高考試題中物理模型的抽象與還原辦法的初探

夏煜琪

(黑龍江省哈爾濱市第122中學(xué) 153600)

新的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中熱門詞頻率最高的是“模型構(gòu)建”，其中也反復(fù)對(duì)表達(dá)主題的核心素養(yǎng)和課程內(nèi)容學(xué)術(shù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以及實(shí)施意見等提出了構(gòu)建模型的要求.

物理模型通常分為三類; 第一個(gè)是物理過程模型，第二個(gè)是物理實(shí)體模型，第三個(gè)是條件模型.

物理過程模型，抽象為理想的特定物理過程，如等溫過程，恒定體積過程，勻變速直線運(yùn)動(dòng)過程、勻速直線運(yùn)動(dòng)過程、拋體運(yùn)動(dòng)過程、勻速圓周運(yùn)動(dòng)過程等.

物理實(shí)體模型主要是指通過模型來取代特定的物質(zhì)系統(tǒng)的過程，像理想變壓器、理想氣體、彈簧振子、單擺、質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷等.

條件模型，將研究對(duì)象所處的外部條件理想化，如勻強(qiáng)電場(chǎng)、輕桿、均勻介質(zhì)、光滑水平面、輕繩等.

這些年，高考物理對(duì)模型搭建的要求很高，一些試題將實(shí)際問題進(jìn)行合理的抽象化，而要求考生在實(shí)際解答的過程中將抽象模型進(jìn)行還原.下面，以近幾年的高考例題為例，來談?wù)勎锢砟Ｐ偷某橄蟆⑦€原與等效.

一、將抽象的分子力模型進(jìn)行還原

例題1 (上海卷)如圖1長度L=0.8 m的光滑桿左端固定一帶正電的點(diǎn)電荷A，其電荷Q=1.8×10 C，一質(zhì)量為m=0.02 kg,帶電量為q的小球B套在桿上，將桿沿水平方向固定在某非均勻外電場(chǎng)中，一桿左端為原點(diǎn)，沿桿向右為x軸正方向建立坐標(biāo)系，點(diǎn)電荷A對(duì)小球B的作用力隨著B位置x的變化關(guān)系，B受水平方向的合力隨著B位置x的變化關(guān)系如圖2所示，其中曲線2在0.16≤x≤0.20和x≥0.4的范圍可近似看成直線.

(1)在合電場(chǎng)中，x=0.4 m,x=0.6 m之間的電差為U

(2)已知小球B在x=0.2 m處獲得v=0.4 m/s的初速度時(shí)，最遠(yuǎn)可以運(yùn)動(dòng)到x=0.4 m.若x=0.16 m處，受到方向向右，大小為0.04 N的恒力作用后，由靜止開始運(yùn)動(dòng)，為讓小球離開細(xì)桿，恒力作用最小的距s是多少？

(1)由圖2可以清楚的知道合力在x=0.4m和x=0.6m之間做功

W合=0.004×0.2=8×10-4J

根據(jù)W合=qU可以得到

(2)由圖2可以清楚的知道電場(chǎng)力小球從x=0.16m到x=0.2 m做功為

小球從x=0.2 m到x=0.4 m處

由圖2可知小球從x=0.4 m到x=0.8 m處

電場(chǎng)力做功W3=-0.004×0.4=-1.6×10-3J

由動(dòng)能定理W1+W2+W3+F外s=0

解析如圖1所示，長度L=0.8 m的光滑桿左側(cè)固定的帶正電的電荷A，電量為1.8×10-7c.在桿上套一質(zhì)量m=0.02 kg，帶電量q的小球B. 桿沿水平方向固定在不均勻的外部電場(chǎng)中. 建立坐標(biāo)系，以桿左端為原點(diǎn)桿右方向?yàn)閤軸正方向. 如圖2(I)中的曲線表示小球B受到A球的力隨著位置x的變化而變化，(Ⅱ)表示球B受到的水平力隨位置x的變化而變化，曲線Ⅱ在0.16≤x≤0.20和x≥0.40范圍可近似看作直線.

評(píng)價(jià)解決這個(gè)問題的關(guān)鍵是從圖像中獲取信息，并在每個(gè)區(qū)間內(nèi)找到電場(chǎng)力所做的功.應(yīng)該正確理解庫侖定律和電場(chǎng)力所做功，也應(yīng)該注意功的正負(fù).

二、等效斜拋運(yùn)動(dòng)模型的應(yīng)用

圖3

例題2 (2016年全國卷)如圖3，在勻強(qiáng)電場(chǎng)中有一個(gè)帶負(fù)電荷的油點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡處在豎直平面(紙面)內(nèi)，該軌跡關(guān)于過P點(diǎn)的豎直直線對(duì)稱，不計(jì)空氣阻力，以下選項(xiàng)中正確的是( ).

A.Q點(diǎn)的電勢(shì)比P點(diǎn)的高

B.油滴在Q點(diǎn)的動(dòng)能比它在P點(diǎn)的大

C.油滴在Q點(diǎn)的電勢(shì)能比它在P點(diǎn)的大

D.油滴在Q點(diǎn)的加速度比它在P點(diǎn)的大

在均勻電場(chǎng)中的電場(chǎng)力和重力都是恒定的力，所以油滴所受到的合外力和加速度是恒定的.所以排除D選項(xiàng)，因?yàn)橛偷诬壽E關(guān)于過P點(diǎn)的豎直直線對(duì)稱，其合力也應(yīng)該一直指向于軌跡內(nèi)部，所以油滴的合力處于垂直方向并且電場(chǎng)力垂直向上. 當(dāng)油滴從點(diǎn)P移動(dòng)到Q時(shí)，電場(chǎng)力做正功，電勢(shì)能減小.所以排除C選項(xiàng).油滴本身帶負(fù)電，電勢(shì)能下降，電勢(shì)增加. 因此，Q點(diǎn)電勢(shì)高于P點(diǎn). 在油滴從點(diǎn)P移動(dòng)到Q的過程中，合外力做正功，并且動(dòng)能增加. 因此，點(diǎn)Q處的動(dòng)能大于點(diǎn)P處的動(dòng)能.所以本題的正確選項(xiàng)是AB.

在整個(gè)物理課本之中都是貫穿的有物理模型構(gòu)建的，充分發(fā)揮物理模型構(gòu)建的功能，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力. 由于應(yīng)試教育的影響，傳統(tǒng)教學(xué)往往側(cè)重于物理概念，基本規(guī)則和簡(jiǎn)單應(yīng)用之上，也就是更多使學(xué)生做題.所以，要加強(qiáng)“發(fā)現(xiàn)問題”和“提出問題”的教學(xué).而在這其中教師發(fā)揮著很重要的作用，可以通過提問，學(xué)生可以問自己如何建立模型，并自覺地找出解決問題的方法和思路. 通過探索和研究的過程對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力、創(chuàng)新思維有很好的培養(yǎng)，在很大程度上可以增加學(xué)生的自信心，使學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)更有信心.