高中物理教学论文 体现探究过程的高考试题解答 16页

体现探究过程的高考试题解答 ‎ ‎ ‎ 内容提要：本文首先说明物理教学要强调过程性和探究性的理念，然后通过对2020年全国及几省高考试卷中的几个大题、难题的分析、解答，体现高考试题解答的过程性和探究性。‎ 关键词：探究 过程 高考 试题 高中物理课标教科书的最大特点是:突出探究性学习、研究性学习.‎ 把物理概念的建立过程展现给学生.物理概念,在物理学史上,有其提出、建立、发展、完善过程；在物理教学中,也应展现它的建立过程.而不能把学概念理解成背定义,像背语文课文那样去背,否则便达不到提高科学素质的目的,即使应付考试,也只能应付低层次的考试.‎ 讲一个基本概念,从历史的发展讲起,人们从不全面的自然现象和生产经验中,得到一些原始的往往是不正确的概念,以后从积累的生产经验中发现有矛盾,又从人们有意的实验中,来分辨这些矛盾、概念的正确和错误,从而得出改进了的概念,在进一步的实验中,又发现这种概念的不完备性和矛盾,再用人为的实验进一步验证和分辨其真伪.这种人类对物理世界的认识,以及怎样用这种认识来提高我们的生产水平和满足各种需要的各种事实激发同学们对知识的追求探索,启迪同学们掌握学习的正确方法.‎ 把物理规律的导出过程展现给学生.物理规律,包括定律、法则、定理、公式,有的来源于前辈物理学家的实验,有的来源于已学过知识的推导（就课本而言）,要教学生理解并应用规律,须使他们知道规律的来龙去脉,能做实验的要尽量做实验,重现物理学家创设的物理背景；不能做实验的也要讲清推导过程.这样才能使学生弄清规律的适用范围、公式的物理意义而不致于乱代公式、乱套公式,盲目地计算结果、对答案.‎ 把物理实验的进行和分析过程展现给学生.物理实验,有学生实验,演示实验,课外小实验等,实验往往对概念的建立或规律的导出起重要的作用,只有做好并分析好实验,才能使学生明白规律的导出过程,也就明白规律的适用条件.在整个实验和分析过程中,多让学生参与,甚至可让学生动手做,后边看不到的学生可往前边来,站着挤在一起看也可以,不要怕课堂秩序乱.有条件的学校可用多媒体“放大”实验,以便更多的人看得清楚.‎ 学生对实验有亲身的经历、切实的感受,对定律才有深刻的认识.然后再通过一定量的练习,当然还有学生实验（验证实验）才能巩固这个规律.否则,从文字、语法再反复、详细地讲解也达不到这个效果.‎ 高考要逐步适应新课标,新教材.适应它的探究性是其中之一.首先,应在试题的答案中体现探究性.‎ 公布高考试题答案的作用大概有两方面,一是对当年应考的学生,他们的主要目的是知道答案,估计分数,对他们来说,知道结果和结论就可以了,不必探究过程;二是对在校高中生,即明年、后年或更以后参加高考的学生,他们的目的是从高考试题及答案中学习怎样解物理题,怎样应对即将到来的高考,并通过解物理题加深对物理概念、物理规律的理解和掌握.对于他们,仅仅知道结果和结论是不够的,他们要知道探究过程,不但要知其然,也要知其所以然,要举一反三,因为明年及以后的高考不是这些题目了,但他们要通过这些题目学习解题的思维方法和探索途径.当然还有高中物理教师和其他教学研究者如教研室的教研员等,当然他们研究的最终目的仍在学生应对高考.‎ 笔者以2020年高考物理试题作一下探索.把解题的思维和探索过程展现给学生,而不是只把结论和结果给出来,本文给出的一些探究过程是原标准答案中没有的。.‎ 例1．（22分）正电子发射计算机断层（PET）是分子水平上的人体功能显像的国际领先技术，它为临床诊断和治疗提供全新的手段。‎ ‎（1）PET在心脏疾病诊疗中，需要使用放射正电子的同位素氮13示踪剂。氮13是由小S d 高频电源 导向板 B 型回旋加速器输出的高速质子轰击氧16‎ 获得的，反应中同时还产生另一个粒子，试写出该核反应方程。‎ ‎（2）PET所用回旋加速器示意如图，其中置于高真空中的金属D形盒的半径为R，两盒间距为d，在左侧D形盒圆心处放有粒子源S，匀强磁场的磁感应强度为B，方向如图所示。质子质量为m，电荷量为q。设质子从粒子源S进入加速电场时的初速度不计，质子在加速器中运动的总时间为t（其中已略去了质子在加速电场中的运动时间），质子在电场中的加速次数于回旋半周的次数相同，加速质子时的电压大小可视为不变。求此加速器所需的高频电源频率f和加速电压U。‎ ‎（3）试推证当Rd时，质子在电场中加速的总时间相对于在D形盒中回旋的时间可忽略不计（质子在电场中运动时，不考虑磁场的影响）。‎ 解(1)核反应方程为 ‎ (2)设质子加速后的最大速度为v,‎ 由 (1) 得 (2)‎ 周期为: (3)与速度无关 高频电源的频率为: (4)‎ 质子加速后的最大动能为: (5)‎ 设质子在电场中被加速的次数为n,则 ‎ (6)‎ ‎ (7)‎ ‎(2)代入(5),(7)代入(6),并且(5)=(6)得:,得加速电压为:‎ ‎ (8).‎ 第(3)问给出两种探究过程及解法.‎ ‎(3)解法1.‎ 因为在电场中加速的时间每一次不相等,设第1次为,第2次为,第3次为,……第n次为,每次加速后的轨道半径分别为r1、r2、r3……rn,则:‎ ‎,‎ ‎……‎ ‎ ‎ 在电场中加速的总时间为 ……+=[r1+(r2-r1)+(r3-r2)+……+(R-rn-1)= R= (9)‎ 因为在D形盒中回旋时每一周的时间相等,所以在D形盒中回旋的总时间为 由(8)式得 (10)‎ 所以,‎ 即当时,可忽略不计.‎ ‎(3)解法2.‎ 在电场中加速的总时间为 (11),其中nd为总路程,为平均速度.‎ 在D形盒中回旋的总时间为 (12),其中为最后半周的路程, ‎ 为最后半周的时间, 在D形盒中回旋时每半周的时间相等.‎ ‎ 两式相比得: ‎ ‎ 即当时,可忽略不计. ‎ 解本题要注意:‎ 1. 在D形盒中回旋时每半周的时间相等, 在电场中加速的时间每一次不相等.‎ 2. 在D形盒中回旋的总时间为而不是,因为每半周加速1次.‎ 本题比较复杂,考查的知识点较多,如带电粒子在电场中的加速, 带电粒子在磁场中的圆周运动,周期和频率,还有核反应方程等.考查的能力也比较多,有:理解能力:理解带电粒子的运动图景;分析和综合能力:分析带电粒子在D形盒中回旋时每半周的时间与在D形盒中回旋的总时间的关系,分析在电场中每一次加速的时间与在电场中加速的总时间的关系;应用数学处理物理问题的能力:公式的推导与变换比较多.‎ 本题设置的背景比较先进,用物理方法解决生物医学问题,体现了物理学与科学、技术、社会(STS)的紧密关系,是一道好题.‎ 例2A1‎ A3‎ A4‎ A2‎ ‎30º ‎60º Ⅰ Ⅱ 图12‎ ．（16分）如图12所示，在一个圆形区域内，两个方向相反且都垂直于纸面的匀强磁场分布在以直径A‎2A4为边界的两个半圆形区域Ⅰ、Ⅱ中，A‎2A4与A‎1A3的夹角为60º。一质量为m、带电量为+q的粒子以某一速度从Ⅰ区的边缘点A1处沿与A‎1A3成30º角的方向射入磁场，随后该粒子以垂直于A‎2A4的方向经过圆心O进入Ⅱ区，最后再从A4处射出磁场。已知该粒子从射入到射出磁场所用的时间为t，求Ⅰ区和Ⅱ区中磁感应强度的大小（忽略粒子重力）。‎ 探究过程:作图.据左手定则,带电粒子进入磁场I后,必向下偏转,据题意,过圆心,又圆心角等于弦切角的2倍,所以偏转角为600, 运动时间为,是带电粒子在磁场I作圆周运动的周期. 所以轨迹的圆心A2在磁场的圆上,如解题图所示.‎ 带电粒子进入磁场II后,由于磁场方向变化, 据左手定则, 必向上偏转,据题意,过A4点射出,其直径等于磁场区的半径, 偏转角为1800,运动时间为,是带电粒子在磁场II作圆周运动的周期.所以有,此式是解本题的关键和难点.‎ 解:‎ 例3. （16分）如图所示，M、N为两块带等量异种电荷的平行金属板，S1、S2为板上正对的小孔，N板右侧有两个宽度均为d的匀强磁场区域，磁感应强度大小均为B，方向分别垂直于纸面向外和向里，磁场区域右侧有一个荧光屏，取屏上与S1、S2共线的O点为原点，向上为正方向建立x轴。M 板左侧电子枪发射出的热电子经小孔S1进入两板间，电子的质量为m，电荷量为e，初速度可以忽略。‎ ‎⑴当两板间电势差为U0时，求从小孔S2射出的电子的速度v0。‎ ‎⑵求两金属板间电势差U在什么范围内，电子不能穿过磁场区域而打到荧光屏上。‎ x 荧光屏 O B B M N K d d S1‎ S2‎ ‎⑶若电子能够穿过磁场区域而打到荧光屏上，试在答题卡的图上定性地画出电子运动的轨迹。‎ ‎⑷求电子打到荧光屏上的位置坐标x和金属板间电势差U的函数关系。‎ 解:⑴根据 得:‎ ‎ ⑵根据将(1)代入,以及 得:‎ ‎(3)探究过程:作图.由于电子从左磁场飞出又飞入右磁场,所以两圆轨迹的圆心必在垂直于过两磁场的交点的切线上,又由于两磁场的磁感应强度的大小相等,据公式,知两圆的半径也相等,因为左圆的圆心在左边缘上,所以右圆的圆心在右边缘上,所以从磁场飞出的电子必与x方向垂直, 从磁场射出时垂直于屏,画出解题图如下。‎ ‎⑷从图知:,将及代入得:（）.‎ 例4.如图1所示,质量mA为4.0kg的木板A放在水平面C上,木板与水平面间的动摩擦因数为0.24,木板右端放着质量mB为1.0kg的小物块B（视为质点）,它们均处于静止状态。木板突然受到水平向右的12N·s的瞬时冲量I作用开始运动,当小物块滑离木板时,木版的动能EKA为8.0J,小物块动能EKB为0.50J,重力加速度取10m/s2,求:‎ （1） 瞬时冲量作用结束时木版的速度v0；‎ （2） 木版的长度L。‎ B A C L V0‎ 图1‎ B A A C L sB sA 图2‎ 探究过程:如图2所示,虚线所示为初状态,即瞬时冲量作用结束时的状态,此时,vA=V0,vB=0,由于C对A、B对A的摩擦力作用,A向右做匀减速运动, 由于A对B的摩擦力作用,B向右做匀加速运动,实线所示为末状态,B运动到A的左端,此时,A、B动能分别为EKA=8.0J,EKB=0.50J.‎ 设A、B相对于C的位移大小分别为sA和sB,根据图2,容易得到:L=sA-sB,这个式子很关键,是解本题的难点,通过做物理情景图而突破了难点.‎ 解：（1）设水平向右为正方向,有 I=mAv0 ①‎ 代入数据得 v0=‎3.0m/s ②‎ ‎(2)设A对B、B对A、C对A的滑动摩擦力的大小分别为FAB、FBA、FCA，B在A上滑行的时间为t,B离开A时A和B的速度分别为vA和vB,‎ 据动能的定义,有=8.0J,得;‎ ‎=0.5J,得 据动量定理,有 ‎-（FBA＋FCA）t=mAvA-mAv0 ③‎ FABt=mBvB ④‎ 其中FCA=（mA+mB）g=12N ⑤‎ 解得FAB=FBA=4N,‎ t=1s,‎ 设A、B相对于C的位移大小分别为sA和sB,据动能定理,有 ‎-（FBA＋FCA）sA=mAvA2-mAv02 ⑥‎ FABsB=EKB ⑦‎ 解得:, ‎ 木版A的长度 L=sA-sB=‎0.50m ⑧‎ 因为A、B受恒力,做匀变速直线运动,所以也可以用牛顿定律和运动学公式解.将③④⑥⑦式换作以下几式,‎ ‎,,‎ ‎,,‎ ‎,‎ 其余各式不变,便可解出,同学们不仿一试.‎ 例5.如图14所示，两个完全相同的质量为m的木板A、B置于水平地面上，它们的间距s=2.88m。质量为2m，大小可忽略的物块C置于A板的左端。C与A之间的动摩擦因数为μ1=0.22，A、B与水平地面之间的动摩擦因数为μ2=0.10，最大静摩擦力可以认为等于滑动摩擦力。开始时，三个物体处于静止状态。现给C施加一个水平向右，大小为的恒力F，假定木板A、B碰撞时间极短且碰撞后粘连在一起，要使C最终不脱离木板，每块木板的长度至少应为多少？ ‎ A C B F s 图14‎ ‎2l S1‎ s1‎ 分析: 原题图为初始状态,A、B、C皆静止.第1过程A、C一起做匀加速运动,至A、B相遇,下图左为第2状态,然后A、B碰撞,碰后A、B速度相等,都小于C的速度;第3过程A、B一起做匀加速运动,C做匀减速运动,直至三者速度相等,此时C运动到B的右边,如下图右所示.为第3状态.在第3过程,C运动的位移是B运动的位移与A、B两板的长的和,即.这是解本题的难点.‎ 解:设A、C之间的滑动摩擦力大小为f1,A与水平地面之间的滑动摩擦力大小为f2‎ 则, ‎ ‎,‎ ‎ ‎ 所以一开始A和C保持相对静止,在F的作用下向右加速运动.据动能定理,有 ‎ (1)‎ A、 B两木板的碰撞瞬间,内力的冲量远大于外力的冲量,据动量守恒定律得:‎ ‎ (2)‎ 碰撞结束后到三个物体具有相同速度的过程中,以三个物体为整个系统,外力之和为零,据动量守恒定律,有:‎ ‎ (3)‎ 设木板向前运动的位移为,对A、B系统,用动能定理,有:‎ ‎ (4)‎ 其中,是地面对A、B系统的滑动摩擦力,即 ‎ (5)‎ 对C物体,用动能定理有:‎ ‎ (6)‎ 解得:‎ ‎.‎ 因为A、B、C受恒力,做匀变速直线运动,所以也可以用牛顿定律和运动学公式解.‎ 例6.‎ 解：‎ ‎⑧‎ 解法2.根据”电子从极板飞出看起来好象从两极板中点飞来一样”的道理,有 ‎. (14)‎ 代入数据得:.‎ ‎（3）探究过程：0～1ｓ，光束从b照射到R2. 得U=5.4V，.‎ ‎1S～2ｓ, 光束从C照射到R2. 得U2=2.7V，据（14）式得：，‎ 得： 得：y2=1.2×10-2m ‎2S～3ｓ.光束从ａ照射到R2， 得：U3=9V，得：y3=4×10‎‎-2m 但当电子从上极板边缘飞出，则：‎ 得 得y=2.5×10-2m，　y3>y，电子不能飞出极板，y3应为0‎ 另一种解法：‎ ‎ 计算电子能从极板飞出的最大电压：据，得：Um=5.7V ‎ U3>Um，电子不能从极板飞出， y3应为0.‎ ‎ t=3～6s与0～3s同，得如图2的图象. ‎