2024年教师资格考试高中学科知识与教学能力物理试卷及答案指导

2024年教师资格考试高中学科知识与教学能力物理试卷及答案指导一、单项选择题（共8小题，每小题5分，共40分）1.如图所示，质量分别为2m和m的A、B两物块用轻弹簧连接，放在光滑的水平地面上，A靠在竖直墙壁上。现用水平向左的力F缓慢推B，压缩弹簧至某一位置，此过程中力F做的功为W。撤去F后，下列说法正确的是（）A.弹簧第一次恢复原长时，A的加速度大小为F/(2m)B.弹簧第一次恢复原长时，B的速度大小为√(W/m)C.弹簧伸长量最大时，A、B的速度大小相等D.弹簧伸长量最大时，弹簧的弹性势能为W/32.如图甲所示，匝数为n、面积为S、电阻为R的圆形闭合线圈固定在水平面内，线圈内存在垂直于线圈平面的匀强磁场，规定磁场方向竖直向下为正方向，磁感应强度B随时间t的变化规律如图乙所示（0~t2时间内B随时间线性变化，t1时刻B=0）。下列说法正确的是（）A.0~t1时间内，从线圈上方观察，感应电流的方向为顺时针B.t1~t2时间内，线圈中感应电流的大小为n(B2-B1)S/(Rt2)C.t2时刻，线圈受到的安培力合力最大D.0~t2时间内，线圈产生的焦耳热为n(B1+B2)²S²/(Rt2)3.一定质量的理想气体的p-V图像如图所示，其中AB为等压线，BC为等温线，CA为等容线。已知状态A的温度为T0，体积为V0，压强为p0，状态B的体积为2V0。下列说法正确的是（）A.状态B的温度为2T0B.从A到B的过程中，气体吸收的热量等于内能的增加量C.从B到C的过程中，气体分子的平均动能增大D.从C到A的过程中，气体对外界做功4.下列关于光现象的说法正确的是（）A.泊松亮斑是光的衍射现象，说明光具有波动性B.用透明标准平面样板检查光学平面的平整程度是利用光的偏振现象C.光导纤维的内芯折射率比外套小，光在内芯与外套的界面上发生全反射D.双缝干涉实验中，仅将入射光从红光改为紫光，干涉条纹间距变大5.如图为氢原子的能级图，一群处于n=4激发态的氢原子向低能级跃迁时，辐射出不同频率的光子。已知锌的逸出功为3.2eV，下列说法正确的是（）A.这群氢原子能辐射出4种不同频率的光子B.从n=4跃迁到n=1辐射的光子波长最长C.从n=4跃迁到n=3辐射的光子能量大于从n=3跃迁到n=2辐射的光子能量D.用从n=2跃迁到n=1辐射的光子照射锌板，能发生光电效应6.某教师在设计“牛顿第三定律”一课的教学目标时，提出“能独立提出探究作用力与反作用力关系的实验方案，正确使用弹簧测力计完成实验，根据实验数据归纳得出牛顿第三定律的内容”。该目标主要体现的物理核心素养维度是（）A.物理观念B.科学思维C.科学探究D.科学态度与责任7.在高中物理“楞次定律”的新授课教学中，教师开展演示实验探究时，下列做法最合理的是（）A.直接讲解实验结论，再通过演示实验验证，节省课堂时间B.实验前明确观察重点与思考问题，引导学生边观察边记录C.实验结束后立即给出结论，避免学生讨论偏离教学重点D.全部用多媒体模拟实验，避免实物实验的误差与操作失误8.某教师在学期末对学生的物理学习成绩进行评定时，将课堂表现、实验操作报告、单元测验、期末考试的成绩按2:2:2:4的比例计入总评成绩。关于该教师的评价方式，下列说法不正确的是（）A.兼顾了过程性评价与终结性评价B.重视评价的诊断、激励与发展功能C.实现了评价主体的多元化D.能够较全面地反映学生的物理学习状况二、计算题（共1小题，20分）9.如图所示，两根足够长的平行光滑金属导轨固定在水平面内，导轨间距为L，导轨左端连接阻值为R的定值电阻，导轨电阻忽略不计。整个装置处于竖直向下的匀强磁场中，磁感应强度大小为B。现有一质量为m、电阻不计的金属棒垂直放置在导轨上，t=0时刻给金属棒一个水平向右的初速度v0，金属棒运动过程中始终与导轨垂直且接触良好。求：（1）t=0时刻金属棒受到的安培力大小与方向；（2）金属棒速度减为v0/2时，通过电阻R的电荷量；（3）金属棒从开始运动到最终停止的过程中，电阻R上产生的焦耳热。三、案例分析题（共2小题，第10题20分，第11题30分，共50分）10.（20分）阅读材料，回答问题。下面是某学生在课后作业中解答的一道物理题及解答过程：题目：如图所示，长度为L的轻杆一端固定在O点，另一端固定质量为m的小球，小球可绕O点在竖直平面内做无摩擦的圆周运动。重力加速度为g。求小球通过圆周最高点时的最小速度。学生解答：小球在最高点时受到重力和杆的弹力作用，向心力由二者的合力提供。当速度最小时，杆的弹力为零，只有重力提供向心力，因此有：mg=mv²/L解得v=√(gL)所以小球通过最高点的最小速度为√(gL)。问题：（1）指出学生解答中的错误，分析错误产生的可能原因；（10分）（2）给出正确的解答过程；（6分）（3）针对该学生的错误，设计一个简要的教学引导片段，帮助学生厘清相关概念。（4分）11.（30分）阅读材料，回答问题。下面是某高中物理教师讲授“电场强度”第一课时的教学片段：【导入环节】教师：同学们，上节课我们学习了库仑定律，知道两个不接触的带电体之间存在静电力。大家有没有想过，这个力是怎么传递的呢？其实啊，在电荷的周围存在一种看不见、摸不着的特殊物质，叫做电场，静电力就是通过电场来传递的。今天我们就来学习描述电场强弱的物理量——电场强度。【新授环节】教师：电场的基本性质是对放入其中的电荷有力的作用。我们可以用一个试探电荷放到电场里，通过测量它受到的静电力来研究电场的性质。这里要注意，试探电荷的电荷量必须足够小，不然会影响原电场的分布；体积也要足够小，这样才能精确反映某一点的电场性质。教师：现在我们以点电荷Q产生的电场为例，把电荷量为q的试探电荷放在距离Q为r的A点，它受到的静电力是F；如果换成电荷量为2q的试探电荷，受到的静电力就是2F；换成3q的话，力就是3F。大家看，不管试探电荷的电荷量怎么变，F和q的比值都是固定的，这个比值就叫做电场强度，用E表示，也就是E=F/q，单位是牛每库，符号是N/C。教师：电场强度是矢量，它的方向和正试探电荷受到的静电力方向相同，和负试探电荷受到的静电力方向相反。【巩固练习】教师：我们来看一道练习题：已知电场中某点的电场强度为5×10³N/C，将电荷量为2×10^-9C的正试探电荷放在该点，求它受到的静电力大小和方向。学生：根据E=F/q，所以F=Eq=5×10³×2×10^-9=1×10^-5N，方向和电场强度方向相同。教师：回答得很好。那如果把这个试探电荷换成电荷量相同的负电荷，该点的电场强度是多少？学生：电场强度是-5×10³N/C，因为负电荷受力方向相反。教师：不对，电场强度是电场本身的性质，和试探电荷的正负、电荷量大小都没有关系，所以还是5×10³N/C。大家记住，E=F/q是电场强度的定义式，E的大小由电场本身决定，和F、q都无关。问题：（1）请对该教师的教学片段进行评析，指出其优点与不足；（15分）（2）针对教学中的不足，提出具体的改进建议；（10分）（3）简述电场强度概念建立过程中体现的核心物理思想方法。（5分）四、教学设计题（共1小题，40分）12.（40分）阅读材料，根据要求完成教学设计。材料：人教版高中物理必修第二册“平抛运动”一节的核心内容如下：1.定义：将物体以一定的初速度沿水平方向抛出，物体只在重力作用下的运动叫做平抛运动。2.研究方法：平抛运动是曲线运动，可以根据运动的合成与分解，将其分解为水平方向和竖直方向的分运动进行研究。3.实验探究：通过频闪照相或平抛运动实验仪可以发现，平抛运动的竖直分运动是自由落体运动，水平分运动是匀速直线运动。4.规律：以抛出点为原点，水平向右为x轴正方向，竖直向下为y轴正方向，平抛运动的位移公式为x=v₀t、y=½gt²；速度公式为vₓ=v₀、vᵧ=gt，合速度大小v=√(vₓ²+vᵧ²)，合速度与水平方向的夹角θ满足tanθ=vᵧ/v₀。要求：（1）结合物理核心素养的要求，设计本节课的教学目标；（10分）（2）确定本节课的教学重点与教学难点；（5分）（3）设计“探究平抛运动规律”的实验教学片段，要求包含学生活动、教师引导、实验结论等环节，并说明设计意图。（25分）参考答案及指导一、单项选择题（每小题5分，共40分）1.【答案】C【解析】A选项：弹簧第一次恢复原长时，弹簧弹力为零，A受到的合力为零，加速度为零，故A错误。B选项：撤去F到弹簧第一次恢复原长的过程中，墙壁对A的弹力不做功，系统（A、B、弹簧）机械能守恒，力F做的功W全部转化为弹簧的弹性势能，恢复原长时弹性势能为零，B的动能等于W，即½mv²=W，解得v=√(2W/m)，故B错误。C选项：弹簧恢复原长后，B向右运动，弹簧被拉长，A在弹簧弹力作用下向右加速，B向右减速，当两者速度相等时，弹簧伸长量最大（若A速度小于B，弹簧继续伸长；若A速度大于B，弹簧开始缩短），故C正确。D选项：弹簧伸长量最大时，A、B共速，由动量守恒定律（从弹簧恢复原长到共速，系统合外力为零）：mv=(2m+m)v共，解得v共=v/3。此时系统动能为½·3m·v共²=½·3m·(2W/m)/9=W/3，因此弹簧的弹性势能为W-W/3=2W/3，故D错误。【答题指导】本题考查牛顿运动定律、动量守恒、机械能守恒的综合应用，解题关键是明确弹簧恢复原长前后的系统受力特点，以及弹簧最长/最短时的共速条件。2.【答案】A【解析】A选项：0~t1时间内，磁场方向竖直向下（正方向）且磁感应强度减小，根据楞次定律，感应电流产生的磁场要阻碍磁通量的减小，即感应磁场方向竖直向下。由右手螺旋定则，从线圈上方观察，感应电流为顺时针方向，故A正确。D选项：由焦耳定律，0~t2时间内线圈产生的焦耳热Q=I²Rt2=[n²S²(B1+B2)²/(R²t2²)]·R·t2=n²S²(B1+B2)²/(Rt2)，选项中缺少n的平方，故D错误。【答题指导】本题考查法拉第电磁感应定律、楞次定律、焦耳定律与安培力的综合，需注意闭合线圈在匀强磁场中安培力合力为零的结论，以及法拉第电磁感应定律中匝数n的运算。3.【答案】A【解析】A选项：A到B为等压过程，由盖-吕萨克定律V_A/T_A=V_B/T_B，代入V_A=V0、T_A=T0、V_B=2V0，解得T_B=2T0，故A正确。B选项：A到B过程中，气体温度升高，内能增加（ΔU>0）；体积膨胀，气体对外做功（W<0）。由热力学第一定律ΔU=Q+W，可得Q=ΔU-W，因W为负，故Q>ΔU，即吸收的热量大于内能的增加量，故B错误。C选项：B到C为等温过程，温度不变，气体分子的平均动能不变，故C错误。D选项：C到A为等容过程，体积不变，气体与外界均不做功，故D错误。【答题指导】本题考查理想气体状态方程与热力学第一定律的综合应用，需明确三个等值过程的特点，以及热力学第一定律中各物理量的正负号规定。4.【答案】A【解析】A选项：泊松亮斑是光绕过不透明圆盘在中心形成亮斑的衍射现象，是光的波动性的重要证据，故A正确。B选项：检查光学平面平整程度利用的是光的薄膜干涉现象，不是偏振，故B错误。C选项：光导纤维利用全反射原理传输信号，内芯的折射率必须大于外套的折射率，才能使光在内芯与外套的界面上发生全反射，故C错误。D选项：双缝干涉条纹间距Δx=Lλ/d，紫光的波长比红光短，因此仅将入射光改为紫光，条纹间距变小，故D错误。【答题指导】本题考查光的衍射、干涉、全反射与偏振现象的应用，需准确区分各类光现象的本质与实际应用场景。5.【答案】D【解析】A选项：一群处于n=4激发态的氢原子向低能级跃迁，可辐射的光子频率种数为C₄²=6种，故A错误。B选项：光子能量E=hν=hc/λ，能级差越大，光子能量越高，波长越短。n=4到n=1的能级差最大，辐射的光子波长最短，故B错误。C选项：n=4到n=3的能级差为ΔE₄₃=E₄-E₃=-0.85eV-(-1.51eV)=0.66eV；n=3到n=2的能级差为ΔE₃₂=E₃-E₂=-1.51eV-(-3.4eV)=1.89eV，前者小于后者，故C错误。D选项：n=2到n=1的能级差为ΔE₂₁=10.2eV，大于锌的逸出功3.2eV，因此该光子照射锌板能发生光电效应，故D正确。【答题指导】本题考查氢原子能级跃迁与光电效应的综合应用，需熟记氢原子低能级的能量值，掌握能级差与光子波长、频率的关系，以及光电效应的产生条件。6.【答案】C【解析】物理核心素养包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个维度。A选项：物理观念是关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识，是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华，题干目标未主要体现该维度，故A错误。B选项：科学思维是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等，题干目标未主要体现该维度，故B错误。C选项：科学探究是指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。题干中“提出实验方案、完成实验、归纳得出结论”均属于科学探究维度的要求，故C正确。D选项：科学态度与责任是指在认识科学本质，理解科学·技术·社会·环境关系的基础上，逐渐形成的探索自然的内在动力，严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度，以及遵守道德规范，保护环境并推动可持续发展的责任感，题干目标未主要体现该维度，故D错误。【答题指导】本题考查物理核心素养的维度区分，解题关键是准确把握四个核心素养的内涵，结合教学目标的具体内容进行判断。7.【答案】B【解析】A选项：直接讲解结论再验证的方式属于灌输式教学，不利于学生探究能力的培养，违背了探究式教学的理念，故A错误。B选项：实验前明确观察重点与思考问题，能够引导学生有目的地观察，激发学生的思维，充分发挥演示实验的教学功能，故B正确。C选项：实验后直接给出结论，剥夺了学生思考与讨论的权利，不利于学生对规律的深度理解，故C错误。D选项：全部用多媒体模拟实验，学生无法获得直观的实验体验，不利于实验能力与科学态度的培养，故D错误。【答题指导】本题考查演示实验的教学实施要求，需遵循以学生为主体的教学理念，突出实验的探究性与学生的参与性。8.【答案】C【解析】A选项：课堂表现、实验操作报告、单元测验属于过程性评价，期末考试属于终结性评价，该评价方式兼顾了二者，故A正确。B选项：该评价方式关注学生的学习过程，能够及时诊断学生的学习问题，发挥激励与发展功能，故B正确。C选项：评价主体多元化是指教师评价、学生自评、学生互评、家长评价等多种主体结合，题干中评价主体只有教师，未体现多元化，故C错误。D选项：该评价方式从多个维度评价学生的学习，能够较全面地反映学生的物理学习状况，故D正确。本题为选非题，故答案为C。【答题指导】本题考查物理教学评价的类型与功能，需准确区分过程性评价与终结性评价、评价主体多元化等核心概念。二、计算题（20分）9.【参考答案】（1）t=0时刻，金属棒的感应电动势为：E=BLv₀（2分）回路中的感应电流为：I=E/R=BLv₀/R（2分）金属棒受到的安培力大小为：F=BIL=B²L²v₀/R（2分）由左手定则可知，安培力方向水平向左（与运动方向相反）（2分）本小问共8分。（2）金属棒从开始运动到速度减为v₀/2的过程中，取水平向右为正方向，由动量定理：∫₀ᵗBILdt=m(v₀/2-v₀)（3分）其中∫₀ᵗIdt为通过电阻R的电荷量q，因此上式可化简为：BLq=-mv₀/2解得：q=mv₀/(2BL)（3分）本小问共6分。（3）金属棒最终停止运动，动能全部转化为电阻R上的焦耳热，由能量守恒定律：Q=½mv₀²（6分）本小问共6分。【答题指导】本题考查电磁感应中的动量定理与能量守恒应用，解题关键是明确安培力为变力时，可通过动量定理求解电荷量、位移等物理量；对于纯电阻回路，导体棒的动能最终全部转化为焦耳热。评分时需注意公式的完整性，以及方向描述的准确性，步骤分按要点给分。三、案例分析题（共50分）10.【参考答案】（1）学生解答的错误：混淆了轻杆模型与轻绳模型的受力特点，错误认为小球在最高点的最小速度为√(gL)，实际上轻杆模型中小球通过最高点的最小速度为0。（4分）错误产生的原因：①对轻杆和轻绳的弹力特点理解不到位：轻绳只能提供拉力，不能提供支持力；而轻杆既可以提供拉力，也可以提供支持力，学生未区分二者的本质差异。（2分）②对向心力的来源分析不透彻：向心力是由合力提供的，当杆可以提供支持力时，重力与支持力的合力可以为零，对应向心力为零，速度可以为零。（2分）③存在思维定式：学生先学习了轻绳的竖直圆周运动模型，形成了“最高点最小速度为√(gL)”的定式思维，未结合具体模型的受力特点进行分析。（2分）本小问共10分。（2）正确解答过程：轻杆可对小球提供拉力或支持力。设小球在最高点时，杆对小球的弹力为F，规定竖直向上为正方向，由牛顿第二定律：mg-F=mv²/L（2分）当速度v减小时，所需向心力mv²/L减小，杆的支持力F增大。当v=0时，向心力为0，此时F=mg，杆的支持力与重力大小相等、方向相反，小球受力平衡，可以稳定通过最高点。（3分）因此小球通过圆周最高点的最小速度为0。（1分）本小问共6分。（3）教学引导片段：教师：我们之前学过轻绳拴着小球在竖直平面内做圆周运动的模型，最高点的最小速度是√(gL)，谁能说一下原因？学生：因为轻绳只能拉小球，不能推小球，所以最高点最小的情况是重力刚好提供向心力。教师：很好。那我们今天的模型是轻杆，杆和绳的受力特点有什么不一样吗？学生：杆不仅能拉，还能推，也就是可以提供支持力。教师：没错。那如果杆可以提供支持力，当小球速度很小的时候，重力和杆的支持力的合力是不是可以提供向心力？那速度最小可以到多少？学生：速度为0的时候，支持力等于重力，合力为零，向心力为零，应该可以吧？教师：非常正确。所以我们分析圆周运动的问题时，一定要先明确研究对象的受力特点，不能直接套用结论，要从受力分析入手推导。（设计思路：通过对比轻绳与轻杆模型，引导学生从受力特点出发分析问题，打破思维定式）（4分）本小问共4分。【答题指导】本题考查学生错例分析与教学引导能力，解题时需先明确错误点，再从知识理解、思维方法、学习习惯等角度分析原因，教学片段需符合学生的认知规律，体现启发式教学的理念。11.【参考答案】（1）该教师教学的优点：①教学结构完整，包含导入、新授、巩固练习三个核心环节，符合新授课的基本流程，逻辑清晰。（3分）②明确了试探电荷的理想化条件，为电场强度概念的建立奠定了基础；准确指出了E=F/q是定义式，E与试探电荷无关，突出了概念的本质。（3分）③注重巩固练习，通过变式问题（更换试探电荷的电性）强化概念理解，能够及时发现学生的问题。（3分）教学的不足：①导入环节灌输性较强：直接给出电场的概念，未引导学生思考“静电力如何传递”的问题，学生的参与度不足，不利于激发学生的探究兴趣。（2分）②概念建立过程缺乏探究性：直接给出不同试探电荷的受力结果，未设计实验或探究活动让学生自主发现F与q的比值不变的规律，学生对概念的建构不足。（2分）③对学生错误的处理过于简单：学生回答错误后，直接给出正确结论，未引导学生思考错误的原因，学生无法从根源上理解“电场强度由电场本身决定”的本质。（2分）本小问共15分。（2）改进建议：①优化导入设计，增加问题引导：导入环节设置问题链：“不接触的物体间的相互作用是如何传递的？（比如磁铁吸引铁钉）”“我们学过磁体之间的作用是通过磁场传递的，那么带电体之间的静电力是不是也通过某种场传递？”引导学生结合已有知识猜想，自然引出电场的概念，激发学生的探究欲望。（3分）②强化概念建立的探究性：设计探究实验：利用力传感器、不同电荷量的试探电荷，测量同一位置试探电荷受到的静电力，让学生分组记录数据，计算F与q的比值，自主发现“同一位置F/q为定值”的规律，让学生亲历概念的建构过程，深化对比值定义法的理解。（4分）③改进学生错误的处理方式：当学生回答“电场强度变为-5×10³N/C”时，不要直接否定，而是通过问题引导：“电场强度是描述谁的性质的物理量？”“试探电荷的作用是什么？”“如果拿走试探电荷，这个点的电场还存在吗？”让学生通过思考自主得出“电场强度与试探电荷无关”的结论，深化对概念本质的理解。（3分）本小问共10分。（3）电场强度概念建立过程中体现的核心物理思想方法：①比值定义法：用F与q的比值定义电场强度，反映电场本身的力的性质，与F、q无关。（2分）②理想模型法：引入试探电荷的理想化模型，忽略其对原电场的影响，突出问题的主要因素。（2分）③转换法：将看不见、摸不着的电场的强弱，转换为试探电荷受到的静电力来进行研究。（1分）本小问共5分。【答题指导】本题考查教学片段评析与改进能力，评析时需从优点和不足两个角度入手，结合物理教学论的相关理念（如探究式教学、学生主体地位、概念建构等）进行分析；改进建议需具体、可操作，针对不足提出；物理思想方法需结合概念建立的过程提炼，不可泛泛而谈。四、教学设计题（40分）12.【参考答案】（1）教学目标（体现核心素养）：①物理观念：理解平抛运动的定义与规律，掌握平抛运动的位移公式与速度公式，能运用平抛运动规律解决简单的实际问题。（3分）②科学思维：体会运动的合成与分解在曲线运动研究中的作用，掌握化曲为直的物理研究方法，提升模型建构与科学推理能力。（3分）③科学探究：能参与平抛运动规律的实验探究，通过实验观察、数据处理得出平抛运动的分运动规律，提升实验操作与证据分析能力。（2分）④科学态度与责任：通过平抛运动在生活中的应用（如平抛运动实验、体育项目中的平抛现象），激发学习物理的兴趣，体会物理与生活的紧密联系。（2分）本小问共10分。（2）教学重难点：教学重点：平抛运动的规律（水平方向匀速直线运动、竖直方向自由落体运动），以及运动的合成与分解的研究方法。（3分）教学难点：平抛运动分运动规律的实验探究过程，以及对平抛运动规律的理解与应用。（2分）本小问共5分。（3）实验教学片段及设计意图：环节1：实验猜想与方案设计（8教师：我们已经知道平抛运动是曲线运动，研究曲线运动可以用运动的合成与分解的方法。大家猜想一下，平抛运动可以分解为哪两个方向的分运动？这两个分运动分别是什么性质的运动？学生活动：分组讨论，结合平抛运动的受力特点（只受重力，初速度水平）进行猜想：水平方向不受力，应该是匀速直线运动；竖直方向初速度为零，只受重力，应该是自由落体运动。教师：大家的猜想很有道理，那我们怎么通过实验来验证这个猜想呢？请大家结合桌上的实验器材（平抛运动实验仪、小钢球、刻度尺、频闪相机（或平抛运动轨迹描迹仪））设计实验方案。学生活动：分组讨论实验方案，小组代表发言：方案1：利用平抛运动实验仪，让两个小球同时从同一高度释放，一个做平抛运动，一个做自由落体运动，听落地的声音是否同时，验证竖直分运动是自由落体运动。方案2：利用平抛运动轨迹描迹仪，描绘出平抛运动的轨迹，测量不