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高中物理命题“避坑”指南

2020-01-07 14:02:10 物理教学探讨 2020年12期

杨学切

摘? ?要:命题能力是高中物理教师必备的能力之一。一份好的试题可以对教学起到正面引导的作用,有瑕疵或错误的试题,不仅失去了有效的评价作用,也将误导学生、困扰教师。文章针对高中物理命题中经常出现的瑕疵或错误进行梳理、说明,旨在提醒教师、教研员和教辅资料的编者在命题与教学中规避这些瑕疵或错误。

关键词:高中物理;命题;避坑;指南

中图分类号:G633.7 文献标识码:A ? ? 文章编号:1003-6148(2020)12-0038-4

俗话说命题永远是一门有遗憾的艺术。准备再充分的一次命题,都可能留下一些遗憾之处。命题工作只有更好,没有最好。但是,在命题中出现的瑕疵将影响评价的效度;试题有科学性错误,更是不能容忍的。本文基于笔者多年参与各级各类命题与研究,梳理出高中物理命题中4类常见的瑕疵或错误,也就是“命题之坑”,同时也提供了 “避坑”建议。

1? ? 已知条件想当然

由于长时间从事物理教学工作,容易形成“思维惯性”,教师常常对试题中有些物理数据或条件 “理所当然”地默认为是已知条件,在题设中忽略了明确表述。当学生面对试题时就会造成困惑,甚至误入歧途,无法解答。

例1 用图1所示装置探究动能定理。有下列器材:A.电火花打点计时器;B.220 V交流电源;C.纸带;D.细线、小车、砝码和砝码盘;E.一端带滑轮的长木板、小垫木;F.刻度尺。

(1)实验中还需要的实验器材为________。

(2)按正确的实验操作,实验中得到一条点迹清晰的纸带如图2,图中数据xA、xB和xAB已测出,交流电频率为f,小车质量为M,砝码和砝码盘的质量为m,以小车、砝码和砝码盘组成的系统为研究对象,从A到B过程中,合力做功为_________,动能变化量为____________,比较二者的大小关系,可探究动能定理。

答案:(1)天平;

(2)mgxAB,■(M+m)(x■■-x■■)f 2

本题为2020年4月,某市高三质检题,命制试题时想当然地认为“重力加速度g”是已知条件,大多数学生也犯刷题“后遗症”,按照命题者的想法,解出“正确答案”。而思维严谨的学生,纠结着重力加速度没有提供,如何求解第(2)问“从A到B过程中,合力做功”。因此,影响本题考试区分度,也使得全卷的试题信度降低。

【避坑建议】

最后审题严把关。

教师多年只教一门物理课,见过的题目太多,物理模型过于熟悉,导致想当然地认为有些物理条件或物理模型应该是已知的。因此,最后审题必须严把关。命题中常犯的“想当然式错误”有以下几个方面:①该提供的物理常数没有提供。如重力加速度g、万有引力常数G、静电力常量k、光速c、普朗克常量h。②该明确的方位(或方向)沒有明确。如空间平面是水平面还是竖直面?力或速度的方向是水平方向还是其他方向?电场强度、磁感应强度等矢量方向是否明确表述?③该有的模型条件没有清晰表明。如轻绳、轻杆、轻质弹簧、小球等,省略了“轻、轻质、小”的形容词,物理模型变得不清晰。还有“不计空气阻力”“绝缘光滑平面”“不考虑粒子间相互作用”等条件描述都容易被忽视。④命制实验题中,打点计时器的工作频率50 Hz经常也会忘了注明。

2? ? 题设数据不自洽

物理命题的基本要求是数据的科学性,若科学性出现了问题,不论试题多么完美,都将被摈弃。科学性的重要表现是题设条件需要逻辑自洽。在命题时,题设条件已经可以确定某几个并列的结果,为了特定考查的需要,可以对某个结果进行人为赋值(也称题设条件重置),求解其他结果。但若忽视了物理过程中应该遵守的比较隐性的物理规律,会导致数据的科学性出现问题,造成题设条件的不自洽[1]。

例2 如图3所示,一矩形单匝金属框abcd,下边 ab边与磁场上边界水平对齐,现静止释放,沿竖直方向进入范围足够大的匀强磁场中。已知金属框质量m=0.2 kg,电阻R=1.0 Ω,ab边长L=0.2 m,bc边足够长,磁场方向垂直纸面向里,磁感应强度大小为B=0.5 T。当金属框下降h=0.5 m时,框内产生了Q=0.9 J的热量,这时金属框的cd边仍在磁场外。不计空气阻力,g取10 m/s2。试求此时金属框中感应电流的大小和方向。

解 根据能量守恒,mgh=■mv2+Q

再由,E=BLv,I=■

解得:v=1 m/s,I=0.2 A,根据右手定则,电流方向为abcda(逆时针)。

定性分析:若v=1 m/s,金属框做加速度减小的加速运动,平均速度大于0.5 m/s,下降0.5 m的距离所用的时间小于1 s;速度1 m/s是此过程中的最大速度,此时的最大电流I=0.2 A。综合以上两点可得线框下降0.5 m的距离所产生的焦耳热Q

定量分析:由牛顿第二定律对金属框列出微分方程为:

mg-■=m■

经分离变量积分可得:

v=■(1-e■)? ? ? (1)

x=■vdt=■t-■(1-e■) (2)

实际上,金属框下降h=0.5 m时,下落时间、末速度、过程中的焦耳热都已经确定。先由(2)式可得t=0.3171 s(小数点后保留4位);再由(1)式可得瞬时速度大小为v=3.1456 m/s;最后,由能量守恒定律可得框内产生的热量Q=0.0105 J。因此,本题金属框下降h=0.5 m与框内产生的热量Q=0.9 J属于条件重复设置,但不符合自洽性。

题设数据重复设置,优点很明显:一是能够拓展命题素材。原本超出中学考试要求的一些物理过程、物理方法,通过如此方法处理,降低了难度,变成不超纲;二是能够预设考查功能。通过对部分结果的赋值,引导学生从命题者的考查意图出发来解决问题,实现了命题者的考查预设[2]。但是,也埋下了一个隐患,若数据设置不当,会导致不自洽,变成废题、错题。

【避坑建议】

验证题设数据或改用字母表示。

高中物理出现数据不自洽问题,主要表现在三个地方:

一是电磁感应中非匀变速运动问题,往往题设运动过程中的位移、速度、时间、电量、焦耳热等物理量,遵守着比较隐性的物理规律,有一个确定,其他物理量就唯一确定了。命题时为了避开微分方程的求解,对物理量进行重复赋值,这是可以的,但一定要注意数据的自洽性。命题者必须运用高等数学常识进行验证,使其尽量等于或接近理论值,如2012年天津高考卷第11题就做得很好。

二是汽车以恒定功率运动与导体棒切割磁感线运动,它们的运动规律都存在极限过程,理论上,经过无限长时间才达到最大速度。若在设置达到最大速度的时间或位移时所给数据过小,运用不同计算方法得出的结果将存在矛盾、不自洽。考题的科学性是极强的,在数据设置时必须要注意到自洽性的要求,如2009年上海高考卷第20题,在设置数据时就注意了这个问题[3]。

三是运动轨迹为摆线问题,为了避开中学阶段复杂的运动合成与分解,往往也要将题设条件重置,这时必须考虑数据的自洽性。如2008年的江苏高考卷第14题,2013年的福建高考卷第22题,都做得“天衣无缝”,达成了命题的意图。

当然,若字母运算不是太复杂,也可以改用字母表示题设物理量,在此不再赘述。

3? ? 物理过程靠“臆想”

在试题编制的时候,为了考查学生特定的能力或素养,经常采用去情景化手段,创设一些理想化物理过程。从题面与解答上看都没有任何问题。但是,实际上此物理过程只是命题者的“臆想”而已,根本不可能存在。

例3 用水平力F=30 N拉着一个质量为2 kg的物体在水平面上由静止开始做匀加速直线运动,某时刻将力F随时间均匀减小到0。整个过程物体所受的摩擦力大小随时间变化如图4中的实线所示,求:

(1)物体做匀加速直线运动的加速度大小;

(2)整个过程物体运动的时间;

(3)物体做匀加速直线运动发生的位移。

解 (1)由牛顿第二定律知:

a=■

解得,a=5 m/s2

(2)由图像知30 s末,物体开始静止,所以运动时间为30 s。

(3)由图像知加速时间为10 s,所以有:

x=■at2

解得:x=250 m

分析:此题是2018年某市质检题,此后广为流传。用图像提供物体运动过程,解答也是合情合理。

大家换个视角审视,就会发现此物理过程根本不可能发生。从动量定理角度分析,0~30 s内,图中水平力F与时间轴围成的面积大于摩擦力与时间轴围成的面积,即水平力F冲量大小大于摩擦力冲量大小,也就是说30 s末物体不可能处于静止状态。不是命题者想让其停止运动,物体就会停止运动的。

【避坑建议】

关注运动的连续性。

此类命题错误一般存在于对“运动速度不可能突变”的物理本质的忽视。物体在运动过程中力、加速度可以突变,速度是不能突变的。至于碰撞问题,其本质是速度变化的时间很短,对整个运动而言,忽略了变化的时间,并非速度可以突变。认清运动速度的连续性可以避免“臆想”出不可能发生的物理过程。用图像表达物理过程时,也容易忽视其运动的连续性。

又如,一质点沿 Ox 轴运动,t=0 时刻起,其位移随时间变化的图像如图5所示,其中图线 0~1 s 内为直线,1~5 s 内为正弦曲线,二者相切于 P 点,则(? ? )

A.0~3 s 内,质点的路程为 2 m

B.0~3 s 内,质点先做减速运动后做加速运动

C.1~5 s 内,质点的平均速度大小为 1.5 m/s

D.3 s 末,质点的速度大小为 2 m/s

解 根据对称性知,1 s 末的速度与 3 s 末的速度等值反向,由于 1 s 末质点的速度大小为 2 m/s,故 3 s 末质点的速度大小为 2 m/s,D 选项正确。

实际上,题设条件“二者相切于 P 点”是“臆想”条件,求导可知正弦曲线在1、3、5 s时刻的切线斜率大小为2.34,不是2,不是画得似相切,就真的相切,违背了运动的连续性。

4? ? 问题设置超考纲

高中阶段的许多物理概念、規律,往往只在特定情况下适用。教师对特定条件理解片面化、狭隘化;或对特定条件扩大化、普适化,会造成超出中学物理教学要求,也就是超出考纲了。因此,在命题时要注意问题设置不能超考纲;教师不能因自身的常识欠缺,编制出很多错题,更不能用错误的解析去自圆其说。

例4 如图6所示,圆环a和b的半径之比r1:r2=2:1,用粗细相同、同样材料的导线构成。连接两环的导线电阻不计,匀强磁场的磁感应强度始终以恒定的变化率变化。那么,当只有a环置于磁场中与只有b环置于磁场中两种情况下,A、B两点的电势差之比为(? ? )

A. 1:1? ? B. 2:1

C. 3:1? ? D. 4:1

本题给出的正确答案为B选项。

解 只有a环置于磁场中,a环就是电源,b环为电路;只有b环置于磁场中,b环是电源, a环为电路;运用法拉第电磁感应定律、闭合电路欧姆定律和电阻定律得出答案。

在感生现象中,感生电动势存在于整个电路,不能认为只有某一部分存在电动势。要求解A、B两点的电势差,需要用基尔霍夫方程组求解。高中阶段对内电路上的电势差,考纲明确删除。2019年全国高考理综课标I卷的第20题,问题设置就很好地回避了。

【避坑建议】

用心钻研,恰当回避。

“给学生一杯水,教师要有一桶水。”对游走于大学物理与中学物理之间的物理概念、规律,教师应该用心钻研,精准把握。在命题时,问题设置应恰当回避,以免超纲。

除了感生电动势外,高中物理命题中需要恰当回避的还有以下几点。

(1)质点系的功能关系,高中物理教学不做要求,需回避外力对“形变人体”的做功问题。如2013年天津物理高考卷第2题,就出现标准答案漏选D选项。

(2)交流电路中,存在电容、电感、二极管等非纯电阻器件时,在讨论电路分流问题、功率问题时,可能涉及交流相位、功率因数问题,在问题设置时要尽量回避。如2014年全国课标Ⅱ卷第21题,其标准答案就备受争议,至今不了了之。

(3)高中物理对电势概念没有深入探讨,电势能的系统性也仅仅了解而已,更没有明确提出势能定义式以及准确表述。高中阶段都是基于场源恒定的基础上讨论电势、电势能的,在电容器的动态问题(相当于场源变化了)中,尽量回避电势和电势能的考查。如2016年天津高考理综卷第4题,对C选项的说明就存在问题;2009年福建理综卷第15题,B、C选项也是超纲的。

(4)温度相同时,不同结构的分子平均动能一般不同,命题时最好避开不同物质相同温度的分子平均动能大小比较。

5? ? 结束语

在信息技术高度发达的今天,有瑕疵或错误的试题也在快速、广泛地传播,因此,命题的科学性、严谨性显得特别重要。在核心素养视角下,高中物理的命題要求是:有真实的情境——落实模型建构思维,有恰当的问题设置——有效考查能力与素养,有规范、严谨的表达——适合阅读和思考。命制题目的每个环节都是技术与艺术的融合,在命制过程中有许许多多意想不到的“坑”,限于篇幅不能一一举例说明,谨以此文抛砖引玉,使得命题不犯错,也使得学生不要将时间浪费在错题或废题上。

参考文献:

[1]渠雷雷,赵永乐.命制电磁感应习题应注重自洽性检验[J].中学物理,2016,34(03):16-17.

[2]丁佐建.题设条件的重复设置和自洽性研究——对一类电磁感应习题的深度剖析[J].教学月刊中学版(教学参考),2013(6):62-65.

[3]张前军.谈导体棒切割磁感线运动问题的命制[J].物理教学,2011,33(10):40-41.

(栏目编辑? ? 陈? 洁)

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