蔣霖峰 陸建隆

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院,江蘇 南京 210097)

·高考命題研究·

高考物理江蘇卷回旋加速器“三部曲”的賞析與啟示

蔣霖峰 陸建隆*

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院,江蘇 南京 210097)

縱覽近40年的高考物理試題發(fā)現(xiàn),帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動一直是考查重點,而以回旋加速器為試題情景更是高頻發(fā)生．本文以2009、2011、2016高考物理江蘇卷中三道回旋加速器計算題為例,賞析其在能力立意下傳統(tǒng)模型的創(chuàng)新和物理原汁原味的體現(xiàn),在此基礎(chǔ)上探討進(jìn)一步提高高中物理教學(xué)與復(fù)習(xí)質(zhì)量的建議．

高考物理江蘇卷;回旋加速器;帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動;物理教學(xué)建議

1 引言

一年一度的高考出現(xiàn)了許多優(yōu)秀試題,他們在終端檢驗高中教學(xué)質(zhì)量和科學(xué)區(qū)分考生能力從而選拔人才的同時,為我們的教學(xué)研究提供了很好的平臺和切入點．

自1977年恢復(fù)高考以來,縱覽1978—2016年的近40份高考物理真題江蘇卷(2004年以前為全國卷或教育部單為江蘇命制的卷,2004年以后則為江蘇省獨立命題)發(fā)現(xiàn),關(guān)于帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動一直是高考考查的重點．近40份的高考真題卷中,有25份以計算題的形式考查了帶電粒子在電磁場中運(yùn)動的相關(guān)知識,尤其從2003年以來,每年都會有相應(yīng)的計算題出現(xiàn),分值趨于穩(wěn)定,大約為全卷總分值的15%,體現(xiàn)終端評價對該部分內(nèi)容的重視程度．縱覽這些真題卷,發(fā)現(xiàn)在題干敘述方面亦有鮮明的特色變化,2000年之前的真題卷不重視試題情景的構(gòu)建,題干敘述顯得較理論化,缺乏生活氣息．而2000年之后,尤其是江蘇省獨立命題以來,試題傾向于通過簡潔的敘述,為學(xué)生提供一個真實的問題背景,給考生完成思維任務(wù)或操作活動提供一個平臺,所有考生在這個平臺上展現(xiàn)自己解決問題的能力．值得關(guān)注的是,2008年高考改革以來共出現(xiàn)3次以回旋加速器作為該部分計算題試題情景,且每次都在原有模型上有所創(chuàng)新,得到廣大一線教師的認(rèn)可與好評．

2 高考物理江蘇卷回旋加速器“三部曲”賞析

回旋加速器作為電磁學(xué)教學(xué)內(nèi)容之一,其在科研、醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用,符合情景化試題的素材要求,其相應(yīng)原理在高中物理教學(xué)中也是電磁學(xué)重點知識．我們欣喜地注意到近些年來江蘇卷就以簡單的回旋加速器模型為例,命制出3道新題(表1),素材選擇的背后是對回旋加速器“三細(xì)節(jié)”的仔細(xì)考量,從而奏出“回旋加速器三部曲”．

表1 高考物理江蘇卷回旋加速器“三部曲”概述

正如表1所述,在物理教學(xué)中為了讓回旋加速器模型更加簡單從而簡化思維過程,通常對回旋加速器模型做出簡化,常見的簡化有忽略高能粒子的相對論效應(yīng)、忽略帶電粒子的加速時間等．這些簡化隨著時間的推移在教學(xué)中已形成了“潛規(guī)則”,從而讓部分教師和學(xué)生產(chǎn)生思維定勢:高能粒子就是該忽略相對論效應(yīng)、帶電粒子的加速時間當(dāng)然不用考慮等．2009年、2011年和2016年的高考物理江蘇卷就針對中學(xué)教學(xué)長期形成的“固化認(rèn)識”進(jìn)行反撥,從而讓試題情景更具現(xiàn)實意義,彰顯試題的原汁原味．

2.1 三部曲之一:回旋頻率與加速頻率的匹配

2008年高考新方案的實施,強(qiáng)化了電磁學(xué)在高中物理教學(xué)的地位,電磁學(xué)部分的計算也成為3道計算題中的壓軸題．在當(dāng)時,回旋加速器模型的重要性還沒有引起教師足夠的重視,對加速度問題的考查也基于對模型的過多簡化,例如回旋頻率永遠(yuǎn)與加速電壓的頻率相匹配,這樣一來,粒子每回旋一個周期將恰好被加速,粒子出射的最大動能只取決于磁感應(yīng)強(qiáng)度和D型盒的半徑等外在條件．事實上,磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大會導(dǎo)致回旋頻率的增大,從而需要頻率更高的加速電壓與其匹配,在現(xiàn)實情況中,磁感應(yīng)強(qiáng)度與加速電壓的頻率都有最大值的限制．在2009年的物理高考卷中就考查了這種現(xiàn)實情況(2009年第14題),讓一線教師充分認(rèn)識到很多“理所當(dāng)然”的簡化在高考中會成為命題切入點．該題背景源于選修3-1課本中回旋加速器的相關(guān)內(nèi)容,考慮到回旋加速器是現(xiàn)代科學(xué)研究和生產(chǎn)中的重要設(shè)備,試題對回旋頻率與加速頻率匹配這一現(xiàn)實問題做了一次創(chuàng)新性的考查．總的說來,本題基于回旋加速器基本工作原理設(shè)置3個問題,第(1)問考查考生對帶電粒子在電場、磁場中運(yùn)動規(guī)律的理解,較簡單;第(2)問要求考生知道粒子在回旋加速器中運(yùn)動的周期性,通過求解粒子被加速的總?cè)?shù)得到相應(yīng)結(jié)果;第(3)問要求考生知道粒子通過狹縫一次次被加速的原理,通過邏輯推理,得到最大磁感應(yīng)強(qiáng)度和最高加速電場頻率之間的約束關(guān)系,分別討論粒子能獲得的最大動能.要求考生具有較強(qiáng)的思維能力、綜合分析問題的能力和應(yīng)用物理規(guī)律初步解決實際問題的能力,屬較高要求．

本題對引導(dǎo)中學(xué)物理教學(xué)關(guān)注現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,加強(qiáng)與生產(chǎn)生活的實際應(yīng)用相聯(lián)系有重要的導(dǎo)向意義.本題的提問方式新穎,層次分明,應(yīng)有較高的區(qū)分度.

2.2 三部曲之二:高能粒子相對論效應(yīng)的取與舍

本題的情景以質(zhì)量的相對論效應(yīng)為切入點,看似超綱實則完全符合考綱要求,通過對相對論效應(yīng)的簡化,較好地考查考生的分析綜合能力和應(yīng)用數(shù)學(xué)解決物理問題的能力,對優(yōu)秀學(xué)生有很高的區(qū)分度．這對引導(dǎo)考生重視基本概念規(guī)律的學(xué)習(xí),摒棄“題海戰(zhàn)術(shù)”、“機(jī)械訓(xùn)練”有積極意義．

2.3 三部曲之三:考慮帶電粒子的加速時間

根據(jù)中學(xué)階段回旋加速器常規(guī)模型,由于帶電粒子動能較大,D型盒之間的縫隙寬度較小,所以將帶電粒子在D型盒之間的加速時間忽略不計,從而降低學(xué)生的思維層次,簡化了相應(yīng)的物理模型．考慮現(xiàn)實情況下的回旋加速器:帶電粒子在D型盒之間的加速時間會導(dǎo)致每次回旋周期發(fā)生微小的改變,多次回旋之后,由于累加效應(yīng),回旋周期的改變將會導(dǎo)致回旋頻率與加速電壓頻率之間發(fā)生相移,從而限制粒子的出射動能．在兩次以回旋加速器為考查背景之后,很多一線教師認(rèn)為加速器模型已經(jīng)開發(fā)殆盡,其作為壓軸計算題出現(xiàn)的可能性不大,但繼第2次考查回旋加速器后的5年,即2016年的江蘇高考物理卷,又以粒子的加速過程為切入點,考慮粒子被加速過程所需時間,從而命制出一道區(qū)分度很高的壓軸題(2016年第15題)．本題作為2016年江蘇高考物理卷的壓軸題,在題干敘述中明確強(qiáng)調(diào)“現(xiàn)考慮粒子在狹縫中的運(yùn)動時間”,這與教學(xué)中常規(guī)加速器模型有很大不同,讓學(xué)生較為陌生,也是本題創(chuàng)新所在．當(dāng)然,本題在對模型進(jìn)行創(chuàng)新之余也對其創(chuàng)新之處做了相應(yīng)簡化,其考慮“能夠出射的粒子每次經(jīng)過狹縫均做加速運(yùn)動”,這讓考查既原汁原味又給考生提供解題“抓手”,規(guī)避部分由于考慮加速時間所帶來復(fù)雜情況的討論．基于以上考慮,本題設(shè)置3個小問,第(1)問是常規(guī)問題,難度較小;第(2)、(3)問需要考慮粒子被加速時間不可忽略所帶來的相移,區(qū)分度較大．

從本題的物理模型可以看出,這是對回旋加速器模型的再次創(chuàng)新，在課堂教學(xué)中,我們一般不考慮粒子在電場中的加速時間,但本題以此為切入點,考慮粒子在電場中的加速過程．

圖1 回旋加速器三部曲

如圖1所示，其實回旋加速器三部曲之間是互相關(guān)聯(lián)而非各自獨立的,若不考慮帶電粒子在電場中的加速時間那么將會導(dǎo)致帶電粒子的相移,從而使得加速頻率與回旋頻率不匹配,另一方面,高能粒子的相對論效應(yīng)會使粒子質(zhì)量發(fā)生改變,影響粒子回旋頻率,從而也會導(dǎo)致加速頻率與回旋頻率不匹配的問題．所以,加速頻率與回旋頻率的匹配問題是提高加速器效率的終端問題,頻率匹配度的提高將會大幅度提高回旋加速器的效率,這也是在科研活動中待解決的問題之一．這3道高考題通過試題情景的構(gòu)建,將傳統(tǒng)模型進(jìn)行創(chuàng)新,為學(xué)生提供現(xiàn)實的物理問題情景,體現(xiàn)了試題的原汁原味,彰顯了試卷的學(xué)科品味與科學(xué)內(nèi)涵,讓學(xué)生在解決真實問題的過程中展現(xiàn)能力,體會物理知識的學(xué)以致用．

3 基于回旋加速器“三部曲”的對高中物理學(xué)習(xí)與復(fù)習(xí)的一點教學(xué)啟示

江蘇高考物理卷對回旋加速器的3次考查,表象上意在讓加速器模型更接近現(xiàn)實情景,彰顯試題的原汁原味;從更深層次的意義上來說,是想通過加速器的3次終端評價,反撥中學(xué)物理教學(xué)尤其是高三復(fù)習(xí)課教學(xué)的改革深化,在逐步走出題海戰(zhàn)術(shù)的誤區(qū)同時,扎實推進(jìn)基于物理核心素養(yǎng)的物理教學(xué)．由前面對基于回旋加速器 “三部曲”試題的分析,有下列啟示供教師們參考．

(1) 深刻領(lǐng)會高考作為基礎(chǔ)教育終端評價對高中物理教學(xué)改革的反撥作用.

自江蘇省2004年自主命題以來,命題工作已經(jīng)走過12個年頭,尤其從2008年“08方案”實施至今,高考物理江蘇卷已經(jīng)形成其穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)與鮮明的特色,命題質(zhì)量和水平逐步提高．高考作為一項為高等學(xué)校錄取新生服務(wù)的選拔性考試,一直是社會的熱點問題,高考的改革牽動著億萬百姓的神經(jīng)．高考江蘇卷切合高中課程與教學(xué)改革時機(jī),堅持大膽探索,試題堅持能力立意,形成了具有獨特風(fēng)格的江蘇卷．

以往,人們總是將考試與應(yīng)試教育聯(lián)系在一起,認(rèn)為只要有考試,素質(zhì)教育就不可能實現(xiàn)．實則不然,高考作為基礎(chǔ)教育的總指揮棒,一線教師和學(xué)校管理者在指揮棒的引導(dǎo)下安排相應(yīng)教學(xué)任務(wù),若指揮棒指揮合理,將中學(xué)教育向能力培養(yǎng)方向指揮,讓試卷真正能考查出考生的相應(yīng)能力,讓“刷題”也不一定能拿高分,那么一線教師也將會逐漸摒棄題海戰(zhàn)術(shù),從教學(xué)意識層面逐步實現(xiàn)從“應(yīng)試教育”向“素養(yǎng)教育”的轉(zhuǎn)變,這便是高考作為終端評價的正向反撥作用,所以一張高質(zhì)量的高考卷將促進(jìn)中學(xué)教育制度的改革,有利于教學(xué)實踐的優(yōu)化提升．作為中學(xué)教師,應(yīng)該深刻認(rèn)識到高考對教學(xué)改革不斷深化的正向作用,在高考物理江蘇卷的核心命題思想和相應(yīng)試卷特色的指導(dǎo)下改進(jìn)教學(xué)工作,切實提高學(xué)生物理學(xué)習(xí)與復(fù)習(xí)的質(zhì)量．

(2) 巧用優(yōu)質(zhì)高考題資源進(jìn)行深度備課從而促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí).

恢復(fù)高考40年、分省命題12年涌現(xiàn)了一大批優(yōu)質(zhì)的高考試題．作為教師,研究這些好題,將好題中的思路方法帶入課堂,將好題的命題思路帶入教研活動,不僅有利于學(xué)生能力的培養(yǎng)更有利于教師自身的專業(yè)化發(fā)展．近年來首都師大的邢紅軍教授提出了高端備課的概念,其強(qiáng)調(diào)在教學(xué)設(shè)計中體現(xiàn)“從物理知識傳授到物理方法教育,再到物理思想形成的核心理念”,邢紅軍教授提出的高端備課本質(zhì)上是凸顯科學(xué)方法教育的備課．從中我們可以得到這樣的啟發(fā),物理教學(xué)設(shè)計一定要有自己的核心理念．那么對于高三的復(fù)習(xí)課教學(xué),我們自然應(yīng)該凸顯評價的正向作用．不可否認(rèn),高三的復(fù)習(xí)教學(xué)就是為了迎戰(zhàn)高考,為了復(fù)習(xí)課的高效開展,從評價入手,深入研究高考優(yōu)秀題,做到用一道優(yōu)秀題串起一堂優(yōu)質(zhì)復(fù)習(xí)課．例如帶電粒子在電磁場中運(yùn)動的復(fù)習(xí)課上,教師可以將高考物理江蘇卷的回旋加速器三部曲作為3個范例,串起整節(jié)復(fù)習(xí)課,教師通過對范例的解讀,培養(yǎng)學(xué)生在近似真實的情景中解決問題的能力,促進(jìn)學(xué)生高效學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)．在此,我們提出高考復(fù)習(xí)課備課的新范式:組織一線教師通過教研活動的形式研究優(yōu)秀高考題,通過改編、提煉等方式總結(jié)出優(yōu)秀題的思想方法,最后將其帶入課堂．簡而言之,高三復(fù)習(xí)課的備課應(yīng)該是基于高考評價的深度備課．

(3) 積極探索江蘇卷試題特色和變化規(guī)律,力圖使考生的高三復(fù)習(xí)與最后高考無縫對接.

從回旋加速器“三部曲”的考查我們可以窺探出一些高考壓軸題的部分命題思路,其針對平常教學(xué)中常規(guī)的回旋加速器模型進(jìn)行創(chuàng)新:默認(rèn)粒子質(zhì)量不變,卻在2011年高考中考慮了相對論效應(yīng);默認(rèn)粒子加速時間不計,卻在2016年高考中考慮了加速時間帶來的相移．所以,對舊素材進(jìn)行深度挖掘,從物理模型的簡化點入手挖掘命題點,將物理模型部分去理想化,從而將舊素材創(chuàng)新化,一道新穎質(zhì)高的試題就誕生了．

切實領(lǐng)悟到江蘇高考物理卷試題特色和變化規(guī)律的一線教師將會自然意識到,在能力立意指導(dǎo)下的高考物理命題旨在反撥高三物理復(fù)習(xí)教學(xué)走出題海戰(zhàn)術(shù)．只有真正讓學(xué)生走進(jìn)實驗室、讓學(xué)生親歷探究過程、讓學(xué)生解題中體會學(xué)以致用、讓學(xué)生系統(tǒng)復(fù)習(xí)中感悟到物理對現(xiàn)代社會的重要影響,我們的物理教學(xué)與復(fù)習(xí)就真正落實了基于物理核心素養(yǎng)的教學(xué),我們的考生就能在高考中發(fā)揮出自己的高水平,真正做到贏在高考．

1 張大昌,張維善，等.高中物理選修3-4[M].人民教育出版社,2010:106.

2 邢紅軍.高中物理高端備課[M]. 北京：中國科技出版社, 2014.

3 江蘇省教育考試院試題分析編寫組.2015年高考(江蘇卷)試題分析[M].南京：東南大學(xué)出版社,2015:107-109.

4 丁岳林.例說相移對回旋加速器的影響[J]. 物理教師, 2012(3)：40-42.

5 黃紅波.物理高考中的試題情境[J]. 物理教師, 2016, 37(6)：83-87.

6 李維兵.對回旋加速器中運(yùn)動軌跡相關(guān)問題的分析[J].物理教師，2012(4)：14-15.

7 卞志榮.回旋加速器與高考[J].物理教師，2010(12)：51-52.

2016-08-15)

* 通訊作者：陸建隆，E-mail: 723538706@qq.com.