这两题都考查学生对电磁感应中感应电流、涡流等概念的掌握情况。

在“科学思维”方面,这两题都考查了学生的模型建构、科学推理、科学论证能力,[1]要求学生根据题目所提供的实验装置和图像,建构出磁体穿越单匝闭合线圈的电磁感应模型,推理出磁体的运动和受力情况,得出结论。

在“科学探究”方面,这两题都考查了学生基于证据得出结论并作出解释的能力,要求学生从题图中提取有用的信息,通过实验装置图与图像对照提取信息、寻找证据,对信息进行分析、加工和推理,发现其中的规律,最终形成正确的结论。这两题对学生识图、辨图和用图的能力要求较高,尤其是第2题,学生需对两图像的异同点进行比较,经过分析、推理才能将不同图像与相应的实验情境和条件进行匹配。

试题有一定的难度和较好的区分度,能将不同学业水平的学生进行有效区分,充分体现了高考试题的甄别功能。

3.2 在选项设置和能力要求等方面,两题有不同之处

一是体现在实验情境方面。试题1是单一情境,试题2则是通过变换实验条件,设置更为复杂的铝管和玻璃管两种实验情境,实验结果也由两个有差异的图像予以呈现。

二是体现在选项设置方面。试题1的选项设置较为单一,能力要求层次较低,A、C和D选项间存在逻辑关联,图2中电流的峰值是对这三个选项判断的关键条件,依D、A、C选项的顺序逐一分析,即可得出结论。试题2中A和D选项从两实验条件和结果比较的角度设置,要求考生对本题中两种实验情境和两个图像进行比较和判断后形成关联。

三是体现在难度方面。试题2因情境的复杂性导致选项的配置多样化,难度高于试题1,解题时应先确定两种情形所对应的图像,对A选项进行判断,再通过推理对D选项进行判断,对学生能力要求较高,突出对学生核心素养的考查,较好地体现了《中国高考评价体系》中“素养导向”的评价理念,[2]是一道有区分度、能引领中学物理教学改革的好题。

4 对高中物理教学的启示

同源多题、一题多变,是高中物理教学和复习中常用的、有效的教学方法,有利于学生归纳同类问题的解题思路。异中求同、同中辨异,有利于学生加深对知识的理解,有助于学生对同类问题的归类,通过对不同情形的辨析,可以助力学生思维能力的提升。

4.1 根据对原始问题的分析,建构物理模型

在物理教学中,我们选用物理原始问题引导学生理解物理概念、规律时,要充分发挥原始问题的教学功能,通过有梯度的问题链和有效的教学手段,引导学生在对相关现象分析的基础上建构物理模型,说清道理、理清思路。本文中两道试题要求学生将小磁体穿过线圈的实际过程转化成从上至下穿越单匝线圈的模型。在分析磁体穿越单匝线圈的原始问题时,教师可用下列问题引导学生:全过程可分为几段?每段的感应电流方向如何变化?大小如何变化?何时为零?何时最大?教师用这些问题帮助学生厘清过程,掌握运用楞次定律解决问题的思路,让学生描绘此过程中感应电流随时间变化的图像;再用电流传感器做演示实验,验证学生的分析结果。

4.2 将真实情境转换成物理模型

《中国高考评价体系说明》指出,情境是高考评价体系中的考查载体。[3]《普通高中物理课程标准(2017年版)》在“教学与评价建议”中指出:“评价学生的核心素养应尽量创设类型多样的、具有一定复杂程度的、开放性的真实情境作为试题的任务情境。”“科学思维”中“模型建构”水平4的要求为:“能将实际问题中的对象和过程转换成物理模型。”小磁体穿过铝管情境源于教材习题,[4]许多教师将其改进后做成教学用的演示实验,这类实验也曾出现在电视台的科普节目中,效果较好。在物理教学中应将这些真实实验素材作为教学资源,着力培养学生将真实情境转化成物理模型的能力。[5]

4.3 将同型试题重组为模型题组

在高中物理一轮复习中,要运用一题多变的教学方法,通过条件、方法、过程等方面的变化,让学生经历同源不同题的分析、解决过程,引导学生异中求同、同中辨异,在同源问题的归类比较中培养他们分析、解决问题和思辨的能力。在二轮复习专题设置中,以同源题的“模型题组”为主题,将二轮专题复习系列化、模块化,通过结构化的专题设置,培养学生分析和解决问题的能力,让他们形成解决问题的整体认知,全面提升学生的核心素养。[6]