核心素養(yǎng)視角下物理模型的建構(gòu)

(廣東省肇慶市封開縣江口中學(xué),廣東 肇慶 526500)

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是指在接受物理教育過程中學(xué)生逐步形成的、適應(yīng)學(xué)生終身發(fā)展的和社會發(fā)展需要的必備品質(zhì)和關(guān)鍵能力。研究物理學(xué)科核心素養(yǎng)，是落實立德樹人的重要舉措，也是適應(yīng)當(dāng)前教育改革發(fā)展趨勢和提升我國教育國際競爭力的迫切需要。模型建構(gòu)是科學(xué)思維的要素之一，物理學(xué)中的模型建構(gòu)要求在解決物理問題時遵循化繁為簡的原則，突出主要因素，忽略次要因素，根據(jù)條件構(gòu)建反映事物本質(zhì)的理想模型。

1 回溯物理學(xué)史，建模讓歸納、演繹更有活力

學(xué)生在物理模型構(gòu)建的過程中，需要在大量實驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行歸納，得到物理定律，然后根據(jù)歸納的物理定律來演繹出新的結(jié)論。在物理學(xué)發(fā)展史上，許多物理學(xué)家在分析和研究物理現(xiàn)象和物理過程時，忽略次要因素，抓住主要因素，通過歸納的方法建構(gòu)模型。

例如牛頓第一定律就是通過大量的實驗，利用歸納法建立物理模型，發(fā)現(xiàn)定律。如圖1所示，伽利略通過雙斜面實驗，讓小球從一個斜面上滾下，然后滾上另一個斜面。小球可到達(dá)另一個斜面上和原來稍低一些的位置，伽利略再讓斜面的傾角減小,小球的運(yùn)動距離越來越遠(yuǎn)。如果斜面變?yōu)樗矫媲覜]有摩擦，小球為了上升到相同高度，將永遠(yuǎn)運(yùn)動下去。從而得出物體的運(yùn)動不需要力來維持、力是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的原因等重要結(jié)論。

圖1

在教學(xué)中建構(gòu)物理模型需要對物理現(xiàn)象及其本質(zhì)進(jìn)行探索，它建立在學(xué)生所習(xí)得的基礎(chǔ)知識和基本技能、綜合運(yùn)用所學(xué)知識分析和解決實際問題的基礎(chǔ)上，因此高中物理教學(xué)要多做經(jīng)典實驗，讓學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家運(yùn)用實驗和科學(xué)思維揭示物理規(guī)律的方法。

2 分析問題需要模型的支撐

理想化模型是通過對要研究的物理現(xiàn)象加以簡化，抓住關(guān)鍵因素將其理想化，運(yùn)用理想化方法，建構(gòu)出對應(yīng)的物理模型。

構(gòu)建物理模型時應(yīng)用理想化可有多種方法，例如將氣體變化過程進(jìn)行理想化建立了理想氣體等壓過程，將其所處環(huán)境進(jìn)行理想化，則有光滑和絕熱過程等。

例1(2019年全國Ⅰ卷第33題):某容器中的空氣被光滑活塞封住，容器和活塞絕熱性能良好，空氣可視為理想氣體。初始時容器中空氣的溫度與外界相同，壓強(qiáng)大于外界。現(xiàn)使活塞緩慢移動，直至容器中的空氣壓強(qiáng)與外界相同。此時，容器中空氣的溫度(填“高于”“低于”或“等于”)外界溫度，容器中空氣的密度(填“大于”“小于”或“等于”)外界空氣的密度。

評析：該試題立足實際生活中的“空氣”,“可看為”表明對研究問題可以近似簡化為理想模型——“理想氣體”。通過對實際問題的研究，利用物理原理，抓住主要因素、忽略次要因素所構(gòu)造出來的模型就是理想物理模型。其命題思想為：(1) 滲透了物理學(xué)科必備品質(zhì)，在一定條件下，把復(fù)雜的實際對象簡化和近似，抽象為最簡單的足以表征主要特點(diǎn)性能的理想化模型。(2) 注重考查學(xué)生建構(gòu)模型、分析問題的能力(如圖2)。根據(jù)情景分析知，要減小內(nèi)部壓強(qiáng)只能是增大體積，即W<0；由容器和活塞絕熱性能良好知?dú)怏w經(jīng)歷的是絕熱過程，Q=0；再由熱力學(xué)第一定律：ΔU=Q+W，知ΔU<0，所以容器中空氣的溫度低于外界溫度。由氣體壓強(qiáng)的微觀解釋，影響氣體壓強(qiáng)的兩個因素為：溫度和密度，容器內(nèi)溫度低，但壓強(qiáng)與外界相同，那一定是容器中空氣的密度大于外界空氣的密度。

圖2

該題是根據(jù)物理模型加上某些實際情景而編制，在教學(xué)中教師一定要注意培養(yǎng)學(xué)生建模的意識，訓(xùn)練學(xué)生掌握建模的方法，培養(yǎng)學(xué)生依據(jù)題意創(chuàng)建物理模型，應(yīng)用所學(xué)知識分析、推理得出結(jié)論。

例2(2016年高考全國Ⅰ卷第17題)：利用三顆位置適當(dāng)?shù)牡厍蛲叫l(wèi)星，可使地球赤道上任意兩點(diǎn)之間保持無線電通訊。目前，地球同步衛(wèi)星的軌道半徑約為地球半徑的6.6倍。假設(shè)地球的自轉(zhuǎn)周期變小，若仍僅用三顆同步衛(wèi)星來實現(xiàn)上述目的，則地球自轉(zhuǎn)周期的最小值約為( )。

A.1h B. 4h C.8h D.16h

圖3

評析：該題不同以往平時所練習(xí)的同步衛(wèi)星，因地球自轉(zhuǎn)周期變小，衛(wèi)星要與地球保持同步，則衛(wèi)星的公轉(zhuǎn)周期也應(yīng)隨之變小。要實現(xiàn)三顆衛(wèi)星覆蓋全球的目的，求得衛(wèi)星的最小周期，需要由幾何關(guān)系可建構(gòu)出它們間的位置關(guān)系模型(如圖3)。此題得分率較低，原因之一就是學(xué)生沒有根據(jù)題意構(gòu)建出物理模型，找不到思維的支撐點(diǎn)，無法形成正確的解題思路。

3 抽象的數(shù)學(xué)圖像需要物理模型映襯、呈現(xiàn)和簡化

運(yùn)用抽象法構(gòu)建物理模型是指從某一具體事物的某一個屬性或特點(diǎn)來進(jìn)行物理模型構(gòu)建。而類比的方法即人們在物理研究中發(fā)現(xiàn)許多物理現(xiàn)象，彼此之間存在著許多相同或相似的物理屬性，進(jìn)而推測他們之間也存在著一些另外的物理屬性，建立起相應(yīng)的物理模型，通過對已知情況和未知情況的類比，推測兩者模型間的相似，找出未知情況的物理特性。

圖4

例3(2019年全國Ⅰ卷第21題)：在星球M上將一輕彈簧豎直固定在水平桌面上，把物體P輕放在彈簧上端，P由靜止向下運(yùn)動，物體的加速度a與彈簧的壓縮量x間的關(guān)系如圖4中實線所示。在另一星球N上用完全相同的彈簧，改用物體Q完成同樣的過程，其a-x關(guān)系如圖4中虛線所示，假設(shè)兩星球均為質(zhì)量均勻分布的球體。已知星球M的半徑是星球N的3倍，則( )。

A.M與N的密度相等

B.Q的質(zhì)量是P的3倍

C.Q下落過程中的最大動能是P的4倍

D.Q下落過程中彈簧的最大壓縮量是P的4倍

評析：與星球相聯(lián)系的模型是地球，把地球模型延伸到“星球M”和“星球N”，根據(jù)題意構(gòu)建的物理模型如圖5所示。

圖5

理綜Ⅰ卷21題中含有2個物體、2個星球和1個彈簧，考查的對象多、過程多、知識點(diǎn)多。物理圖像能形象地表述物理規(guī)律，結(jié)合物理模型，直觀地描述物理過程，清晰地表示出物理量之間的相互關(guān)系及變化趨勢，增強(qiáng)了學(xué)生對物理過程的理解，可以很好地對物理過程進(jìn)行直觀的定性分析。以圖像與構(gòu)建物理模型為背景的命題成為近幾年高考考查的熱點(diǎn)，許多物理規(guī)律和定理都是來源于實際，將實際的研究對象或問題簡化抽象為理想化模型，進(jìn)行推理，可得出所涉及的物理量間的相互關(guān)系，發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律。教師在平時要加強(qiáng)模型建構(gòu)的教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生抓住主要因素、忽略次要因素的意識，將許多復(fù)雜繁瑣的物理情景，通過建立模型，轉(zhuǎn)化成容易分析思考的簡單物理情景，建構(gòu)成常見的、熟知的、有認(rèn)知經(jīng)驗的物理模型，從而使抽象的問題具體化，使問題的處理更加簡捷、準(zhǔn)確和到位。

4 結(jié)語

物理與實踐結(jié)合非常緊密，在教學(xué)中教師必須重視學(xué)生物理模型構(gòu)建與應(yīng)用能力的培養(yǎng)，這不僅有助于增強(qiáng)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣，有效提高學(xué)生的思維品質(zhì)，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力，還為他們將來從事各種工作打下堅實的基礎(chǔ)。