鄧 艾 黃子恒

(湖北省武漢市吳家山中學，湖北 武漢 430040)

1 2021年1月浙江省高考第21題分析與思考

1.1 原題呈現(xiàn)

圖1

(1) 求著陸裝置接觸到月球表面后瞬間線框ab邊產(chǎn)生的電動勢E；

(2) 通過畫等效電路圖,求著陸裝置接觸到月球表面瞬間流過ab的電流I0；

(3) 求船艙勻速運動時的速度大小v；

(4) 同桌小張認為在磁場上方、兩導軌之間連接一個電容為C的電容器，在著陸減速過程中還可以回收部分能量，在其他條件均不變的情況下，求船艙勻速運動時的速度大小v′和此時電容器所帶電荷量q。

1.2 試題解析

(1) 導軌相對線框具有向下的速度v0，因此整個裝置接觸月球表面后瞬間線框ab邊產(chǎn)生的電動勢E0=Blv0。

圖2

1.3 試題考查內(nèi)容分析

第(1)問是考查導體棒切割磁場產(chǎn)生感應電動勢E=Blv的簡單應用?？此坪唵?，學生在應用公式時會存在疑慮：既然著陸裝置接觸到月球表面后瞬間線框速度減為零,為什么還要計算ab邊產(chǎn)生的電動勢?學生要充分理解題目創(chuàng)設的問題情境，即船艙與線框作為著陸裝置的兩個部分，這兩個部分在著陸瞬間具有相對速度，使得閉合回路磁通量發(fā)生變化，最終使得ab邊具有感應電動勢。

第(2)問是考查恒定電流中串并聯(lián)電路知識，著重對高中階段閉合電路歐姆定律中內(nèi)外電路關系進行了考查。學生對于這種結構復雜、形狀不規(guī)則、原理復雜的著陸裝置，在審題時存在一定的膽怯心理。但是第(1)、(2)問的設置引導學生理清題意，撥云見日。

第(4)問引入了電容器，結合恒定電流的內(nèi)容，由于電容器兩端的電壓等于路端電壓。剛開始船艙的速度變大，產(chǎn)生的感應電動勢變大，使得船艙對電容器充電。從能量轉化的角度理解，著陸裝置的部分機械能轉化為電容器的電能儲。因此電容器影響整個系統(tǒng)的能量轉化過程，但是從動力學角度講：船艙穩(wěn)定狀態(tài)動力學方程不變。

1.4 試題評價

本題以科技前沿問題——嫦娥五號成功實現(xiàn)月球登陸為背景。嫦娥五號探測器是在2020年11月份成功發(fā)射，本次高考是2021年1月舉行，可以說高考試題的情境來源很新。以我國引以為豪的探月工程在近期取得的重大突破為情境進行命題，激發(fā)了學生的民族自豪感。

在思維流程設置上，以著陸裝置的設計為話題展開一系列與電磁感應有關的物理問題的探討，從以小明、小張同學的視角展開具體問題的研究與探討，這樣的表達形式具有一定的趣味性與時代感,激發(fā)了學生學習科學的興趣。從整體上看，問題的提出貼合實際需求(探測器最終肯定要在月球上著陸，如何平穩(wěn)著陸)，問題的情境符合實際狀況(月球上沒有空氣，沒有阻力，與地球表面存在很大的不同)，問題的解決貼近物理學科主干知識(電磁感應是高中階段的核心內(nèi)容)。

在試題內(nèi)容的設計上，以圖片加文字的形式詳細介紹著陸裝置的空間結構、電阻信息、初始運動狀態(tài)以及著陸過程中速度變化，考查學生的理解能力；其中緩沖彈簧在整個解題過程中并沒有用到，看似無意義但細細想來彈簧的出現(xiàn)實則是對真實情境的還原，如果著陸裝置以較大速度直接撞擊月球表面，瞬間產(chǎn)生的撞擊力會不會損壞探測器？

在問題的梯度設置上，層層遞進，由淺入深。從法拉第電磁感應定律的簡單應用，到閉合電路歐姆定律的應用，再到牛頓第二定律的應用、含電容器電路的動力學關系，都是對高中階段主干知識的考查。整題的已知條件中沒有具體的數(shù)字，全部都是字母，因此計算量不大，主要考查學生的科學推理能力。通過不同層級的問題創(chuàng)設，激發(fā)學生探索欲望，考查學生將具體問題轉化為物理模型的構建能力與靈活運用物理知識解決實際問題的能力。

從問題設置的方式上看，緊緊圍繞與電磁感應相關的幾個典型問題進行設問。以月球為背景，先考查學生對物體在月球表面運動時動力學關系的理解與運用。雖然不難，但是考查學生的適應性，很多學生建立方程時依然會當作在地球上一樣處理重力。學生在平時做題時要避免思維僵化，切忌漠視題目創(chuàng)設的具體情境。此外，最后一問中以能量的回收利用為切入點，穿插對電容器的考查?？梢钥闯?個不同角度的問題的提出切換很平滑，思維的過渡也較自然。同時關注能量的回收利用，激發(fā)學生對能源可持續(xù)發(fā)展的思考，進一步突出對核心素養(yǎng)中科學態(tài)度與責任的考查。

1.5 教學建議

(1) 教師在平時的教學中要關注科學、技術、社會、環(huán)境(STSE)方面的前沿話題?？梢钥紤]在研究性學習中提出一些小課題，讓學生利用互聯(lián)網(wǎng)資源搜索一些基本信息進行分享交流達到擴寬學生的知識視野、了解社會、關注環(huán)境、重視應用的目的[1]。同時也能使學生在考場上遇到這樣的情境化題目時感到不陌生，審題時多一份自信。

(2) 把握主干知識，重視思維能力的提升。從上述必備知識的分析可知，基本都是與電磁感應相關常規(guī)問題的探討，每個問題的設置都是對高中物理主干知識的考查，沒有很偏很怪的問題，但是創(chuàng)設的新情境給學生造成一定的困擾。因此在平時的教學中我們不能將學生訓練成做題的機器，應該在“魚”與“漁”之間做出決擇，教會學生分析問題的思維方法很重要。在把握主干知識的前提下，我們要重視學生在新情境下對信息的解讀能力、模型建構能力、綜合分析能力以及靈活應變能力。

2 2017年天津高考第14題分析

實際上學生對在導體棒切割磁感線形成電流的閉合電路中含電容器時能量轉化的具體過程、導體棒動力學關系的理解不到位，甚至害怕分析。下面以2017年天津卷高考題為例進行總結與整理。

2.1 原題呈現(xiàn)

電磁軌道炮利用電流和磁場的作用使炮彈獲得超高速度，其原理可用來研制新武器和航天運載器。電磁軌道炮示意如圖3，圖中直流電源電動勢為E，電容器的電容為C。兩根固定于水平面內(nèi)的光滑平行金屬導軌間距為l，電阻不計。炮彈可視為一質量為m、電阻為R的金屬棒MN，垂直放在兩導軌間處于靜止狀態(tài)，并與導軌良好接觸。首先開關S接1，使電容器完全充電。然后將S接至2，導軌間存在垂直于導軌平面、磁感應強度大小為B的勻強磁場(圖中未畫出)，MN開始向右加速運動。當MN上的感應電動勢與電容器兩極板間的電壓相等時，回路中電流為零，MN達到最大速度，之后離開導軌。求：

圖3

(1) 磁場的方向；

(2)MN剛開始運動時加速度a的大小；

(3)MN離開導軌后電容器上剩余的電荷量Q。

2.2 試題解析

(1) 電容器充電后上板帶正電，下板帶負電，放電時通過MN的電流由M到N，欲使炮彈射出，安培力應沿導軌水平向右，根據(jù)左手定則可知磁場的方向垂直于導軌平面向下。

2.3 試題考查內(nèi)容分析

(1) 以電磁軌道炮為背景，以電容器的充放電過程考查學生對電磁場能量轉化的理解。以MN導軌在磁場中的運動為模型，考查電磁感應現(xiàn)象中相互作用的分析與理解。

(2) 第(2)問承接第(1)問，進一步考查牛頓第二定律與安培力的定量計算。

(3) 第(3)問難度比較大，屬于“爬坡題”。集中考查電磁感應現(xiàn)象與電容器結合的初態(tài)與穩(wěn)態(tài)過程的綜合能力的分析。學生首先要進行過程分析，在未達到最大速度前，電路中存在兩個方向的電流：一是電容器不斷放電，放電電流由M流向N；二是MN在磁場中運動，切割磁場產(chǎn)生由N流向M的感應電流。初始時刻放電電流大于感應電流，導體棒MN一直加速。當放電電流等于感應電流時，導體棒MN所受安培力為零，速度達到最大。其次要選用合適的規(guī)律與定理，解題關鍵是利用動量定理將導體棒的初速度與末速度關聯(lián)起來，再利用電流的定義進一步與電容器的放電電荷量關聯(lián)起來。

3 電磁感應現(xiàn)象中含電容器的試題命題特點

電容器作為電磁學章節(jié)中一種重要的元件，不同于電阻。電阻與電流的關系以歐姆定律U=IR表征，是線性關系。電容器與電流的關系，在高中階段不做硬性要求，在課本上直接以實驗結果的形式展示，充電過程中電流隨時間的變化圖線為曲線，實際呈指數(shù)函數(shù)關系。一般針對含恒定電源、電容器未達到穩(wěn)定狀態(tài)的中間過程不作定量計算的要求，多半結合電路結構進行定性動態(tài)分析。但是針對含恒定的電壓源的電路中電容器初態(tài)與穩(wěn)態(tài)，一般結合電容器的基本定義式及電容器兩個極板上電壓的特點，以定量計算形式進行考查。