湖南 謝志剛 曹一民

湖南省高考物理試題在2020年前采用全國卷Ⅰ，從2021年開始自主命題。試題對第16題即選修3-4部分內(nèi)容的考查主要圍繞主干知識：簡諧運動、振動圖像、波動圖像、光的折射定律和全反射定律、多普勒效應(yīng)等。從考查題型來看，2017年選修3-4(1)和2018年選修3-4(1)為填空題、2019年選修3-4(1)，2020年選修3-4(1)和2021年選修3-4(1)均為選擇題，近5年選修3-4(2)均以計算題的形式呈現(xiàn)。下面筆者通過對一道高考真題的溯源與解析，分析近年來高考的變化，并提出一些自己的教學(xué)建議。

一、真題展示

1.2021年高考物理湖南卷第16題第(1)問

【題目】(1)均勻介質(zhì)中，波源位于O點的簡諧橫波在xOy水平面內(nèi)傳播，波面為圓，t=0時刻，波面分布如圖1所示，其中實線表示波峰，虛線表示相鄰的波谷。A處質(zhì)點的振動圖像如圖2所示，z軸正方向豎直向上。下列說法正確的是________。

圖1

圖2

A.該波從A點傳播到B點，所需時間為4 s

B.t=6 s時，B處質(zhì)點位于波峰

C.t=8 s時，C處質(zhì)點振動速度方向豎直向上

D.t=10 s時，D處質(zhì)點所受回復(fù)力方向豎直向上

E.E處質(zhì)點起振后，12 s內(nèi)經(jīng)過的路程為12 cm

2.2021年高考物理湖南卷第16題第(2)問

【題目】(2)我國古代著作《墨經(jīng)》中記載了小孔成倒像的實驗，認識到光沿直線傳播。身高1.6 m的人站在水平地面上，其正前方0.6 m處的豎直木板墻上有一個圓柱形孔洞，直徑為1.0 cm、深度為1.4 cm，孔洞距水平地面的高度是人身高的一半。此時，由于孔洞深度過大，使得成像不完整，如圖3所示?，F(xiàn)在孔洞中填充厚度等于洞深的某種均勻透明介質(zhì)，不考慮光在透明介質(zhì)中的反射。

圖3

(Ⅰ)若該人通過小孔能成完整的像，透明介質(zhì)的折射率最小為多少?

(Ⅱ)若讓掠射進入孔洞的光能成功出射，透明介質(zhì)的折射率最小為多少?

二、真題溯源與解析

1.2021年高考物理湖南卷第16題第(1)小題溯源與解析

人教版高中物理選修3-4第十二章第4節(jié)最早出現(xiàn)用兩組同心圓表示從波源發(fā)出的兩列波來解釋波的疊加現(xiàn)象，但是教材在第6節(jié)才提出“波面”與“波線”。相較于折射、全反射、干涉等概念，考生對波面感到相對陌生?？v觀近年各地高考試題，浙江省高考題中多次出現(xiàn)用圓或直線表示波面，例如2017年11月浙江省普通高校招生選考物理第16題、2018年4月浙江省普通高校招生試卷第16題等。2021年湖南高考第16題第(1)小題[以下簡稱第(1)小題]源于2020年1月浙江選考試題第16題。

1.1 題源

【例題】(2020年1月浙江普通高校招生選考物理試卷第16題)如圖4所示，波源O垂直于紙面做簡諧運動，所激發(fā)的橫波在均勻介質(zhì)中向四周傳播，圖中虛線表示兩個波面。t=0時，離O點5 m的A點開始振動；t=1 s時，離O點 10 m的B點也開始振動，此時A點第五次回到平衡位置，則

( )

圖4

A.波的周期為0.4 s

B.波的波長為2 m

D.t=1 s時AB連線上有4個點處于最大位移

1.2 題源演變

本題考查了波動規(guī)律，采用“波面”與“波線”描繪波的傳播性質(zhì)，在同一波面上的各點振動情況相同。根據(jù)振動時間與振動次數(shù)可求得周期，根據(jù)兩波面的距離可以求得波長，結(jié)合波長與周期關(guān)系可求波速，分析AB間波形可以確定處于最大位移處的質(zhì)點。第(1)小題的考查方向與題源一致，選項設(shè)置為對傳播時間、質(zhì)點所處位置、回復(fù)力方向、波速及振動路程的求解。但第(1)小題所給條件從題源的直接給出演變成把研究的點設(shè)定在直角坐標(biāo)系中，需要考生計算各點所在波面之間的距離，從而得到波長。對周期的求解由題源通過文字交代演變成通過圖2振動圖像直接讀取，對振動質(zhì)點的位置確定由題源的最大位移位置演變成根據(jù)參考點到波源的距離來確定質(zhì)點所在位置，真題的總體難度在增加，需要考生熟練運用“波面”“波線”概念結(jié)合波動規(guī)律解題。

1.3 2021年高考物理湖南卷第16題第(1)問解析

2.2021年高考物理湖南卷第16題第(2)小題溯源

2.1 題源

考生反饋：對“掠射”的概念模糊不清，“掠射”即光線的入射角等于90°時的入射現(xiàn)象。“掠射”的概念源自于人教版2010年4月第3版教材的思考與討論部分。

不同的介質(zhì)，由于折射率不同，在空氣中發(fā)生全反射的臨界角是不一樣的。請大家計算光從折射率為n的某種介質(zhì)射向空氣(真空)發(fā)生全反射時的臨界角C。

計算時可以先考慮圖5的情形：光以接近90°的入射角從空氣掠射進入介質(zhì)，求出這時的折射角，根據(jù)光路可逆的道理，也就知道光從介質(zhì)射入空氣時發(fā)生全反射的臨界角了。

圖5

2021年湖南高考第16題第(2)小題[以下簡稱第(2)小題]源自于人教版2010年4月第3版教材第十三章第2節(jié)課后習(xí)題，如下：

【例題】為了從坦克內(nèi)部觀察外部目標(biāo)，在坦克壁上開了一個孔。假定坦克的壁厚20 cm，孔的直徑為12 cm，孔內(nèi)安裝一塊折射率1.52的玻璃，厚度與坦克的壁厚相同，坦克內(nèi)的人通過這塊玻璃能看到的外界的角度范圍為多大？

圖6

2.2 題源演變

教材課后例題選取從坦克內(nèi)部觀察外部目標(biāo)為問題情境，考查光的折射、全反射等物理知識。學(xué)生根據(jù)題意畫出光路圖再利用幾何關(guān)系求得視角范圍。類似的生活場景還有“貓眼”“門洞”“光纖傳導(dǎo)”等模型，這類模型的試題往往設(shè)置成求最值問題，即求最大視角、最大入射角、最大出射角等。第(2)小題以這些模型為藍本，以中國傳統(tǒng)文化為背景創(chuàng)設(shè)問題情境，引入“掠射”概念使得題目更加生活化、題意更明了化。

2.3 2021年高考物理湖南卷第16題第(2)問解析

【解析】(1)折射光線作圖如圖7所示

圖7

(2)如圖8，在“掠射”的情況下，當(dāng)折射率取最小值時

sinα1=1 sinβ1=sinβ

圖8

【總結(jié)】從第16題兩小題的題源我們可以看出高考重視對基本規(guī)律的運用和對基本概念、基礎(chǔ)知識的考查，適當(dāng)加入源于教材的模型，能引導(dǎo)教學(xué)回歸教材基本內(nèi)容，促使教師與學(xué)生重視教材資源，夯實學(xué)科基礎(chǔ)。

三、試題評析

1.題型穩(wěn)定、難度適中

近5年高考湖南考卷對選修3-4考查內(nèi)容及題型如下：

年份題號 2017年2018年2019年2020年2021年選修3-4(1)波、振動圖像 光的折射波、振動圖像 多普勒效應(yīng) 波、振動圖像 選修3-4(2)光的折射波、振動圖像 光的折射波的干涉光的折射

從近幾年的考查情況來看，試題題型穩(wěn)定，難度適中。重點對教材主干知識進行考查，體現(xiàn)了今年高考湖南卷物理試題求穩(wěn)的特點。

2.以具體情境為依托，傳統(tǒng)模型再創(chuàng)新

相對于往年傳統(tǒng)的波動圖像題，第(1)小題采用“波面”與“波線”來描繪簡諧橫波，考查學(xué)生是否理解同一波面上的所有質(zhì)點的振動情況一致，且沿任意波線傳遞的振動形式仍可以用正余弦函數(shù)表示。通過“波面”虛、實線之間的距離可求得波長，由振動圖像獲取周期，結(jié)合參考點到波源的距離、根據(jù)振動的周期性特點可以得出各點的運動情況和受力情況。

對考生而言，本題有三大難點：(1)對“波面”和“波線”的概念理解不透徹，導(dǎo)致對模型的理解不清。(2)無法確定研究點到波源的距離與波長的關(guān)系，無法確定研究點的振動情況。(3)沒有掌握沿任意“波線”方向可以用正余弦函數(shù)描述能量的傳遞形式。

第(2)小題以小孔成像作為信息導(dǎo)入，考查了折射定律。解答此題要根據(jù)光的直線傳播情況，畫出光路圖，根據(jù)模型中的幾何關(guān)系求出折射角、入射角，然后根據(jù)光的折射定律或全反射條件求出介質(zhì)的折射率。高考評價體系規(guī)定了以情境來承載考查內(nèi)容，實現(xiàn)考查要求。本題取材于生活中常見的小孔成像現(xiàn)象，以光通過透明介質(zhì)時的折射現(xiàn)象為生活實踐問題情境，考查學(xué)生分析和解決實際問題的能力。學(xué)生在解答此題時有以下難點：(1)無法正確作好臨界光線、無法確定好臨界光線的入射角和折射角。(2)對“掠射”概念模糊不清。

3.凸顯對物理素養(yǎng)與能力的考查

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》明確了物理學(xué)科核心素養(yǎng)為物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

第(1)小題考查運動觀念、相互作用觀念、能量觀念，要求學(xué)生必須掌握波動圖像與振動圖像的區(qū)別，理解波的傳播過程中只傳遞振動的形式和能量，在簡諧橫波中所有質(zhì)點只在平衡位置附近上下振動，并沒有“隨波逐流”。選項BCD考查科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，要求學(xué)生能從物理學(xué)的視角對簡諧橫波的本質(zhì)屬性、波的傳播和機械振動過程中的內(nèi)在規(guī)律進行分析，以“波面”、“波線”描述簡諧橫波的方式進行模型建構(gòu)，并進行科學(xué)推理，得出結(jié)論。

挖掘中國元素，講好中國故事，第(2)小題以中國古代著作《墨經(jīng)》中的小孔成像實驗為切入點了解中國古代自然科學(xué)的發(fā)展。試題考查物理觀念：光在同種介質(zhì)中的直線傳播和在不同介質(zhì)分界處的折射現(xiàn)象；科學(xué)思維：將生活情境轉(zhuǎn)化成物理模型，把光在孔洞中的傳播轉(zhuǎn)化為光在矩形透明介質(zhì)中的折射模型；科學(xué)推理：確定好臨界光線，找好入射角和折射角，利用折射定律求解介質(zhì)折射率。

四、教學(xué)啟示

1.回歸課本，重視對基本物理概念和規(guī)律的復(fù)習(xí)

選修模塊試題內(nèi)容大部分題源來自于教材，因此教師在課堂中要把所有概念、原理講解到位，在講解重點知識和常用概念的同時也要兼顧對冷門考點和生僻概念的學(xué)習(xí)，構(gòu)建全面的物理知識體系。重視教材“思考與討論”“演示”“練習(xí)與應(yīng)用”“做一做”“科學(xué)漫步”等欄目，使教學(xué)回歸教材基本內(nèi)容。師生要充分挖掘課本例題，提煉例題中的模型與原理，訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維能力，對例題進行一題多解、一題多變，再歸納概括，建模重構(gòu)，做到同中求異、異中有同。教師還要充分體會教材插圖的含義，引導(dǎo)學(xué)生積極探究，訓(xùn)練學(xué)生將教材部分插圖簡化成物理模型，提升學(xué)生解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

2.重視由生活實際情境建構(gòu)物理模型

學(xué)生在掌握物理學(xué)科基本知識、基本規(guī)律的同時，要學(xué)會根據(jù)實際情境運用科學(xué)思維、科學(xué)方法解決生活實踐中的物理問題。高考試題絕不是教材知識的簡單回顧，也不是對基本概念、基本規(guī)律的直接應(yīng)用，教師講解基本物理模型時要把情境融入生活，注重學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”，拔高學(xué)生的認知水平。第(2)小題的模型來自于生活中的門洞“貓眼”、坦克的觀察鏡等。因此教師在教學(xué)過程中要善于從日常生活生產(chǎn)、體育運動、科學(xué)事件、環(huán)境保護等方面選取素材，創(chuàng)設(shè)物理情境，培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)物理模型的能力。