立足模型構(gòu)建 提升科學(xué)思維①
——2022年高考全國(guó)物理乙卷壓軸題評(píng)析

李健華

(廣東省深圳市龍崗區(qū)布吉高級(jí)中學(xué),廣東 深圳 518100)

1 引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》提出的基本理念之一為:“注重體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì),培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)?！备咧形锢斫虒W(xué)要從物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面提高學(xué)生的核心素養(yǎng),為學(xué)生終身發(fā)展打好基礎(chǔ)?？茖W(xué)思維主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素,在物理學(xué)科核心素養(yǎng)中處于重要地位。其中模型建構(gòu)既是高中物理教學(xué)的內(nèi)容,也是解決物理問(wèn)題的手段。課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于模型構(gòu)建的學(xué)業(yè)質(zhì)量水平劃分了5級(jí)水平,水平1為:能說(shuō)出一些簡(jiǎn)單的物理模型;水平2為:能在熟悉的問(wèn)題情境中應(yīng)用常見(jiàn)的物理模型;水平3為:能在熟悉的問(wèn)題情境中根據(jù)需要選用恰當(dāng)?shù)哪Ｐ徒鉀Q簡(jiǎn)單的物理問(wèn)題;水平4為:能將實(shí)際問(wèn)題中的對(duì)象和過(guò)程轉(zhuǎn)換成物理模型;水平5為:能將較復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題中的對(duì)象和過(guò)程轉(zhuǎn)換成物理模型。2022年全國(guó)高考?jí)狠S題較好地考查了物理學(xué)科核心素養(yǎng),特別考查了模型建構(gòu)能力。

2 試題呈現(xiàn)與解析

2.1 試題呈現(xiàn)

如圖1所示,一質(zhì)量為m的物塊A與輕質(zhì)彈簧連接,靜止在光滑水平面上;物塊B向A運(yùn)動(dòng),t=0時(shí)與彈簧接觸,到t=2t0時(shí)與彈簧分離,第一次碰撞結(jié)束,A、B的v-t圖像如圖2所示。已知從t=0到t=t0時(shí)間內(nèi),物塊A運(yùn)動(dòng)的距離為0.36v0t0。A、B分離后,A滑上粗糙斜面,然后滑下,與一直在水平面上運(yùn)動(dòng)的B再次碰撞,之后A再次滑上斜面,達(dá)到的最高點(diǎn)與前一次相同。斜面傾角為θ(sinθ=0.6),與水平面光滑連接。碰撞過(guò)程中彈簧始終處于彈性限度內(nèi)。求:

圖1

圖2

(1) 第一次碰撞過(guò)程中,彈簧彈性勢(shì)能的最大值;

(2) 第一次碰撞過(guò)程中,彈簧壓縮量的最大值;

(3) 物塊A與斜面間的動(dòng)摩擦因數(shù)。

2.2 試題解析

3 試題賞析

該試題考查的物理觀念有:運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念、能量觀念,涉及動(dòng)量守恒中的碰撞問(wèn)題、勻變速直線運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。A、B兩物塊通過(guò)彈簧的作用,當(dāng)B向前壓縮彈簧時(shí),B做加速度增加的減速運(yùn)動(dòng),A做加速度增加的加速運(yùn)動(dòng),當(dāng)兩物塊速度達(dá)到相等時(shí),兩者的距離最短,即彈簧壓縮至最短,這一過(guò)程可視為完全非彈性碰撞,減少的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能,從而可以輕松解決第(1)問(wèn)。接著A繼續(xù)加速、B繼續(xù)減速,A、B兩物塊之間距離增加,即彈簧變長(zhǎng),直到彈簧達(dá)到原來(lái)長(zhǎng)度,兩物塊在水平面上分離,這個(gè)過(guò)程可視為彈性碰撞。物塊A在斜面上運(yùn)動(dòng)的速度先減到0,然后加速回到水平面,物塊A向左壓縮彈簧、再反彈,與B物塊分離,這一過(guò)程可視為彈性碰撞,從而解出物塊A返回到水平面的速度,為下一步求出動(dòng)摩擦因數(shù)打好基礎(chǔ)。

該試題通過(guò)對(duì)A、B兩物塊多過(guò)程的復(fù)雜情境的設(shè)置,體現(xiàn)了課標(biāo)的以下內(nèi)容要求:了解彈性碰撞和非彈性碰撞的特點(diǎn),定量分析一維碰撞問(wèn)題并能解釋生產(chǎn)生活中的彈性和非彈性碰撞現(xiàn)象;會(huì)用守恒定律分析物理問(wèn)題的方法,體會(huì)自然界的和諧與統(tǒng)一。

4 教學(xué)建議

動(dòng)量守恒定律是高中物理中的一個(gè)重要規(guī)律,是歷年高考中的考查熱點(diǎn)。課標(biāo)提出:“體會(huì)用守恒定律分析物理問(wèn)題的方法,體會(huì)自然界的和諧與統(tǒng)一?！边@是我們教學(xué)中需要思考的重要問(wèn)題,筆者在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),從能量守恒出發(fā),抓住碰撞中動(dòng)能變化這個(gè)核心,可以構(gòu)建三種物理模型,從而突破教學(xué)中的重、難點(diǎn)。

4.1 從動(dòng)量和動(dòng)能守恒出發(fā),建構(gòu)彈性碰撞模型

4.2 從系統(tǒng)動(dòng)能損失最大出發(fā),建構(gòu)完全非彈性碰撞模型

4.3 從系統(tǒng)動(dòng)能增加出發(fā),建構(gòu)爆炸模型

5 結(jié)語(yǔ)

模型建構(gòu)能力是高考物理的考查熱點(diǎn),也應(yīng)該是物理教學(xué)的重點(diǎn)。在動(dòng)量守恒定律教學(xué)中涉及多個(gè)模型的建構(gòu),從動(dòng)能變化的視角可劃分為以下三種模型:彈性碰撞模型、完全非彈性模型、爆炸模型。在教學(xué)中如果抓住這些重點(diǎn),根據(jù)實(shí)際情境建構(gòu)適當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ?有助于學(xué)生在解決較復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題時(shí),將對(duì)象和過(guò)程轉(zhuǎn)換成物理模型,從而提升他們的科學(xué)思維能力和問(wèn)題解決能力。