依据创新实验设计 培育科学探究素养——2023全国乙卷第17题评析

一、原题呈现

17.一学生小组在探究电磁感应现象时，进行了如下比较实验。用图（a）所示的缠绕方式，将漆包线分别绕在几何尺寸相同的有机玻璃管和金属铝管上，漆包线的两端与电流传感器接通。两管皆竖直放置，将一很小的强磁体分别从管的上端由静止释放，在管内下落至管的下端。实验中电流传感器测得的两管上流过漆包线的电流I随时间t的变化分别如图（b）和图（c）所示，分析可知

A.图（c）是用玻璃管获得的图像

B.在铝管中下落，小磁体做匀变速运动

C.在玻璃管中下落，小磁体受到的电磁阻力始终保持不变

D.用铝管时测得的电流第一个峰到最后一个峰的时间间隔比用玻璃管时的短

二、试题解析

强磁体在管内下落时，由于管外绕有漆包线，故强磁体相当于在一个线圈中下落，此时线圈会切割强磁体产生的磁感线，从而在线圈中产生感应电流，但由于开始时强磁体下落的速度较小，所以线圈中产生的感应电流较小，由电磁阻尼可知，强磁体受到的电磁阻力也较小，故强磁体会在管内做加速运动，随着强磁体的速度不断增大，线圈中产生的感应电流也会随之增大。但由于强磁体在铝管内运动时，铝管中也会因电磁感应产生涡流，从而也会阻碍强磁体的下落，因此强磁体在铝管中的运动与在玻璃管中相比，在铝管中会运动的慢一些，故线圈中产生的感应电流也会小一些，故可判断出图（b）为强磁体在铝管中运动时产生的感应电流图像，而图（c）则为强磁体在玻璃管中运动时产生的感应电流图像，从而判断A选项正确；由于强磁体在铝管中下落时，速度不断变化，所受阻力也会随之改变，故强磁体在下落过程中做变加速运动，选项B错误；强磁体在玻璃管中运动时，速度也时不断变化的，所以强磁体穿过线圈时磁通量的变化率也是不断变化的，所以电磁阻力也不同，选项C错误；由于强磁体在铝管中受到的电磁阻力较大，在铝管中运动的时间较长，故用铝管时测得的电流第一个峰到最后一个峰的时间间隔比用玻璃管时的长，选项D错误。

三、试题评析

该试题属于典型的学习探索问题情境，又是一道典型的来自于教材的高考试题，该试题的原型来源于2019版新教材选择性必修2中P29页的“做一做”：

以及P37页“练习与应用”第3题：

显然，该道高考试题就是这两道教材习题进行综合之后的变形。只不过将图2.2-1中的单匝线圈变成了多匝，将电压表变成了电流传感器，将记录电压表的示数以及发生的现象变为图（b）和图（c）所展示的电流随时间变化的图像。本题与教材上的习题相比，虽然存在以上变化，但其考查的物理本质却是相同的。

从知识考查的角度看，本题主要是定性考查了法拉第电磁感应定律、电磁阻尼、感应电流产生的条件等物理概念性的知识，不涉及计算。从核心素养考查的角度看，本题主要考查了物理学科核心素养中物理观念中的相互作用观和运动观、科学思维中的科学推理和科学论证以及科学探究中的分析与论证等要素，按照《普通高中物理课程标准》中对核心素养不同维度的分级水平，微主认为此题中所考查的物理学科核心素养的不同要素均达到可三级或四级水平，这个要求正是高考所要达到的要求；从考查能力的角度看，本题主要考查考生的理解能力、模型建构能力、推理论证能力、创新能力和实验能力，高考物理的五大能力几乎全部都涉及到，微主认为这才是高水平的物理试题，虽然没有计算在内，但通过定性考查，可以很好地反映出考生的物理学科素养水平的高低。

在选择题中出现此类实验类的试题，印象中在河南使用的高考理综物理试题中还是首次出现，这是一个值得我们注意的高考动向，这里面是否有命题专家有意识地将老教材老高考向新教材新高考过渡的思考？

有意思的是，在今年全国甲卷的物理试题中，也出现了与该题几乎完全相同的试题，即全国甲卷21题：

看来，全国甲卷和乙卷应该是出自同一个命题团队吧。

但此题微主也有两个疑问（可能是想的太多了！）：一是该题的题干在描述强磁体时，指出其是一个很小的强磁体在管中下落，如果该强磁体比管的内径小很多，也就是说，管的内部相对于强磁体的线度来说相当“空旷”，从实验操作的角度，强磁体是有可能会发生转动的，那么在这种情况下还能得到图（b）或图（c）中的感应电流曲线么？估计很悬。所以教材上对这个问题表述的就比较严谨，如在P37页第3题中就特别指出：圆柱形永磁体的直径略小于铝管的内径，这样的表述就比较严谨，避免了永磁体在铝管内下落时翻转的情况出现。二是图（b）和图（c）中感应电流的图像，这两个图像是命题人根据该实验从理论上推导出来的，还是根据真实的实验得出的？微主没有实验验证的结果，所以不敢断言，但感觉应该是根据真实的实验得出的，否则万一出了问题，那岂不是要..........！

四、教学启示

1.重视教材