高考物理试题对创造性思维能力的考查（上），本文主要内容关键词为：创造性论文,思维能力论文,物理试题论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
高考命题是整个高考系统中最重要的环节之一，高考试题质量的高低不仅影响考试的科学性、公平和公正性，影响高校选拔新生的质量，而且也影响着中学的教学，因为以追求升学率为主要目标的中学教育一时尚无法改变，高考的“指挥棒”作用是客观存在的，所以长期以来，高考试题的质量一直受到社会方方面面的关注。近些年，在中学阶段注意培养学生的创造性思维能力引起了教育界的重视，于是对于高考能否考查学生的创造性思维能力，如何考查等这些问题，也就成为社会上关注的重点和讨论的热点之一。笔者曾经撰写文章初步探讨了高考中创造力的考查，分析了高考中创造力考查的理论和实践问题，提出在高考中考查创造力应该处理好的几个方面的关系。本文将结合高考物理学科的命题实践，从比较微观的方面对这一问题做进一步探讨。本文第一部分着重从物理学科出发，选择了多年来与创造性思维能力考查这一问题有关的一些高考物理试题，分析这些试题所考查的物理思维能力的主要特点；第二部分是初步探讨高考物理试题从具体操作层面上能够考查哪些创造性思维能力因素；第三部分是对其效果做一些分析和评论。
上篇
自全国教育考试科研规划“八五”科研以来，高考物理一直在研究和实施利用“生题”考查考生灵活地分析和解决问题的能力。下面所选择试题的共同点就是在当年的高考试卷中的所谓“生题”。这些生题不一定都很复杂或很难，只是在此之前，考生没有被反复训练过或表面上与反复训练过的题相似但条件已有变化，试题所呈现的情境是相对较新的，其中个别试题是高考物理科研测试题，归纳分类，这些试题对能力的考查有以下7种类型。
一、“此路不通，另辟蹊径”的能力
“此路不通，另辟蹊径”的本意是当一条路不能通过时，另外开辟一条新的捷径，用来比喻在解决问题时，如果从一个思路遇到了困难，要善于转换思路，从另外的角度来进行分析和和研究，使问题得到解决。“此路不通，另辟蹊径”的能力就是指学生在遇到问题时，当不能应用常规思路进行分析和解决时，要能够变换思路和方法，从其他的角度去分析和解决问题。
例1 估算地球大气层空气总重量的大小（最后结果取1位有效数字）。
根据当年试卷分析，很多考生对此题感到无从下手，大部分平时成绩比较好的学生是这样考虑的：大气上疏下密，不同高处的气体所受的重力加速度不同，在任一高度处取（设任取）一小块的质量为m[，i]的大气，设该处的重力加速度为g[，i]，它受的重力的大小应为m[，i]g[，i]，那么怎样将这些g[，i]不同的重量加在一起呢？因为考生不懂积分，于是感到做不下去，只好半途而废。而那些具有独立思考能力的考生，他们想到可以通过力的平衡，由大气对地面的压强来求整个大气总重量的大小。即大气的总重量的大小G应等于地球表面对整个大气支持力的大小，而此支持力的大小，也就等于大气对地球表面压力大小的总和，即等于地球表面积上压力大小的总和。我们知道，1标准大气压强p是已知的，则地球表面上的压力就等于地球表面积4πR[2]与大气压强p的乘积。
例2 长为l的导体棒原来不带电，现将一带电量为q的点电荷放在距棒左端R处，如图1所示。当达到静电平衡后，棒上感应的电荷在棒内中点产生的场强的大小等于_______。
图1
本题中所涉及的重要概念和原理是学生所熟悉的，并且学生也熟悉运用点电荷的场强公式求场强大小的方法。但本题的情境是考生以前没有遇到过的。有些考生在分析的过程中发现，题中感应电荷分布在导体表面上，大体上是近左端为负，近右端为正，但具体的分布不知道，即使知道了具体的分布，在中学阶段也无法由点电荷场强公式和场强叠加原理来求此感应电荷在棒内中点处的场强。即用点电荷的场强公式来求中点场强的大小只能是“此路不通”。但如果考生经过分析，由静电平衡可知，在导体达到静电平衡后，导体上电荷的分布必然使得空间所有电荷（包括感应电荷）在导体内部（包括中点处）产生的场强为零，否则导体内部的自由电子还要做定向运动，就没有达到静电平衡。而另一方面，此处场强是点电荷和全部感应电荷叠加的结果。即由场强叠加原理，立刻就能够判断出导体上所有感应电荷在棒内中点产生的合场强必定与点电荷q在该处产生的场强大小相等方向相反，进而再运用点电荷场强公式求出场强的大小。
例3 如图2所示，AB表示一直立的平面镜，P[，1]P[，2]是水平放置的米尺（有刻度的一面朝着平面镜），MN是屏，三者互相平行，屏MN上的ab表示一条竖直的缝（即a、b之间是透光的）。某人眼睛紧贴米尺上的小孔S，可通过平面镜看到米尺的一部分刻度。试在本题的图上用三角板作图求出可看到的部位，并在P[，1]P[，2]上面把这部分涂以标志
图2
此题所用到的光学规律、平面镜成像的知识都是考生非常熟悉的，但此题所考查的能力要求相当高。学生熟悉由入射角等于反射角来画反射线的方法解题，但此题不能应用这个方法来完成，而要求考生能够独立思考，自己主动地确定要调用哪些知识，去寻找解决问题的途径，特别是这种途径要求考生能把有关的知识，如光路可逆、像的一些基本性质特别是像的位置等联系起来，进行多路思维。
二、“发现多种可能性”的能力
一种事物经常具有多样性，物理问题也一样，很多高考物理试题都具有多种可能性的答案。“发现多种可能性”的能力主要是反映考生思考问题的全面性，能否通过分析试题所给的情境和条件，发现在不同的条件下可能得到不同的结论。
例4 一辆实验小车可沿水平地面（图中纸面）上的长直轨道匀速向右运动。有一台发出细光束的激光器装在小转台M上，到轨道的距离MN为d=10cm，如图3所示。转台匀速转动，使激光束在水平面内扫描，扫描一周的时间为T=60s。光束转动方向如图中虚线箭头所示。当光束与MN的夹角为45°时，光束正好射到小车上。如果再经过t=2.5s光束又射到小车上，则小车的速度为多少？（结果保留二位数字）
图3
此题的分析并不困难，但解答有两种可能性，这是此题的特点。此题中，当小车由左向右向N点运动时，激光束与竖直方向的夹角分别为45°和30°时（相当于再经过t时间），都照射到小车上，此时可求得小车的速度为1.7米/秒；而当小车以另外一种速度由左向右远离N点运动时，激光束与竖直方向的夹角分别为45°和60°（相当于再经过t时间）时，光束都照射到小车上，此时可求得小车的速度为2.9米/秒。本题的难点就是要考虑到小车可能以两种不同的速度在两个不同的方位运动都可能发生激光照射到小车上的现象。从当年的试卷分析来看，许多平时成绩比较好的学生因为没有发现后一种可能性而丢了分。
例5 图4中M、N是两个共轴圆筒的横截面，外筒半径为R，内筒半径比R小得多，可以忽略不计；筒的两端是封闭的，两筒之间抽成真空。两筒以相同的角速度ω绕其中心轴线（图中垂直于纸面）做匀速转动。设从M筒内部可以通过窄缝s（与M筒的轴线平行）不断地向外射出两种不同速率v[，1]和v[，2]的微粒，从s处射出时的初速度的方向都是沿筒的半径方向，微粒到达N筒后就附着在N筒上。如果R、v[，1]和v[，2]都不变，而ω取某一合适的值，则
图4
A.有可能使微粒落在N筒上的位置都在a处一条与s缝平行的窄条上
B.有可能使微粒落在N筒上的位置都在某一处如b处一条与s缝平行的窄条上
C.有可能使微粒落在N筒上的位置分别在某两处如b处和c处与s缝平行的窄条上
D.只要时间足够长，N筒上将到处都落有微粒
此题选项D是用来区分中等水平学生的，看他们有没有掌握相对运动的概念。有的考生没有理解这个概念，把M看做不动来进行处理而选择了D项。而A、B、C是用来区分高分段水平的考生的，看考生有没有发现几种可能性的能力。根据当年试卷分析，选择了A、B、C的学生，他们平时的共同特点就是比较灵活，有发现多种可能性的思维能力。此题中A、B、C三种都可能的原因是由v[，1]、v[，2]、ω、R的关系来决定。
例6 如图5所示，有一个直立的气缸，气缸的底到气缸口的距离为L[，0]厘米，用一厚度和质量均可忽略不计的刚性活塞A，把一定质量的空气密封在气缸内，活塞与气缸间的摩擦可忽略。平衡时，活塞上表面与气缸口的距离很小（计算时可以忽略不计），周围大气的压强与H[，0]厘米高的水银拄的压强相同。现把盛有水银的一个瓶子放在活塞上（瓶子的质量可忽略），平衡时活塞到气缸底的距离为L厘米。若不是把这瓶水银放在活塞上，而是把瓶内水银缓缓不断地倒在活塞上方，这时活塞向下移，压缩空气直到活塞不再下移。求此时活塞在气缸内可能的位置以及与之相对应的条件（即题中给出量之间应满足的关系）。设气体的温度不变。
图5
从逻辑上来讲，本题中既有可能全部水银都留在活塞上方的气缸内；也有可能瓶中部分水银留在活塞上方的气缸内，其余部分从气缸口溢出了；甚至有可能全部水银都从气缸口溢出。究竟发生哪种情况，则与原来瓶中水银的质量以及封闭在气缸中气体的体积有关。本题所用到的物理定律则只有玻意耳定律和力的平衡，而经过自己的研究发现各种可能性和条件，以及如何表述这些条件正是本题所要求考核的能力。
三、“发现问题，提出问题”的能力
“发现问题、提出问题”的能力是科学研究中首先要具备的能力。它往往是新的发现、发明、创造的开始。当然，科学研究工作和学生在中学中甚至大学中的学习过程不是一回事。尤其在中学，学习的都是科学上已解决了而且是很成熟的内容，不是要求学生有所创造和发明。但是在他们学习过程中，通过读书、观察、实验、同学问的学术讨论，完全有可能培养锻炼这方面的一些素质。即相对于他们自己已有的知识来讲，能主动地发现和提出一些“矛盾”“漏洞”“错误”“缺陷”“没有考虑到的因素”……等等，只要这些内容在科学上是有意义的。因此，在高考中可以而且应该考查学生这方面的水平。
例7 用图6中a所示的装置研究质量一定的物体的加速度与作用力的关系。研究的对象是放在长木板上的小车，小车的质量为M，长木板是水平放置的。小车前端拴着细轻绳，跨过定滑轮，下面吊着砂桶。实验中认为细绳对小车的作用力F等于砂和桶的总重量mg，用改变砂的质量的办法来改变对小车的作用力F，用打点计时器测出小车的加速度a，得出若干组F和a的数据。然后根据测得的数据作出a-F图线。
图6
一学生作出如图中b所示的图线，试分析说明由这一图线能得出什么结论。
通过分析实验结果，至少可得出两点结论：第一，a-F图是一条直线，验证了a和F是线性关系；第二，可发现一个重要问题，即直线明显没有通过原点，这不符合牛顿定律的a和F的正比关系。当a=0时，F≠0，这说明此时还有其他的外力存在。从实际装置看，此力只能是摩擦力，由此可知，该学生做实验时，未采取措施平衡摩擦力。这种措施的办法之一可以将木板稍微倾斜一适当的角度，使在此倾角时，小车正好做匀速运动，或者是先加适量的砂，使小车开始做匀速运动，而最后计算力时由总质量中减去这一部分砂的质量，再乘以重力加速度。该题的目的就是考查考生发现问题和提出问题的能力。
例8 一个学生用图7所示的电路验证楞决定律，他的主要步骤如下：
图7
（1）把蓄电池、开关和线圈A串联成一个电路；
（2）把电流表和线圈B串联成另一个电路；
（3）接通电流，给线圈A通电，并记下线圈A中电流的方向，把线圈A插入线圈B中，停一会儿再取出来，当线圈在插入和取出过程中，以及停止运动时，观察电流表的指针有无偏转，并记下指针偏转的方向；
（4）改变线圈A中的电流方向，按步骤3重做实验，观察电流表的指针有无偏转，并记下指针偏转的方向。
这个学生想根据上述实验记录验证楞次定律，你对此做法有何评论？
在此实验中，核心的问题是要验证感应电流产生的磁场是反抗（或补偿）引起感应电流的磁场的变化，也就是要比较两个线路中电流方向之间的关系。该学生只是观察了电流表指针的偏转方向，而没有进一步查明指针的偏转方向与电流方向的关系。因此，此实验必然做不出结论，或者是得出缺乏科学根据的结论。此题考核的惟一目的就是看考生有无发现问题的能力。
例9 如图8所示，一个圆柱形的竖直的长筒里存有一定量的水，筒的侧面和底部是密闭的。在筒中固定地插着一根两端开口的薄壁圆管，管和筒共轴，管下端未触及筒底。在圆管内有一不漏气的活塞，它可沿圆管上下滑动。开始时，管内外水面相齐，且活塞恰好接触水面。现用卷扬机通过绳子对活塞施加一个向上的力F，使活塞缓慢向上移动。已知管内半径r=0.100m，筒的半径R=2r，水的密度ρ=1.00×10[3]kg/m[3]，大气压p[，0]=1.00×10[5]Pa，求活塞上升H=9.00m的过程中拉力所做的功。筒和管在水面以上及水面以下的部分都足够长。（不计活塞质量，不计摩擦，重力加速度g=10m/s[2]）
图8
在本题描述的过程中，管内水面的上升有一个突变，即当管内液柱升高到一定的高度时，它所产生的压强等于一个大气压强，管内液面将不再上升，其上方出现真空。这是隐含在过程中的一个重大的变化。考生能否主动地考虑到这一变化，是对考生能否独立地发现问题和提出问题能力的考核，而这正是本题命题的主要目的。
例10 有两只电压表A和B，量程已知，内阻不知等于多少。另有一个干电池，它的内阻不能忽略，但不知等于多少。只用这两只电压表、电键和一些导线，能否通过测量和计算，求出这个电池的电动势和内阻？
本题中，若按图9所示连线，记下两次测量中的三个电压读数U[，A]、U[，A]′、U[，B]，再由欧姆定律就可求得电源的电动势ε=（U[，A]·U[，B]/U[，A]-U[，B]）。但此题无论用什么办法都不能测量出电源的内阻，对于具有能发现问题能力的考生，就可能进一步分析为什么测不出电源内阻，以及还需要什么其他的已知条件才能测得电源内阻。
图9
四、“开放性思维”的能力
高考物理学科也设计了一些这样的试题，它们所呈现的情境或设问的方式具有一定的开放性，考生在分析试题情境或试题所提出的问题时，就可能不局限于某种固定的思路或解决方案，或者是不局限于一种答案，而是可以进一步深入地分析，提出更多、更深入、更全面的答案。
例11 图10中ABCD是一个用折射率n=2.4的透明媒质做成的四棱柱镜（图为其横截面），∠A=∠C=90°，∠B=60°，AB＞BC。现有平行光线垂直入射到棱镜的整个AB面上，若光线在它所经过的每个面上的反射都不能忽略，试画出光线从入射到射出的光路图（为了图面简洁，表示光线进行方向的箭头只在棱镜外面的光线上标出即可），并简述根据。
图10
本题中经过分析可知，不同处的入射光的光路图不全相似。有的考生可答对一种光路，有的可答对两种，或三种，选择哪条光线作为同种类型的代表线以及不同类型的光线如何分界都由考生自己决定。当年考后分析发现，多数考生都能做出一部分结果，但只有少数不满足于局部结果，而能不断追问下去的考生才能找出一些典型光线（如图11所示。图中BF=BC，CE⊥AB），而得出全面的结论。
图11
①入射到BE之间，只能由BF间射出②入射到EF之间，只能由FB间射出③入射到FA之间，只能由FA之间和BC面上射出
例12 图12中所示为一根竖直悬挂的不可伸长的轻绳，下端拴小物块A，上端固定在C点且与一能测量绳的拉力的测力传感器相连。已知有一质量为m[，0]的子弹B沿水平方向以速度v[，0]射入A内（未穿透），接着两者一起绕C点在竖直面内做圆周运动。在各种阻力都可忽略的条件下测力传感器测得绳的拉力F随时间t的变化关系如图（2）所示。已知子弹射入的时间极短，且图（2）中t=0为A、B开始以相同速度运动的时刻。根据力学规律和题中（包括图）提供的信息，对反映悬挂系统本身性质的物理量及A、B一起运动过程中的守恒量，你能求得哪些定量的结果？
图12
本题通过开放性设问的方式，考查考生探索性地进行推理、分析和解决问题的能力。这种在一定程度上具有开放性的设问方式，与高考试题在设问方式上采取的“是什么”“求什么”的传统方式不同，有利于学生突破传统的分析和解决问题的思维定式，培养探索性解决问题的能力和开放性思维能力。
例13 现有以下信息：
1.通过对悬浮在某种气体中的烟粒的布朗运动的观察和测量，得到以下数据：在t=27℃，观测得直径为1.0×10[-6]m、质量为5.0×10[-16]kg的烟粒的平均速率为0.65ms[-1]。假定烟粒的平均动能可用其质量与平均速率的平方来表示，则在0℃～100℃之间，烟粒的平均动能E[，k]与温度t的关系为一直线，此直线向低温的延长线与t轴交于t=-273℃处。如图13所示。
图13
2.由于气体分子间的碰撞和气体分子与烟粒间的碰撞，在相同温度下烟粒的平均动能与气体分子的平均动能相等。
3.1kg的该气体的温度升高1℃所吸收的热量，即该气体的比热c=6.7×10[2]Jkg[-1]K[-1]。1g该气体液化成液体的体积为1cm[3]。
[1]假定你对分子的特性了解甚少，根据且仅根据以上信息，你对看不见、摸不着的分子的重要性质可获得哪些初步认识？
[2]在应用以上信息得出气体分子有关特性的过程中，你认为有哪些地方欠严格？有什么问题应进一步研究或探讨？请把它们一一列出。
本题是一道科研测试题，考生要能够根据试题所给的数据和条件，对问题进行分析和讨论。试题的设问是开放的，考生的答案可能是多种多样的，能够反映出考生对问题分析和解决的不同的深入程度和严谨程度。
（未完待续）