2022年山东高考物理试题中关键能力的考查研究

摘   要：《中国高考评价体系》明确指出，高考考查内容包含核心价值、学科素养、关键能力、必备知识四个方面。高中物理学科的关键能力，包含理解能力、推理论证能力、模型建构能力、实验探究能力、创新能力。文章以山东高考物理试题为研究对象，评析了试题对关键能力考查的特点，同时提出了教学和备考建议。

关键词：高中物理；关键能力；高考试题

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2022）12-0038-6

1    引  言

2022年高考物理试题，继续深化从“考知识”到“考能力”的转化，进一步落实《中国高考评价体系》中的考查内容。《中国高考评价体系》明确指出，高考考查内容包含四个方面：核心价值、学科素养、关键能力、必备知识[1]。高中物理学科的关键能力，包含以下五个方面：理解能力、推理论证能力、模型建构能力、实验探究能力、创新能力[2]。2022年山东高考物理试题就从以上5种关键能力下功夫，落实物理学科关键能力的考查。

近年来，以物理学科核心素养为导向的高考试题研究很多，但是从5种关键能力角度分析高考物理试题的研究很少。基于此，本研究以2022年山东物理高考卷为研究对象，评析高考试题如何在5种关键能力上进行考查，以期深入认识高考对关键能力考查的命题特色与趋势，为教师教学和备考提供建议。高考试题每一个题目，并不是单独考查某一种关键能力，而往往考查多种关键能力；同时，高考试题的大多数题目又是以某一关键能力作为考查重点。本研究每一种关键能力借助一个典型试题进行剖析。

2    高考对理解能力的考查

理解能力指的是理解知识的意义，把握物理情境的本质特征，能将知识与情境联系起来，并运用已有的知识和方法解决问题[3]。

例1 （2022年山东高考物理第6题）“羲和号”是我国首颗太阳探测科学技术试验卫星。如图1所示，该卫星围绕地球的运动视为匀速圆周运动，轨道平面与赤道平面接近垂直。卫星每天在相同时刻，沿相同方向经过地球表面A点正上方，恰好绕地球运行n圈。已知地球半径为地轴R，自转周期为T，地球表面重力加速度为g，则“羲和号”卫星轨道距地面高度为（    ）

解析 地球表面的重力加速度为g，根据牛顿第二定律得=mg，解得GM=gR2，根据题意可知，卫星的运行周期为T'=，根据牛顿第二定律，万有引力提供卫星运动的向心力，则有=m（R+h），联立解得h=-R，故选C选项。

评析：高考每个试题都会考查学生理解能力。理解能力是其他关键能力的前提和基础。学生不具备理解能力，其他能力的培养就无从谈起。不具备理解能力，学生拥有的物理概念、规律、方法等便无法正确使用。

本题所需要的物理知识和方法有两个，一是在地球表面=mg，进而可以得出“黄金代换”GM=gR2；二是万有引力提供卫星运动的向心力，考生可以列出=m（R+h）。这两个方面是学生学习的重点，几乎每个学生都能掌握。考生无法正确解答本题的关键是不能正确理解“卫星每天在相同时刻，沿相同方向经过地球表面A点正上方，恰好绕地球运行n圈”，也就无法列出卫星的运行周期为T'=。这是典型的考查理解能力的题目，学生不能将知识与情境联系起来，理解能力不到位，也就无法正确解答本题。

3    高考对推理论证能力的考查

推理论证能力指的是能根据已知的物理事实、物理知识，通过分析、推理和论证，得出正确结论并作出正确解释的能力[3]。

例2 （2022年山东高考物理第8题）无人配送小车某次性能测试路径如图2所示，半径为3 m的半圆弧BC与长8 m的直线路径AB相切于B点，与半径为4 m的半圆弧CD相切于C点。小车以最大速度从A点驶入路径，到适当位置调整速率运动到B点，然后保持速率不变依次经过BC和CD。为保证安全，小车速率最大为4 m/s。在ABC段的加速度最大为2 m/s2，CD段的加速度最大为1 m/s2。小车视为质点，小车从A到D所需最短时间t及在AB段做匀速直线运动的最长距离l为（ ）

解析 小车在BC段的最大加速度为a1=2 m/s2，则根据a=，可得在BC段的最大速度为v1m= m/s，在CD段的最大加速度为a2=1 m/s2，则根据a=，可得在CD段的最大速度为v2m=2 m/s<v1m。可知小车在BCD段运动时的速度为v=2 m/s，在BCD段运动的时间为t3== s，在AB段从最大速度vm减速到v的时间t1== s=1 s，位移x2==3 m，在AB段匀速的最长距离为l=8 m-3 m=5 m，则匀速运动的时间t2== s，则从A到D的最短时间为t=t1+t2+t3=（+） s，故选B选项。

评析：推理能力是敏锐地思考分析、快捷反应、迅速地掌握问题的核心，在最短时间内作出合理正确的选择。本题所需物理知识较为简单，但是题目中无人配送小车的运动过程较多，题目解答起来非常繁琐。所以，解答本题的关键不是物理知识和方法，而是要迅速作出反应，按部就班地进行分析、推理、运算。本题过程复杂，没有简单的解题方法，如果寻找捷径，则会浪费时间，且徒劳无功。

推理论证能力的培养需要学生在安静环境下进行长时间独立思考、独立分析，通过纸笔运算、画图等方式，才能严谨地得出答案。

4    高考对模型建构能力的考查

模型建构能力是指能从物理现象中抽象出其主要特征，并通过类比、想象等方法建构其结构、关系等物理模型，并能用物理语言进行描述，在实际问题中能运用物理模型解决问题的能力[3]。

例3  （2022年山东高考物理第17题）中国“人造太阳”在核聚变实验方面取得新突破，该装置中用电磁场约束和加速高能离子，其部分电磁场简化模型如图3所示，在三维坐标系Oxyz中，0<z≤d空间内充满匀强磁场I，磁感应强度大小为B，方向沿x轴正方向；-3d≤z<0，y≥0的空间内充满匀强磁场II，磁感应强度大小为B，方向平行于xOy平面，与x轴正方向夹角为45°；z<0，y≤0的空间内充满沿y轴负方向的匀强电场。质量为m、带电量为+q的离子甲，从yOz平面第三象限内距y轴为L的A点以一定速度出射，速度方向与z轴正方向夹角为β，在yOz平面内运动一段时间后，经坐标原点O沿z轴正方向进入磁场I。不计离子重力。

（1）当离子甲从A点出射速度为v0时，求电场强度的大小E；

（2）若使离子甲进入磁场后始终在磁场中运动，求进入磁场时的最大速度vm；

（3）离子甲以的速度从O点沿z轴正方向第一次穿过xOy面进入磁场I，求第四次穿过xOy平面的位置坐标（用d表示）；

（4）当离子甲以的速度从O点进入磁场I时，质量为4m、带电量为+q的离子乙，也从O点沿z轴正方向以相同的动能同时进入磁场I，求两离子进入磁场后，到达它们运动轨迹第一个交点的时间差Δt（忽略离子间相互作用）。

解析 （1）如图4所示：

将离子甲从A点出射速度为v0分解到沿y轴方向和z轴方向，离子受到电场力沿y轴负方向，可知离子沿z轴方向做匀速直线运动，沿y轴方向做匀减速直线运动，从A到O的过程，有

（2）离子从坐标原点O沿z轴正方向进入磁场I中，在磁场I中做匀速圆周运动，经过磁场I偏转后从y轴进入磁场II中，继续做匀速圆周运动，如图5所示。

为了使离子在磁场中运动，则离子在磁场I中运动时，不能从磁场I上方穿出。在磁场II中运动时，不能从xOz平面穿出，则离子在磁场中运动的轨迹半径需满足

要使离子甲进入磁场后始终在磁场中运动，进入磁场时的最大速度为。

（3）离子甲以的速度从O点沿z轴正方向第一次穿过xOy面进入磁场I，离子在磁场I中的轨迹半径为

离子从O点第一次穿过到第四次穿过xOy平面的运动情景，如图6所示。

离子第四次穿过xOy平面的x坐标为

x4=2r2'sin45°=d

离子第四次穿过xOy平面的y坐标为

y4=2r'1=d

故离子第四次穿过xOy平面的位置坐标为（d，d，0）。

（4）设离子乙的速度为v'，根据离子甲、乙动能相同，可得

根据几何关系可知离子甲、乙运动轨迹第一个交点在离子乙第一次穿过x轴的位置，如图7所示。

评析：模型建构是物理学科核心素养中的重要要素之一，高考十分重视模型建构能力的考查。本题以中国“人造太阳”为背景进行命题，考查学生的模型建构能力，且对学生将来进行科学探究或从事科学或工程实践有引导作用。

本题涉及的模型主要是过程模型，过程模型是对具体物理过程纯粹化、理想化的抽象。本题中的过程模型包含匀速直线运动、匀变速直线运动、匀速圆周运动等，几种过程模型相组合，无疑增大了题目的难度，需要考生具备一定的空间想象能力。将几种模型进行综合的命题，实际上考查了学生的高阶思维能力。

在教学和备考中，教师应该让学生学会建构物理模型解决问题，而不是熟悉解题套路解答问题。

5    高考对实验探究能力的考查

实验探究能力指的是能独立完成基本的学生实验，能针对具体探究的问题，根据已有条件制订实验探究方案，根据实验数据形成合理结论并作出科学解释和评价的能力[3]。

例4 （2022年山东高考物理第14题）某同学利用实验室现有器材，设计了一个测量电阻阻值的实验。实验器材：

干电池E（电动势1.5 V，内阻未知）；

电流表A1（量程10 mA，内阻为90 Ω）；

电流表A2（量程30 mA，内阻为30 Ω）；

定值电阻R0（阻值为150 Ω）；

滑动变阻器R（最大阻值为100 Ω）；

待测电阻Rx；

（1）断开开关，连接电路，将滑动变阻器R的滑片调到阻值最大一端。将定值电阻R0接入电路；闭合开关，调节滑片位置，使电流表指针指在满刻度的处。该同学选用的电流表为_______（填“A1”或“A2”）；若不考虑电池内阻。此时滑动变阻器接入电路的电阻值应为________Ω。

（2）断开开关，保持滑片的位置不变。用Rx替换R0，闭合开关后，电流表指针指在满刻度的处，则Rx的测量值为________Ω。

（3）本实验中未考虑电池内阻，对Rx的测量值_________（填“有”或“无”）影响。

解析 （1）若不考虑电源内阻，且在电源两端只接R0，电路中的电流约为I== A=10 mA。由题可知，闭合开关，调节滑片位置，要使电流表指针指在满刻度的处，则该同学选到的电流表应为A1。当不考虑电源内阻，根据闭合电路的欧姆定律有E=（R+R0+RA1），计算出R = 60 Ω。

（2）断开开关，保持滑片位置不变，用Rx替换R0，闭合开关后，有E=（R+Rx+RA1），代入数据有Rx =100 Ω。

（3）若考虑电源内阻，根据闭合电路的欧姆定律有E=[（R+r）+R0+RA1］，E=[（R+r）+Rx+RA1］，联立计算出的Rx不受电源内阻r的影响。

评析：高考通过实验题来考查考生的实验探究能力。本题中，测量电阻阻值的实验是基本学生实验，要求学生选择合理的实验器材，并依据已有条件制订实验方案，得出实验数据，并对实验数据作出科学解释和评价。

解答本题的关键是依据实验方案，弄清楚实验原理，否则就无法正确解析第（2）问和第（3）问。测量电阻阻值的实验虽是常规实验，但是学生无法通过死记硬背在本题中得分。所以，在教学中，教师应该培养学生的实验探究能力，而不是让学生死记硬背实验目的、原理、器材、步骤、结论等。

6    高考对创新能力的考查

创新能力指的是在已有经验的基础上，通过自主学习和独立思考，发现新问题、获取新知识、创造新方法、解决新问题的能力[3]。新高考之后，物理学科的创新能力主要通过实验题来考查学生。